Расчеты по выбору типа гидроцилиндра

При проектировании систем автоматизации и управления станков, роботов или другого технологического оборудования, в которых в качестве исполнительных механизмов предполагается использование гидроцилиндров, вначале устанавливают исходные данные для расчетов. Основными исходными данными для расчетов по выбору гидроцилиндров являются:

N₁ - сила, развиваемая гидроцилиндром для преодоления полезного сопротивления при перемещении груза по вертикали или по горизонтали, Н (можно принимать ориентировочно 1кгс =10 Н);

L - ход поршня (и штока) гидроцилиндра (максимальный), мм;

V₁, V₂ - скорость перемещения штока гидроцилиндра соответственно в одну или другую сторону (вперед-назад, вверх-вниз), м/с.

В качестве примера рассмотрим расчеты по выбору гидроцилиндра двухстороннего действия с односторонним штоком для перемещения механизма руки робота вверх-вниз (или вертикального перемещения инструментального магазина вертикально-фрезерного полуавтомата с ЧПУ). Усилие для подъема механизма руки робота вверх N₁ = 1500 Н. Длина хода поршня L = 270 мм. Скорость перемещения механизмов руки робота вверх V₁ = 0,25 м/с, а вниз - V₂ =0,35 м/с. Принятый гидроцилиндр двухстороннего действия с односторонним штоком установлен вертикально, корпус гидроцилиндра соединен жестко с основанием робота, а шток сообщен с подвижным механизмом руки робота.

Расчеты по выбору геометрических размеров гидроцилиндра и по выбору необходимого его типоразмера проводят в следующей последовательности.

2.2.1 Выбирают стандартный по ГОСТ 6540-68 [1] ход поршня из следующих значений (в миллиметрах): 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 56, 63, (70), 80, (90), 100, (110), 125, (140), 160, (180), 200,(220), 250, (280), 320, (360), 400, (450), 500, (560), 630, 710, 800,(900), 1000, (1120), 1250, (1400), 1600, (1800), 2000, (2240), 2500, 2800, (3000), 3150, (3350), (3550), (3750), 4000, (4250), (4500), 5000, (5300), (5600), (6000), 6300, (6700), (7100), (7500) 8000,8500, (9000), (9500). В скобках приведены значения дополнительного ряда чисел, которые выбирают во вторую очередь. Для рассматриваемого примера определяем, что стандартная длина хода поршня L = 320 мм.

2.2.2 Вычисляют приведенную длину хода поршня по формуле

, (13)

где K_ЗАК - коэффициент, характеризующий способ закрепления гидроцилиндра на станке или роботе. Значение этого коэффициента выбирают по [1] и находится оно в пределах от 0,5 до 2,0. Принимаем, что корпус гидроцилиндра жестко закреплен к основанию робота, а шток перемещает деталь по вертикальной направляющей, тогда K_ЗАК = 0,7 и

мм.

2.2.3 Определяют эффективную силу, Н, действующую на шток гидроцилиндра по формуле [1] :

, (14)

где K_ТР - коэффициент, учитывающий потери на трение в гидроцилиндре, (пневмоцилиндре), который выбирают по таблице 3 в зависимости от значения полезной силы.

Таблица 3-Значения коэффициента трения в гидроцилиндрах [1]

Для полезной силы, прикладываемой к штоку гидроцилиндра, равной (согласно примеру) 1500 Н, коэффициент трения K_ТР = (0,12-0,20). Принимаем, что K_ТР = 0,18.

N₂ - сила, расходуемая на перемещение массы поршня, штока и одной третьей части массы рабочей жидкости, находящейся в полостях гидроцилиндра и соединительных трубопроводах, Н. (При перемещении поршня вверх эта сила суммируется с силой N₁, а при перемещении вниз - вычитается). Принимаем, что N₂ = 400 Н. (Значение N₂ =400 Н, как и силу N₁ = 1500 H определяют по заданию, приведенному в конце этого методического указания).

