Учебное пособие: Гидравлика, гидропневмопривод

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Севастопольский национальный технический университет

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

для лабораторных работ по дисциплине

«ГИДРАВЛИКА И ГИДРОПНЕВМОПРИВОД»

для студентов дневной и заочной формы обучения  специальностей:

7.090258 «Автомобили и автомобильное хозяйство»

7.090203 «Металлорежущие станки и системы»

7.090202 «Технология машиностроения»

(направление 6.090202 – «Инженерная механика»)

Лабораторные работы №№1-5

Севастополь 2007 г.

УДК 629.114.6

Методические указания для лабораторных работ по дисциплине «Гидравлика и гидропневмопривод» для студентов дневной и заочной формы обучения специальностей 7.090258 «Автомобили и автомобильное хозяйство» 7.090203 «Металлорежущие станки и системы» 7.090202 «Технология машиностроения» (направление 6.090202 – «Инженерная механика») Часть 1. Лабораторные работы №№1-5

Составил: Поливцев В.П., Рапацкий Ю.Л., -Севастополь: издательство СевНТУ, 2007-27с.

Целью методических указаний является оказание помощи студентам при подготовке к лабораторным работам, выполнении экспериментальных исследований, обработке их результатов и оформлении отчета. Методические указания предназначены для студентов дневной и заочной формы обучения специальностей 7.090258 «Автомобили и автомобильное хозяйство» 7.090203 «Металлорежущие станки и системы» 7.090202 «Технология машиностроения» (направление 6.090202 – «Инженерная механика»). Могут использоваться также студентами дневной и заочной формы обучения других специальностей 6.0902, 6.0925.

Методический указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры АТПП, протокол №7 от 14.04.2001г.

Рецензент: Харченко А.О., к.т.н., доцент кафедры машиностроения и транспорта, Заслуженный изобретатель Украины    

Лабораторная работа №1

«Определение статической характеристики усилителя типа сопло-заслонка»

Цель работы:

Ознакомиться с конструкцией, принципом действия усилителя типа сопло-заслонка и установить его статическую характеристику

Содержание работы:

1. Ознакомиться с конструкцией усилителя, составить его схему,

определить назначение всех входящих в него элементов;

2. Снять и исследовать его статическую характеристику;

3. Определить чувствительность (передаточное отношение) системы;

4. Экспериментальные зависимости представить графически.

Общие сведения

1. Среди пневматических и гидравлических усилителей широко распространены усилители типа сопло-заслонка. Такие усилители включают дроссель 1 с постоянным проходным сечением, междроссельную камеру А, сопло 2 и заслонку 3 (Рис. 1). Сопло и заслонка составляют вместе дроссель с переменным проходным сечением. Рабочее тело (воздух, жидкость) подается в усилитель под постоянным давлением P₀ , затем протекает через дроссель 1, междроссельную камеру А, сопло 2 и истекает в атмосферу (или бак) через зазор между торцом сопла и заслонкой.

Величина зазора S=S₀±h,

Где S₀ – начальный зазор между соплом и заслонкой;

h - перемещение (ход) заслонки, считающееся положительным при удалении заслонки от сопла.

Заслонка перемещается управляющим элементом. Междроссельная камера А соединяется с рабочей полостью исполнительного механизма.

Усилители типа сопло-заслонка носят еще название механопневма-тических преобразователей, поскольку в них происходит преобразование механического перемещения в пневматический (гидравлический) сигнал.

Они используются также в датчиках давления, расхода, уровня, температуры, числа оборотов, эксцентриситета, линейных размеров, шероховатости поверхности, и т.д. Кроме того, они применяются в различных вычислительных устройствах.

Усилитель (преобразователь) работает следующим образом: при зазоре δ₀

Давление воздуха (жидкости) в камере А равняется начальному, т.о. уравновешивающему нагрузку на исполнительном механизме, и воздух не поступает. Перемещение заслонки вызывает изменение сопротивления дросселя с переменным проходным сечением, а следовательно, и расхода воздуха через сопло-заслонку. Диаметр Р_А в междроссельной камере и выходной линии усилителя при этом так же меняется, и исполнительный механизм приходит в движение.

