employee
Krasnoyarsk, Russian Federation
employee
Krasnoyarsk, Russian Federation
employee
Krasnoyarsk, Russian Federation
GRNTI 55.03 Машиноведение и детали машин
BBK 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
The article deals with the process of throttle control of the speed of movement of the piston of the hydraulic cylinder, two-way action, when lowering the boom with the load of the lifting mechanism, ensuring the continuity of the flow of the working fluid. Throttle control of the hydraulic drive, from an energy position, is unpromising, but quite a large number of problems of the volume hydraulic drive is difficult to solve without its application in practice. The change in the effective flow section through the hydraulic choke, connected in series with the hydraulic motor at the output, depending on the external load is not linear. This situation is characterized by the lack of stationarity of the geometrical parameters of the kinematic scheme. The movement of the working fluid, through the throttle, is accompanied by a pressure drop, performing the function of braking the moving elements of hydraulic engines and the elements of the machine design. The value of the braking force is inevitably associated with the phenomenon of continuity of the flow connecting the pump performance and the effective section of the throttle. The best practical illustration of the throttle as a dynamic adaptive braking device is the lifting mechanism. The given technique allows to determine the effective area of the throttle orifice installed at the output of the hydraulic motor, depending on the external parameters, the kinematic scheme of the lowered load and any position of the lifting mechanism
hydraulic drive, load-lifting mechanism, kinematics, pressure, throttle
При проектировании грузоподъемных гидрофицированных машин, необходимо обеспечить скорость опускания поршня гидроцилиндра, удовлетворяющую условию неразрывности потока рабочей жидкости.
В статье рассматривается дроссельное регулирование, обеспечивающее неразрывность потока рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра при опускании, грузоподъёмного механизма, под действием статических и динамических нагрузок (рис. 1).
В настоящей статье рассматривается вопрос дроссельного регулирования скорости опускания стрелы грузоподъемного механизма, под действием приведенного веса всех подвижных элементов системы.
Для опускания стрелы рабочая жидкость от насоса через гидрораспределитель подаётся в штоковую полость гидроцилиндра, а из поршневой полости вытесняется через дроссель в бак.
Опускание стрелы должно происходить в условиях неразрывности потока рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра. С этой целью на выходе из поршневой полости гидроцилиндра устанавливается дроссель. При постоянной производительности насоса Qн, скорость поршня vп постоянна. Такое условие обеспечивает неразрывность потока [3, 5].
Скорость поршня определяется из выражения:
(1)
где 
– скорость движения поршня гидроцилиндра, м/с; 
– подача насоса, м3/с; 
– площадь штоковой полости гидроцилиндра, м2.
Расход рабочей жидкости из поршневой полости гидроцилиндра, проходящий через дроссель:
(2)
где 
– площадь поршня, м2.
Скорость перемещения поршня в выражении (2) подставим из выражения (1), получим:
(3)
Заменим:
(4)
Тогда выражение (4) примет вид:
(5)
Расход рабочей жидкости, проходящей через дроссельное отверстие, также можно определить из выражения [3, 4, 5,]:
(6)
где 
– коэффициент расхода рабочей жидкости; 
– площадь отверстия дросселя, м2; 
– перепад давления, Па.
(7)
где 
– давление перед дросселем, Па, 
– давление за дросселем, Па. Давление, вызванное гидравлическими потерями в линии за дросселем; ρ – плотность рабочей жидкости, кг/м3.
|
|
|
Рис. 1. Принципиальная кинематическая и гидравлическая схемы грузоподъёмного механизма l – длина стрелы, м; L – расстояние от оси вращения стрелы до равнодействующей веса груза с захватом, м; Gпр – приведенный вес груза и технологического оборудования к точке “С” [1, 2, 6], м; a, b, c – стороны треугольника ВСД; a и b – const; с – переменная; ДР – дроссель с обратным клапаном.
|
Дроссель с обратным клапаном установлен на корпусе гидроцилиндра, поэтому давление в поршневой полости гидроцилиндра и перед дросселем равны. Ввиду относительно небольшой величины потерь давления на сливе за дросселем в дальнейших расчётах учитываем только давление на входе в дроссель, тогда уравнение (6) выразим в следующем виде:
(8)
При значительных потерях за дросселем величина потерь давления определяется из выражения:
(9)
где 
– сумма потерь давления на трение по длине прямых участков трубопровода, Па; 
– коэффициент кинетической энергии; 
– величина средней скорости, м/с; 
– сумма всех коэффициентов местных сопротивлений элемента.
