Элементы расчета регулятора давления повышенной герметичности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621226 В. В. СЫРКИН

В. А. ТРЕЙЕР ■

0

Омский автобронетанковый 8 инженерный институт н

1

-С X

ЭЛЕМЕНТЫ РАСЧЕТА |

РЕГУЛЯТОРА ДАВЛЕНИЯ !

ПОВЫШЕННОЙ ГЕРМЕТИЧНОСТИ 2

^ О

Рассматриваются элементы расчета параметров гидравлического регулятора давления " оригинальной конструкции, обладающего повышенной герметичностью. Полученные зависимости позволяют определять скорости течения жидкости в подводящем канале регулятора в зависимости от давления открытия запорного элемента регулятора и площади проходного сечения указанного канала.

Ключевые слова: расход и давление, рабочая жидкость гидравлический регулятор, скорость течения жидкости, сила натяжения пружины, изменение количества движения потока жидкости.

Повышение надежности гидравлических регуляторов давления и расхода, распределителей потока и других элементов гидроприводов и гидроавтоматики при использовании традиционных методов конструирования и выбора материалов связано с повышенными точностью и качеством обработки поверхностей, необходимостью применения высококачественных конструкционных материалов. При этом они остаются чувствительны к загрязнению рабочей жидкости и имеют относительно большие габариты [1]. Анализ показал, что указанные недостатки таких устройств могут быть в значительной степени устранены, если их регулирующие или за-порно-регулирующие элементы выполнять из эластичных материалов.

Известны и используются в настоящее время гидравлические гидромеханизмы с регуляторами и устройствами, в которых используют эластичные элементы.

Весьма простым и надежным является обратный клапан с эластичным кольцом круглого сечения [1]. В этом клапане эластичное кольцо выполняет две функции: при движении жидкости в прямом направлении кольцо пропускает жидкость, при движении жидкости через клапан в обратном направлении — запирает проходное сечение клапана, надежно прижимаясь к коническим поверхностям канавки, в которой оно размещается. Перепад давления, обусловленный предварительным натягом кольца в кониче-

ской канавке, в исследуемом диапазоне расходов через клапан изменяется незначительно. При изменении направления потока жидкости клапан надежно запирается и выдерживает давление выше 10 МПа. В указанной работе рассмотрены и другие устройства (регуляторы расхода, распределители и др.).

При исследовании регулятора давления с эластичным элементом, который обеспечивает высокую герметичность клапана во всех режимах его работы, установлено, что он работает достаточно надежно как в условиях вибрационных нагрузок, так и перегрузок [2].

Принцип действия регулятора давления оригинальной конструкции (рис. 1 а) состоит в следующем.

Гидравлическое устройство функционирует с рабочим давлением р1, которое воздействует на уплот-нительный эластичный элемент 3, размещенный в канавке с коническими стенками, через канал 1.

В нерабочем состоянии плунжер 2, в котором размещается эластичный элемент, находится в исходном состоянии, каналы 1 (рабочее давление р1) и канал 5 (слив) надежно изолированы друг от друга. Исключаются утечки жидкости и в подвижном соединении плунжер 2 — корпус 4.

При повышении давления в системе выше допустимого плунжер 2 с кольцом 3 перемещается вверх по схеме, кольцо освобождается от стенки корпуса 4, и жидкость, вытесняя кольцо, устремляется на слив, предохраняя гидросистему от повышенного давления (рис. 1 б).

При расчете предохранительного клапана повышенной герметичности с эластичным запорным элементом [2] необходимо учитывать силы, возникающие при открытии клапана, которое сопровождается радиальной деформацией запорного элемента под действием потока жидкости. Геометрия подводящего канала (сеч. 1 — 1, рис. 1) клапана определятся выбором скорости и расхода рабочей жидкости гидросистемы:

Определим давление р в линии при полностью открытом клапане.

При анализе полученного выражения (2) устанавливаем, что давление р можно представить как сумму давления открытия клапана и дополнительного давления:

Р _ £0+Ар 11 1 '

О _и/,

где О — расход жидкости, и — скорость, / — площадь проходного сечения.

Давление под клапаном при расчетном расходе О и силу Р, действующую со стороны жидкости на запорный элемент, можно определить из уравнения количества движения

Qp(u-Vcosa) = P-р, f ,

(1)

P0 +сх up(u-V cosa)

Pi ="

или с учетом, что р_ д (1 — удельный вес; д — ускорение свободного падения), получим

р1 _ р 0 +сх и2 + uVcosa

1 ^ д д

По уравнению Бернулли давление р в линии равно

22 р_ р±+и!+хи!, 11 2 д 2 д

где X — коэффициент сопротивления подводного канала.

Скорость жидкости в линии меньше, чем скорость и, поэтому ее не учитываем, тогда

р = р 0 + сх - u2 + uV cosa+x u2 g fg 2 g g 2g

С учетом, что P0 = р0f (р0 — давление открытия клапана), то

р р0 сх u2 uVcosa „ u2 ,„> —=—+-——+-+Х-■ (2)

Ар сх uV cosa „ u2 u2 где -í-=—+-+X---,

g /у g 2 g 2 g

fg

приращение напора за счет сжатия пружины

где О — расход жидкости через клапан; и — скорость жидкости в подводе (сеч. 1 — 1); V — скорость в щели (сеч. 2 — 2);

а — угол отклонения струи, вытекающей из-под запорного элемента;

Р — сила, действующая со стороны жидкости на клапан;

/ — площадь сечения подвода;

р1 — избыточное давление в сечении 1 — 1 (давление за клапаном атмосферное); р — плотность жидкости. Из уравнения (1) находим:

P

р, = f-Qp(u-Vcosa)=P-p,f (рис. 1б),

где Р _ Р0 - сх (Р0 — сила первоначального натяжения пружины; с — жесткость пружины; х — подъем клапана). С учетом, что О _ и1, получим

при подъеме клапана;

Х u2

X- — приращение напора из-за сопротивления

2g

подводящего канала клапана; второй и четвертый члены правой части уравнения характеризуют изменение количества движения потока.

Угол отклонения a потока является величиной переменной и зависит от подъема запорного элемента, оценим его значение приближенно.

Если принять, что подъем элемента x»— (d —

8

1

диаметр подвода), a»70° , u = —V , cosa»0,3 , тогда

uV cosa 2u-3u-0,3 Л nu

= 1,8-

g

2 g 2 g'

—=сх+1,8 uuL+x uuL - uuL

у fg 2g 2 g 2 g

Dр = сх+0,8 —1ul

g fg 2g 2g

Коэффициент сопротивления подвода X зависит от формы подвода и является функцией числа Рей-

нольдса потока X = f (Re), Re = ——, где d — диаметр

e e v

подвода, v — кинематическая вязкость.

Известно, что при Re >10000 из-за турбулентности потока коэффициент сопротивления X = const (не зависит от числа Рейнольдса). Для рассматриваемого канала подвода можно принять X = 0,2, тогда

^=«+(0,8 +0,2)—- = - (3) g fg 2 g g 2 g

Для выбора скорости и учтем, что — +——,

1 1 1

для допустимого Ар, отсчитанного от р0, можно записать Ар _ Кр 0, 1_рд.

Тогда, согласно [3], можно получить

кР о = К i Р о g 2 g

откуда

g g fg 2g g 2g

u = J (K-Ki )2 где р0 — давление открытия клапана.

сх

2

40

Требуемую жесткость пружины можно определить согласно выражению

сх

-7 = К1Р о.

рд{

с=к1 р о рд{

X

где х — подъем клапана.

Для рассматриваемого клапана можно принять, что

О

цл^та 2

Р о(1+К)

Р

Гидропривод и гидропневматика : Респ. межведомств. науч.-техн. сб. - Киев : Техшка, 1978. - Вып. 14. - С. 86-88.

2. Сыркин, В. В. Исследование работы регуляторов давления повышенной герметичности / В. В. Сыркин, В. А. Трейер // Вестник машиностроения. - 2014. - № 5. - С. 29-32.

3. Гавриленко, Б. А. Гидравлический привод / Б. А. Гаври-ленко, В. А. Минин, С. Н. Рождественский. - М. : Машиностроение, 1968. - 502 с.

| — коэффициент расхода (| = I(Яе)).

Согласно рекомендациям [3], можно принять | = 0,62.

Указанные параметры могут быть уточнены при экспериментальных исследованиях.

Библиографический список

1. Сыркин, В. В. О применении эластичных элементов в гидравлических регуляторах / В. В. Сыркин, В. Б. Петров //

СЫРКИН Владимир Васильевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Техническая механика» Омского автобронетанкового инженерного института; профессор кафедры «Машиноведение» Омского государственного технического университета.

ТРЕЙЕР Виктор Артурович, старший преподаватель кафедры «Техническая механика» Омского автобронетанкового инженерного института; соискатель по кафедре «Машиноведение» Омского государственного технического университета. Адрес для переписки: syrkinvv@mail.ru

Статья поступила в редакцию 18.03.2015 г. © В. В. Сыркин, В. А. Трейер

УДК 531.8

В. Г. ХОМЧЕНКО

Омский государственный технический университет

МЕТОД ВИРТУАЛЬНЫХ ПОВОРОТОВ В РЕШЕНИИ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ КИНЕМАТИКИ МАНИПУЛЯТОРОВ ПЛАТФОРМЕННОГО ТИПА_

В статье предложен метод решения обратной задачи кинематики манипуляторов параллельной структуры, в котором с целью упрощения алгоритмов расчета введено и используется понятие виртуальных поворотов.

Ключевые слова: манипуляторы параллельной структуры, обратная задача кинематики, виртуальные повороты.

В последнее время все большее распространение получают так называемые платформенные механизмы Гауфа- Стюарта [1-3] с параллельной кинематикой (триподы, гексаподы и т.п.).

Такие механизмы обладают высокой жесткостью, что определяет их большую нагрузочную способность, точность позиционирования рабочих органов и т.п. В связи с этим такие механизмы нашли широкое применение в качестве манипуляторов роботов, выполняющих различные производственные функции. Они применяются в качестве измерительных машин, летных тренажеров, технологических станков для изготовления деталей сложной формы, таких как лопатки турбин, обтекателей реактивных двигателей, пресс-форм и т.п.

В манипуляторах с параллельной кинематикой неподвижное основание А соединено с подвижной платформой В в общем случае несколькими (не менее трех) стержнями переменной длины (рис. 1).

Концы стержней соединяются с неподвижной А и подвижной В платформами в зависимости от принятой структуры механизма различными (часто сферическими) кинематическими парами.

При анализе и синтезе механизмов параллельной структуры различают прямую и обратную задачи кинематики.

Прямая задача кинематики заключается в определении положения выходного звена (выходной платформы В) с закрепленным на нем предметом манипулирования по известным длинам стержней (приводных звеньев). Решение этой задачи для механизмов с параллельной структурой является достаточно сложной. Необходимость в ней возникает в весьма редких случаях.

Наиболее содержательной, с нашей точки зрения, является обратная задача кинематики манипуляторов с параллельной структурой (задача синтеза), когда по заданному закону движения схвата, закреплен-

X