Затрачивая небольшую мощность на управление усилителем (перемещение заслонки), можно управлять значительной мощностью потока рабочего тела на выходе усилителя, что следует из формулы:

N=P_A∙Q ,

где N- мощность усилителя; Q- расход рабочего тела через проходное сечение.

В установившихся режимах работы каждому зазору δ между соплом и заслонкой соответствует определенное давление Р_А в междроссельной камере при постоянном расходе жидкости выходной линии. Таким образом, статическая характеристика усилителя представляет собой зависимость давления в камере А от зазора δ между зазором и торцом сопла. При этом имеется ввиду что давление рабочего тела Р₀ (воздуха, жидкости) на входе в усилитель давление Р_С среды , в которую воздух вытекает, остается неизменным.

В статических режимах расход рабочего тела через дроссель 1 равен его расходу через сопло с заслонкой. Предполагая, что истечение происходит в атмосферу (Р₀ = 0 атм.), эти расходу могут быть найдены по выражениям:

где μ₁ и μ – коэффициенты расхода через дроссель 1 и сопло с заслонкой соответственно ;

f₁ и f – площади их проходных сечений;

g – ускорение силы тяжести;

γ – удельный вес рабочего тела.

В установившемся режиме Q₁ = Q_{2 .} Поэтом у из уравнения (1) после преобразований получаем, что

где σ_n – проводимость дросселя; a- коэффициент пропорциональности Из формулы (2) видно, что при δ=0 давление Р_А =Р₀, а при δ>0 – давление в междроссельной камере уменьшается, поскольку оно зависит от δ² .

Чувствительность усилителя определяется как

Она может быть определена геометрически как тангенс угла наклона касательной, проведенной к кривой Р_А=f(δ) . Поскольку эта зависимость не линейная, то чувствительность К также изменяется при изменении δ.

Указания к проведению работы

1.      Ознакомиться с стендом и всеми входящими в него элементами Составить полную схему усилителя;

2.      Подключить усилитель к пневмосети , предварительно обратив с помощью обратного клапана давление на входе в усилитель порядка 0.04 МПа (0.4 атм.);

3.      Снять статическую характеристику Р_А=f(δ) . Измерения начинать с δ=0, для чего подвернуть винт микрометра (заслонку) до упора в сопло. Установить, регулируя винтом стабилизатора, давление Р_0. Максимально давление определяется по V-образному манометру так, чтобы размах уровней воды в трубках был максимальный. Необходимо следить за тем чтобы вода в манометре не выходила за красную черту.

4.      после графического построения статической характеристики

5.      определить чувствительность системы усилителя, использовав для этого любой способ графического или числового дифференцирования функции Р_А=f(δ) .

Полученные экспериментальные данные снести в таблицу 1. , сделав при этом 20-25 измерений.

Таблица 1

5. Отчет заканчивается развернутыми выводами, сделанными на основе проведенного исследования.

Литература

1.      И.М. Красов. Гидравлические элементы в системах управления, изд. 2.-М.: Машиностроение, 1967, -с. 32-35; 48-52.

2.      И.А.Ибрагимов и др. Элементы и системы пневмоавтоматики.- М.:Высшая школа, 1985, - с. 66-72

Лабораторная работа №2

«Исследование автоматизированного гидравлического привода»

Цель работы:

Ознакомиться с конструкцией и принципом действия автоматизированного гидравлического привода и определить его характеристики.

Содержание работы:

1. Ознакомиться и конструкцией привода и составить его принципиальную схему.

2. Определить назначение и работу отдельных элементов и привода в целом.

3. Определить характеристики привода.

4. Определить усилие и мощность привода.

Общие сведения:

Гдропривод представляет собой автоматизированный агрегат для выполнения технологического воздействия на управляемый объект, например, стол станка или деталь.