Для определения величины отверстия дросселя необходимо найти давления перед дросселем Рп. С этой целью составим уравнение динамического равновесия грузоподъёмного механизма [1, 7, 8]:
, (10)
где 
– усилие, действующее на шток гидроцилиндра, Н; 
– приведенный момент инерции грузоподъёмного механизма относительно точки вращения “B”, кг∙м2; ω – угловая скорость стрелы, с-1; 
– плечо, действия силы , м; 
– плечо, действия приведенного веса 
, м.
Учитывая малое значение третьего слагаемого в начале разгона можно записать [6, 8, 10]:
(11)
При составлении уравнения динамического равновесия не учтена энергия поступательного движения штока и поршня гидроцилиндра, ввиду незначительной их массы и скорости.
Усилие гидроцилиндра:
(12)
где D – диаметр поршня гидроцилиндра, м.
Преобразуем уравнение (11) с учётом (12):
(13)
Преобразуем (13) относительно :
(14)
Примем обозначения:
; 
. (15)
Уравнение (15) запишем в следующем виде:
(16)
, (17)
(18)
Значение угла 
определим из треугольника ВСD.
, (19)
, (20)
Обозначим:
, (21)
Выражение (20) примет вид:
, (22)
, (23)
Выражение (17) примет вид:
, (24)
Угловая скорость стрелы:
, (25)
где, -скорость точки «С».
, (26)
Угловая скорость стрелы с учётом выражения (26):
, (27)
В выражении (16) произведём подстановку из выражений (18), (24):
(28)
Изменения давления, в процессе опускания стрелы, описывается системой уравнений:
, (29)
Система уравнений (29) равносильна следующему уравнению относительно следующей функции :
(30)
или
(31)
Коэффициент расхода для малого круглого отверстия с острой кромкой при значении числа Рейнольдса 
, можно принимать 
, [3, 5, 7, 9], тогда, диаметр отверстия дросселя, обеспечивающий неразрывность потока рабочей жидкости, в гидроцилиндре грузоподъёмного механизма:
(32)
где 
– перепад давления на дросселе, Па. В данном случаи 
Для обеспечения неразрывности потока рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра на выходе из поршневой полости устанавливается не регулируемый дроссель, диаметр отверстия которого принимается расчётно-минимальным, или устанавливают клапан обратный управляемый.
Для стабилизации скорости движения поршня применяются специальные регуляторы расхода, при помощи которых можно установить и автоматически поддерживать постоянную скорость перемещения поршня при опускании стрелы независимо от характера изменения нагрузки на штоке. Основным элементом регуляторов расхода является дроссель.
Выводы. Приведенный алгоритм на стадии проектирования, позволяет определить необходимую площадь отверстия дросселя, которая обеспечит условие неразрывности потока рабочей жидкости в штоковой полости гидроцилиндра при опускании стрелы грузоподъемного механизма.
1. Artobolevsky I.I. Theory of mechanisms and cars: Studies. for technical colleges. 4 prod., pe-rerab. and additional M.: Science. Hl. physical edition. - a mat. litas., 1988, 640 p.
2. Abramov V.V. Shcheglov E.M. Reduction of forces and masses to a hydraulic cylinder axis when raising an arrow of the crawler loader. Bulletin of the Krasnoyarsk state university. Issue 18. A hydraulic actuator of cars of various technological appointment / Under the editorship of S.V. Kaverzin, Ge. George. Krasnoyarsk: KGTU, 2000, pp. 21-27.
3. Bashta T.M., etc. Volume hydraulic drive. M, Mechanical engineering, 1982, 628 p.
4. Butayev D.A. Collection of tasks in machine-building hydraulics. M. Mashinostroyeniye, 1972, 472 p.
5. Gavrilenko B.A., Minin V.A., Christmas S.N. Hydraulic drive.: M, Mechanical engineering, 1969, 502 p.
6. Zhuravlyov V.F., Fundamentals of theoretical mechanics: Prod., the 2nd, reslave. M.: Publishing house of physical and mathematical literature, 2001, 320 p. ISBN 5-94052-041-3.
7. Lepeshkin A.V., Mihailing A.A., Sheypak A.A. Gidravlika and hydropneumatic actuator. Textbook. P. 2. Hydraulic machines and a hydropneumatic actuator. Under the editorship of A.A. Sheypak. M.: MGIU, 2003, 352 p.
8. Melnikov V.G. Throttle regulation of speed of lowering of an arrow of the load-lifting mechanism. Construction and road cars, 2015, no. 7, pp. 32-34.
9. Nikitin O.F. Hydraulics and hydropneumatic actuator: studies. grant. 2nd prod., fixed and additional M.: Publishing house MGTU named N.E. Bauman, 2012, 430 p.
10. Targ S.M., Short course of theoretical mechanics: Uchebn. for technical colleges. 10th prod., reslave. and additional M.: Vyssh. sc., 1986, 416 p.