N_ИН - сила инерции движущихся частей гидроцилиндра и соединенных с ним массы деталей и рабочей жидкости, Н, которую определяют по формуле

, (15)

где m_И - приведенная масса подвижных частей гидроцилиндра, присоединенных к нему устройств и одной третьей части массы рабочей жидкости, находящейся в полостях гидроцилиндра и соединительных трубопроводах (ориентировочно принимают, что m_И = 0,1 N₂, кг; для рассматриваемого примера кг);

a - ускорение перемещения подвижных частей гидроцилиндра и приведенной к нему массы, которое принимает два значения: а₁ - при перемещении штока в одном направлении (например, вверх) и а₂ - при перемещении штока в другом направлении и вычисляют по формулам:

, (16)

где V₁ и V₂ - скорость перемещения штока в одном и в другом направлениях, м/с.

По условию (заданию) V₁ = 0,25 м/с и V₂ = 0,35 м/с. При L_СТ= 320 мм получаем, что м/с² и м/с²,

Н; Н.

N_ПР - сила сопротивления пружины гидроцилиндра, Н, которую определяют по формуле

N_ПР= R₀ + C_ПР L_СТ , H, (17)

где R₀ - предварительное натяжение пружины, Н;

C_ПР - жесткость пружины, Н/мм;

L_СТ - ход штока гидроцилиндра, мм;

N_СЛ - сила, возникающая от давления рабочей жидкости в сливной полости при перемещении поршня гидроцилиндра, Н, и вычисляется по формуле

N_СЛ = P_СЛ F_СЛ, (18)

где P_СЛ - давление рабочей жидкости в сливной магистрали, МПа;

F_СЛ - площадь поршня гидроцилиндра, на которую действует давление рабочей жидкости P_СЛ, м².

Принимаем, что N_ПР = 0 и N_СЛ =0, тогда эффективная сила, создаваемая гидроцилиндром для перемещения механизма руки робота вверх

N_ЭФ = [1/(1-0,18)] (1500 + 400 - 15,64) = 2298,0 Н.

2.2.4 Вычисляют диаметр поршня гидроцилиндра с односторонним штоком по формуле

, (19)

где N_ЭФ - эффективная сила, действующая на шток гидроцилиндра, Н;

Р₁ - давление рабочей жидкости в системе автоматизации и управления станка или робота, Па. Это давление рабочей жидкости вычисляют или принимают по ГОСТ 6540-68 из следующего ряда давлений: 2,5; 6,3; 10; 16; 20; 25;32; 40; 50; 63 МПа.

Принимаем, что P = МПа = Па, тогда

=0,0342 м=34,2 мм.

2.2.5 Выбирают диаметр поршня гидроцилиндра из ряда цилиндрических пар согласно ГОСТ 12447-80, которые имеют следующие значения: 1; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; (14); 16; (18); 20; (22); 25; (28); 32; (36); 40; (45); 50; (56); 63; (70); 80; (90); 100; (110); 125; (140); 160; (180); 200; (220); 250; (280); 320; (360); 400; (450); 500; (560); 630; (710); 800; (900); 1000 мм.

Для рассматриваемого примера определяем, что D = 40 мм, то есть внутренний диаметр гильзы и диаметр поршня гидроцилиндра равны 40 мм.

2.2.6 Проверяется соответствие между диаметром поршня гидроцилиндра и длиной хода поршня из условия устойчивости по таблице 4.

Таблица 4 - Рекомендуемые соотношения между длиной хода и диаметром поршня гидроцилиндра [2]

Диаметр поршня гидроцилиндра D = 40 мм и ход поршня L_СТ= 320 мм не укладываются в область устойчивого движения по таблице 4, поэтому необходимо в проектируемой системе автоматизации и управления станка (робота) предусмотреть дополнительную направляющую для увеличения устойчивости гидроцилиндра и всего подвижного устройства привода.

2.2.7 Вычисляется диаметр штока гидроцилиндра по приближенной формуле

. (20)

Для рассматриваемого примера мм. Диаметр штока гидроцилиндра можно также определить по графикам [2] в зависимости от приведенной длины штока L_ЭФ и эффективной силы N_ЭФ.