По принципу действия гидроприводы делятся на объемные (статические) и динамические. В настоящей работе применяется объемный гидропривод Под объемным гидроприводом понимается в общем случае гидросистема, предназначенная для приведение в движение механизмов и машин, в состав которых входит объемный гидродвигатель.

Понятие «гидропривод» обычно отождествляется с понятием «гидросистема», под которой понимается совокупность средств , передающих энергию посредством использования жидкости под давлением.

Всякий гидропривод состоит из источника гидравлической энергии (расход жидкости), которым в большинстве случаев служит насос гидродвигателя (в нашем случае возвратно-поступательного движения гидроцилиндра) и прочих гидроаппаратов.

Гидроаппаратурой называют устройства, предназначенные для изменения параметров потока рабочей жидкости или для поддержания их на определенном уровне. Под параметром потока понимают давление, расход и направление давления.

Насосом называется машина, преобразующая механическую энергию, приложенную к его валу (поршню), в энергию жидкости, а гидродвигателем - машина, преобразующая энергию жидкости в механическую энергию на его валу (штоке).

Благодаря таким важным преимуществам, как малая масса и объем, приходящиеся на единицу передаваемой мощности, высокий КПД, надежность действия, а так же простота автоматизации управления, гидроприводы нашли широкое применение в самых разных отраслях машиностроения.

Приемуществом гидросистем является так же возможность бесступенчатого регулирования выходной скорости в широком диапазоне.

Различают:

 - напорную гидролинию – часть основной гидролинии, на которой рабочая жидкость поступает от насоса к распределителю или непосредственно к гидродвигателю;

 - исполнительную гидролинию – часть основной гидролинии, по которой рабочая жидкость движется от распределителя к гидродвигателю и обратно;

 - сливную гидролинию – часть основной гидролинии, по которой рабочая жидкость движется в бак от распределителя или непосредственно от гидродвигателя.

Применительно к рассматриваемым объемным гидроприводам основным видом энергии является энергия давления, которая легко может быть преобразована в механическую работу с помощью гидродвигателей.

В лабораторной работе используется работа гидропривода, исполнительным органом которого служит гидроцилиндр. Такой гидроцилиндр может быть использован как привод перемещений стола станка, ползуна пресса, в качестве толкателя, зажима, и т.д.

Характерной особенностью гидроприводов является равномерное движение рабочего органа (штока гидроцилиндра) , легкость регулировки и большое усилие, развиваемое на штоке.

Гидропривод смонтирован на стенде, на котором установлены бак с маслом, шестеренчатый насос, развивающий давление Р=0.5 МПа.

Скорость вращения ротора насоса h=2000 об/мин. Исполнительный орган- несимметричный цилиндр двухстороннего действия, диаметр поршня которого D=50мм, диаметр штока d=15мм.

Управление работой гидропривода осуществляется от четырехходового двухпозиционного золотника с электромагнитным управлением.

На напорной магистрали установлен манометр для измерения давления масла и предохранительный клапан, регулирующий это давление.

На штоке установлены кулачки, воздействующие на контакты, управляющие подачей тока в обмотки магнитов золотника. Положения кулачков на штоке регулируются. У штока размещена линейка, по которой определяется величина хода штока. Для определения времени хода штока из одного крайнего положения в другое используют секундомер.

Указания по проведению работы

1.      Ознакомиться с гидроприводом, смонтированным на стенде.

2.      Составить его полную схему.

3.      Для пяти различных положений винта предохранительного клапана замерить время прямого и обратного ходов. Для каждого случая замеров фиксировать давление Р в магистрали.

4.      Определить средние скорости прямого и обратного ходов.

5.      Рассчитать F усилие на штоке цилиндра для прямого и обратного ходов для всех пяти случаев.

6.      Определить объемный расход Q масла в цилиндре. Объемный расход находить по формуле Q=S∙V ;

где S – площадь поперечного сечения цилиндра;

V – скорость движения поршня;

определить мощность привода по формуле N=Q∙P,

где Р – давление в напорной магистрали.

Все полученный данные свести в таблицу 1.

Таблица 1.

где: l – ход штока;

Р – давление в напорной магистрали;

t₁ - время прямого хода;

t₂ – время обратного хода;

V – скорость прямого хода;

V₂ – скорость обратного хода;

F – усилия на штоке при прямом ходу;

Q – объемный расход;

N – мощность на штоке.

7. Зависимости скорости, усилия, расхода и мощности от давления Р представить в виде графиков.

8. На основании исследования сделать соответствующие выводы.

Обозначение элементов пневмоавтоматики

Литература

1.      Башта Т.М. Гидропривод и гидроавтоматика. –М.: Машиностроение, 1979, - с. 3-6; 50-54; 67-74; 95-100.

Лабораторная работа №3

«Исследование основных характеристик гидравлического насоса»

Цель работы:

Ознакомиться с конструкцией и основными характеристиками гидравлического насоса

Содержание работы:

1.Ознакомиться с конструкцией насоса.

2.Ознакомиться со схемой регулирования насоса.

3.Составить гидравлическую схему установки.

4.Снять характеристики насоса.

Общие сведения:

Насосами называются машины для создания потока жидкой среды.

По характеру силового воздействия различают насосы динамические и объектные.

Агрегат, состоящий из насоса и приводящего двигателя, соединенные друг с другом называют насосным агрегатом. Различают объемную подачу насоса Qv (м³/с). Подача насоса зависит от геометрических размеров насоса и скорости его рабочих органов, а так же от гидравлического сопротивления трубопровода, связанного с насосом.

Давление насоса P определяется зависимостью

Где: P_H и Pв – соответственно давление на входе и на выходе в насосе; Vм , Vв – средние скорости жидкости на входе и выходе в насос; Zн , Zв – высоты центров тяжести сечений на входе и выходе.

Принципиальная схема шестеренчатого насоса показана на рис. 1.

При вращении шестерен 2 и 4 по направлению стрелок зубья выходят из зацепления и впадины зубьев (вследствие образовавшегося вакуума), заполняются жидкостью из полости 1 всасывания. Рабочие камеры ограничены профилями впадин зубьев, поверхностями статора и боковых дисков. В полости 3 нагнетания зубья входят в зацепление и жидкость из впадин выдавливается в нагнетательную магистраль. Геометрическая подача такого насоса определяется из выражения

Где: b - ширина шестерен; w – угловая скорость вращения шестерен; h – высота головок зубьев шестерен; R – радиус делительной окружности шестерен; f – расстояние между полюсом и точкой зацепления.

Рис. 1

На рис 1.б показан график геометрической подачи шестеренчатого насоса. Для практических расчетов минутную подачу можно рассчитывать по формуле

,

Где: - объемный кпд насоса (= 0.7+0.9); m –модуль зацепления; z – число зубьев шестерен; b – ширина шестерен; n –частота вращения шестерен об/мин.

В предлагаемой работе расход и мощность насоса будем определять косвенным путем через расходную характеристику дросселя, установленного на напорной магистрали гидравлического насоса. Рабочий расход жидкости, протекающей через дроссель, рассчитаем по формуле [3]:

,

Где S – площадь проходного сечения дросселя;  - коэффициент расхода

( - плотность жидкости (=900 кг/м); P – перепад давления на входе и выходе дросселя.

Принимая, что расход через дроссель равен подаче, развиваемой насосом, определим мощность насоса по формуле:

На рисунке 2 представлены обозначения элементов гидропривода.

Из представленных элементов составить схему лабораторной установки.

Указания по проведению лабораторной работы:

1.    Ознакомиться с элементами, входящими в состав лабораторной установки.

2.    Составить гидравлическую схему установки.

3.    Подготовить установку к работе, подключив ее к распределительному электрощиту.

4.    Подать на электродвигатель напряжение постоянного тока.

ВНИМАНИЕ!!! Подаваемое напряжение постоянного тока не больше 24В. А ток не более 10А.

Рис. 2

5.    Установить дроссель в положение 1. Это положение определяется при 16В напряжения на двигателе, при этом насос должен развивать давление на манометре до дросселя 1.5атм.

6.    Меняя напряжение на электродвигателе, а следовательно его скорость, с 16В до 24В через 2В, снять с манометров давление до и после дросселя (24В соответствует 1450 об/мин., 2В – 120 об/мин.).

7.    Установить дроссель в положение 2 и 3 и повторить п.6 Положению 2 и 3 соответствует напряжение на двигателе 16В, а давление, развиваемое насосом на манометре до дросселя 2.0 и 2.25 атм.

8.    Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

9.    Результаты исследований и расчетов представить в виде графических зависимостей Q=f(n), N=f(n).

10.  Сделать вывод по работе.

Литература:

1.      Некрасов В.В Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам, - 2-е изд. – Мн.: Высш. шк., 1985.-382 с., пл.

2.      Башта и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. –М.: Машиностроение, 1982. – 424 с.

3.      Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем –М.: Машиностроение, 1974. – 606 с.

Лабораторная работа № 6

"Исследование центробежного вентилятора"

Цель работы:

Ознакомиться о конструкцией, принципом действия центробежного вентилятора и определить его характеристики.

1.  Ознакомиться с конструкцией вентилятора и дать его схему.

2.  Ознакомиться со схемой включения и регулирования вентилятора. Описать его работу.

3.  Снять характеристики вентилятора.

Работа вентилятора

Вентиляторные установки используются для вентиляции, пневмотран­спорта, пневмоуборки, воздушного отопления, для проветривания, для тяги и дутья в котельных установках и многих технологических процессах. Вентиляторами называют воздуходувные Машины, предназначен­ные для подачи вoздуха или другого газа при потерях давления в воздухопроводах, не превышающих 0,015 МПа.

Наиболее распространены вентиляторы центробежные (радиальные) и осевые. В тех и других давление создается в результате закручивания и сжатия воздуха вращающимся колесом. Центробежный вентилятор (рис.1) представляет собой расположенное в спиральном кожухе колесо с лопатками, при вращении которого воздух, поступающий через входные отвер­стия* попадает в каналы между лопатками колеса и под действием цен­тробежных сил перемещается по этим каналам, собирается спиральным кожухом и направляется в его выпускное отверстие.

В центробежном вентиляторе три основные элемента: лопаточное колесо (рабочее колесо, ротор), спиральный кожух (корпус)" и станина с валом и подшипниками. Центробежные колеса состоят из лопаток, перед него и заднего дисков и ступицы. Если колесо вращается по часовой стрелке (при наблюдении со стороны, противоположной всасыванию), то вентилятор называется правым, если против часовой стрелки - то ле­вым. Правильным вращением колеса является вращение по ходу разворо­та спирального кожуха. При обратном вращении производительность резко падает, но реверсирования, т.е. изменения направления подачи, не происходит.

Поток воздуха, сбегающий с лопаточного колеса; собирается в ко­жух, который также используется обычно для понижения скорости пото­ка и соответственно преобразования динамического давления в стати­ческое.

У центробежных вентиляторов кожух имеет спиральную форму (улитку)

Профиль улитки обычно соответствует архимедовой спирали.

В вентиляторных установках воздушный поток, как правило, имеет постоянную плотность, скорость движения его в каждой точке с течением времени не изменяете ни по величине, ни по направлению.

В этом случае для двух сечений потока (рис.2) можно написать уравнение расхода

где  и  площади поперечных сечений потока в ;  и - средние скорости в м/с; - объемный расход(производительность)

в , т.е. количество перекаченного воздуха (по общему). Связь между значениями давлений в сечениях выражаются уравнением

где  и  - статические давления в сечениях  и ;

 и  - динамические давления;  - плотность воздуха

().

При давлениях, развиваемых вентилятором, плотность воздуха является постоянной величиной.

 - потери давления (статического и динамического) между сече­ниями  и  на трение и местные потери.

При вращении колеса воздуху передается часть подводимой к двига­телю энергии, и идет процесс образования давления.

При движении воздуха (рис.З.) вдоль лопаток колеса абсолютная скорость  движения может быть разложена на переносную  

где  - угловая скорость колеса в рад/с;  - радиус на котором находится частица воздуха, и относительную скорость

Мощность вентилятора в ваттах

Здесь  в  и  в , причем  - динамическое давление развиваемое вентилятором ;  - к.п.д. вентилятора равный 0,85. Для выполнения лабораторной работы используется вентилятор, установленный консольно на валу электродвигателя постоянного тока, но­минальная скорость вращения которого при напряжении 32 В равна
10000 об/мин. Электродвигатель питается от двухполупериодного выпря-
мителя В, напряжение на который подается через регулируемый автотрансформатор ЛАТР-1 (рис.4). 

Изменение скорости вращения ротора двигателя Д (колеса вентилятора ведется о помощью строботоскопа. Деление воздуха измеряют с помощью пневмометрической трубки.

Указания по проведению работы

1. Ознакомиться о конструкцией установки и зарисовать ее схему. Изобразить схему привода вентилятора. Описать работу вентилятора и его регулировку.

2. Экспериментально установить зависимость скорости V воздуха в вентиляторе в зависимости от скорости вращения  колеса, а также зависимость мощности  вентилятора от величины . Для этого пневмометрическая трубка вводится внутрь воздухопровода. При помощи трубок измеряется статическое и полное давление. Поскольку

,

то

.

Здесь  в ; -

3.Изменяя скорость  вращения ротора, определяем ,  для разных (шести-семи) скоростей вращения ротора ( брать равным 8000 об/мин).

Для измерения скорости в работе используется строботоскоп:

а) включить тумблер «Сеть» и через 2-3 мин тумблер «лампа»;

б) переключателем установить диапазон измерения частоты. Строботоскоп имеет три шкалы (красную, синюю и зеленую), что соответственно цветом показано как на шкале, так и на переключателе диапазоны. Красной шкале х10 соответствуют три положения переключателя: ½, 1, 2. Синей х100 соответствуют два положения переключателя: 1, 2. Зеленой х1000 соответствуют два положения переключателя: 1, 2;

в) например, вы поставили переключатель на красную 2, частота мигания лампы будет соответствовать  об/мин;

г) направляете лампу на вращающуюся часть вентилятора. Вращая круглый тумблер до тех пор, пока четко не увидите одну метку, которая как бы «остановится»;

д) сделайте проверку, для этого переключите тумблер на один диапазон в большую сторону – вы увидите два изображения метки. Вернитесь на диапазон с одной меткой. Частота вращения подсчитывается по п. в). Если при переключении вы видите одно изображение, то диапазон выбран неправильно. Переключение в большую сторону делается до появления двух изображений метки с последующим возвратом на предыдущий диапазон.

4.  Подсчитываем скорости  воздушного потока, расход (производительность) вентилятора  и мощность  для тех же скоростей вращения ротора.

Данные сводим в таблицу

Таблица 1

В расчетах учитывать, что давление, уравновешиваемое высотой водяного столба в  1 мм (1 мм вод. ст.), соответствует

P=9.81.

5.  Проводя расчеты, следует следить за тем, чтобы размерности величин соответствовали друг другу.

Определяя сечение  трубопровода (воздухопровода), принимать его как прямоугольник и измерить с помощью линейки.

6.  Все зависимости представить в виде графиков.

7. По работе сделать необходимые выводы.

Литература

1.      Калинушин Н.П. Вентиляторные установки. – изд.6 –М.:Высшая школа, 1967, -с. 136.

2.      Вильмер Я.М. и др. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам, 2-е изд. –М: Высшая школа, 1985. –с. 381.