2.2.8 По выбранным геометрическим размерам гидроцилиндра, а именно: по диаметру поршня D, диаметру штока d^`_Ш, ходу поршня L_ЭФ по таблицам 5 и 6 (по таблицам 3.1 - 3.4 из работы [2]) определяют необходимый типоразмер гидроцилиндра, например, ЦРГ 32 - 40 х 20 х 320 УХЛ4.

Гидроцилиндры типа ЦРГ выпускаются промышленностью применительно к станкам и роботам в соответствии с данными, приведенными в таблицах 5 и 6

Таблица 5 – Типы гидроцилиндров

Это обозначение гидроцилиндра расшифровывается следующим образом. ЦРГ - цилиндр гидравлический. Первая цифра после ЦРГ означает исполнение по виду крепления гидроцилиндра к основанию робота ( или другого механизма), а именно: 1 - хомутом, 2 -на цапфах, 3 - на проушине.

Вторая цифра обозначает исполнение гидроцилиндра по способу торможения: 1 – без торможения, 2 - с нерегулируемым торможением в конце хода в обе стороны, 3 - с регулируемым торможением в конце хода в обе стороны, 4 – с торможением в конце хода только при выдвижении штока.

Таблица 6 – Типоразмеры гидроцилиндров типа ЦРГ

Примечания к таблице 6:

- давление, МПа: номинальное - 16, максимальное - 20;

- скорость поршня цилиндра – до 1,5 м/с;

- полный КПД – не менее 0,95.

Три группы цифр соединенных знаком умножения означают соответственно диаметр поршня, диаметр штока гидроцилиндра и ход штока в миллиметрах. После трех групп цифр в обозначении гидроцилиндра указывают климатическое исполнение: У - для умеренного климата, ХЛ - холодного климата (если вместо УХЛ стоит буква О, то этот гидроцилиндр имеет общеклиматическое исполнение, включая и тропический климат). Цифра после УХЛ означает категорию месторасположения оборудования, например, 4 - в закрытых отапливаемых производственных помещениях.

2.2.9 Определяют расход рабочей жидкости, необходимый для обеспечения перемещения штока гидроцилиндра с заданной скоростью, по формуле [1]

, (21)

где V₁ - скорость движения штока гидроцилиндра, м/с, V₁= 0,25 м/с;

h_ОБ.ГЦ - объемный кпд гидроцилиндра, который принимается равным 0,99;

D - диаметр поршня гидроцилиндра, м.

Для выбранных значений геометрических размеров гидроцилиндра расход рабочей жидкости (для его нормальной работы) должен быть не менее

м³/с=

дм³/с л/с л/мин.

По полученному значению расхода рабочей жидкости выбирают необходимый тип гидронасоса. Например, по таблице 1 выбираем гидронасос типа Г 12-33 АМ с номинальной подачей рабочей жидкости Q_Н =27,9 л/мин.

2.2.10 Определяются максимальные значения скоростей перемещения поршня гидроцилиндра вверх V_1МАХ и вниз V_2МАХ по формулам:

, (22)

где Q_Н - подача рабочей жидкости выбранным гидронасосом, л/мин;

h_Н - объемный кпд гидронасоса, значение которого определяют по таблице 1 (для выбранного типа гидронасоса h_Н = 0,91).

После подстановки численных значений определяем, что:

м/с;

м/с.

Так как V_1МАХ = 0,33 м/с> V₁ = 0,25 м/с и V_2МАХ = 0,44 м/с> V₂ =0,35 м/с, то расчет заканчивают. Если эти неравенства не выполняются, тогда подбирают гидронасос с большей номинальной подачей рабочей жидкости. Снижение (регулирование) скоростей V_1МАХ и V_2МАХ до значений V₁ и V₂ осуществляют с помощью дросселей, установленных на линиях подвода рабочей жидкости к гидроцилиндру.

Поиск по сайту: