Исследование характеристик силового гидравлического цилиндра

Основы теории и цель работы

Применяемые в гид­росистемах машин, конструкции гидроцилиндров весьма разнообразны. Они разделяются на цилиндры с односторонним (рис. 16.1) и двусторонним (рис. 16.2) штоком.

В промышленности наибольшее распространение получили силовые гид­роцилиндры двустороннего действия, в которых движение поршня в обоих направлениях происходит под дей­ствием силы давления жидкости.

Рис. 16.1. Гидроцилиндр с односторонним штоком

Рис. 16.2. Гидроцилиндр с двусторонним штоком

Силовой гидроцилиндр состоит из корпу­са 1 (рис. 16.1 и 16.2), в котором перемещается поршень 2 со штоком 3, выхо­дящим из цилиндра и соединенным с нагрузкой. С целью уменьшения утечки жидкости поршень и шток имеют уплотнения 4 и 5, которые выполняются обычно в виде колец. В силовом гидроци­линдре энергия давления поступающей жидкости пре­образуется в механическую энергию перемещения што­ка.

Скорость движения  поршня за­висит от его рабочей площади S_p, а также количества жидкости Q_ц, поступающей в гидроци­линдр.

Для гидроцилиндра с односторонним штоком при подаче жидкости в левую бесштоковую полость (рис. 16.1) рабо­чая площадь находится по зависимости S_p = πD²/4, где D - диаметр поршня. Тогда скорость поршня (без учета утечек жидкости) определяется по формуле

(16.1)

При подаче жидкости в правую полость гидроцилиндра S_p = π(D² - d²)/4, где d - диаметр штока. В этом случае скорость поршня находится по зависимости

(16.2)

Согласно зависимостей (16.1) и (16.2) при по­даче одинакового количества жидкости Q_ц поперемен­но в левую и правую полости гидроцилиндра поршень перемещается с различной скоростью. Это позволяет путем соответствующего подбора размеров D и d достигать необходимых усилий и скорости при рабо­чем и обратном ходе. В силовых гидроцилиндрах с односто­ронним штоком возможно получение и одинаковых ско­ростей движения штока в обоих направлениях. Для этого площадь сечения штока выполняется в два раза меньше площади сечения поршня и при перемещении порш­ня вправо вытесненная жидкость поступает в левую полость вместе с жидкостью, подаваемой насо­сом.

Согласно зависимости (16.2) в силовых гидроцилиндрах с двусторонним штоком, скорость перемещения поршня в обоих направлениях при подаче одинакового коли­чества жидкости является одинаковой. Основным недостат­ком таких гидроцилиндров является увеличение габа­ритов установок, которые связаны с выходом штока по обе стороны цилиндра.

Под действием давления жидкости на поршень рас­четное усилие на штоке (без учета трения поршня и штока) определяется по формуле

, (16.3)

где р_ц - рабочее давление жидкости, которое находится по зависимости

p_ц = p₁ – p₂, (16.4)

где p₁ и p₂ - соответственно давление жидкости на входе и выходе силового гидроцилиндра.

Мощность, потребляемая силовым гидроцилиндром, без учета утечек жидкости и трения в цилиндре находится по формуле

N = P (16.5)

или

N = р_цQ_ц (16.6)

Зная фактическое усилие на штоке R и скорость дви­жения _п, мощность на штоке силового гидроцилиндра (по­лезная мощность) определяется по формуле

N_ц = R_п (16.7)

К.п.д. силового гидроцилиндра, представляющий отношение полезной мощности к потребляемой, равен

(16.8)

К.п.д. гидроцилиндра представляется также в виде

, (16.9)

где η_о.ц - объемный к.п.д. гидроцилиндра, учитываю­щий наличие утечек жидкости и в связи с этим умень­шение фактической скорости движения поршня и штока _п по сравнению с расчетной , т.е.

(16.10)

η_м.ц - механический к.п.д. гидроцилиндра, учитываю­щий уменьшение фактического (измеренного) усилия на штоке R по сравнению с расчетным Р вследствие тре­ния поршня и штока при движении в силовом цилиндре, т.е.

, (16.11)

Объемный к.п.д. гидроцилиндра, поршень которого уплотнен манжетами или резиновыми кольцами, принимается равным единице, так как при таком уп­лотнении утечек жидкости практически нет. В случае уплотнения поршня металлическими разрезными коль­цами η_о.ц 0,980,99.

Механический к.п.д. гидроцилиндра в зависимости от различных факторов находится в пределах 0,850,97. Среднее значение η_м.ц = 0,95.

Испытание силового гидроцилиндра сводится к экспериментальному определению его характеристик в виде зави­симостей _п=f₁(R) и η_ц=f₂(R).

Цель работы - ознакомление с экспериментальной установкой и снятие опытным путем характеристик силового гидроцилиндра _п = f₁(R) и η_ц = f₂(R).

Описание установки

С хема экспериментальной установ­ки представлена на рис. 16.3. При ее составлении использованы стандартные условные обозначения элементов гидропе­редач. При помощи питающей установки 1, состоящей из роторно-пластинчатого насоса с электродвигателем, жидкость по системе соединительных трубопроводов подается через фильтр 3, обратный клапан 4 и дроссель 5 в реверсивный золотник 6 с электрогидравлическим управлением, являющимся органом управления гидро­передачи. Далее жидкость поступает в бесштоковую полость силового гидроцилиндра 7(рис. 16.3), выполняющего в опытной установке функцию гидродвигателя. Из штоковой по­лости гидроцилиндра жидкость через золотник сливает­ся в гидробак 14, откуда поступает в питающую уста­новку 1.

Для измерения количества жидкости, прошедшей через гидроцилиндр, служит расходомер 13, подключае­мый к системе при помощи кранов 11 и 12. По тарировочной кривой расходомера, полученной в результате проведения специальных опытов, при данном значении частоты вращения мотора определяется Q_ц.

Нагрузка гидроцилиндра осуществляется при по­мощи нагрузочного механизма 10, выполненного в виде механического устройства грузового типа.

Предохранительный клапан 2 служит для ограниче­ния давления в гидросистеме установки и выполняет функцию переливного клапана.

В состав экспериментальной установки также входят образцо­вые манометры 8 и 9, которые при помощи распредели­тельных кранов подключаются к точкам отбора давле­ния.

Проведение опытов и измерения

1. Устанавливается и фиксируется минимальная по­лезная нагрузка на шток гидроцилиндра R путем установки определенного груза.

2. Включается электродвигатель насосной установки 1. После запуска установки необходимо выждать не менее (5 – 6) мин, по истечении которых режим работы насоса считается установившимся.

3. Включением золотника 6 в положение, соответст­вующее изображенному на рис. 16.3, достигается поступ­ление масла в бесштоковую полость силового гидроци­линдра и слив его из штоковой полости. Одновременно с включением золотника включает­ся секундомер и определяется длительность рабочего хода поршня .

4. При помощи манометров 8 и 9 измеряется дав­ление P₁ и P₂ на входе и выходе гидроцилиндра.

5. Переключением кранов 11 и 12 масло направляет­ся в расходомер 13. По счетчику расходомера опреде­ляется частота вращения n.

6. При достижении поршнем со штоком крайнего положения переключением золотника масло направ­ляется в штоковую полость гидроцилиндра 7 (рис. 16.3).

7. Постепенно увеличивается полезная нагрузка путем установки грузов на шток гидро­цилиндра и проводятся, в такой же последовательности, 5 - 6 опытов.

Результаты измерений заносятся в табл. 16.1

Таблица 16.1

Номер опыта	Длительность рабочего хода 	Давление в гидроцилиндре		Частота вращения расходомера n	Полезная нагрузка на штоке R
		на входе P1	на выходе P2
1	2	3	4	5	6

Вычисления и составление отчета

1. С помощью тарировочной кривой расходомера по опыт­ному значению частоты вращения n определяется расход жидкости в гидроци­линдре Q_ц.

2. Определяется расчетная скорость  движения поршня со штоком по зависимости (16.1).

3. Определяется фактическая скорость _п движения поршня со штоком по формуле _n=l/.

4. По опытным значениям давлений на входе и вы­ходе гидроцилиндра по зависимости (16.4) находится давление р_ц.

5. Определяется расчетное усилие на штоке Р при рабочей площади S_p, равной площади поршня, по формуле (16.3).

6. Подсчитывает­ся мощность N, потребляемая силовым гидроцилиндром, по зависимости (16.5) или (16.6).

7. Находится полезная мощность гидроцилиндра N_ц, по зависимости (16.7).

8. Определяется объемный к.п.д. гидроцилиндра, по формуле (16.10).

9. Определяется механиче­ский к.п.д. гидроцилиндра, по зависимости (16.11).

10. Определяется к.п.д. гидроцилиндра, по формуле (16.8) или (16.9).

Результаты вычислений заносятся в табл. 16.2.

Таблица 16.2

Номер опыта	Расход гидроцилиндра Qц	Скорость движения поршня со штоком		Рабочее давление гидроцилиндра рц	Усилие на штоке гидроцилиндра		Мощность гидроцилиндра		К.п.д. гидроцилиндра
		расчетная 	фактическая n		расчетное P	фактическое R	потребляемая N	полезная Nц	объемный ηо.ц	механический ηм.ц	полный ηц
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1.
2.
3.
4.
5.

По экспериментальным данным строятся характеристики силового гидравлического цилиндра _n=f₁(R) и _ц=f₂(R).

Литература

1. Лабораторный практикум по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу / Под ред. Я.М. Вильнера. – Мн.: Выш. Школа, 1980.

2. Кременецкий Н.Н. и др. Гидравлика. – М.: "Энергия", 1973.

3. Лабораторный курс гидравлики, насосов и гидропередач. / Под ред. С.С. Руднева и Л.Г. Подвидза. – М.: "Машиностроение", 1974.

4. Медведев В.Ф. Гидравлика и гидравлические машины. – Мн.: Выш. школа, 1998.

5. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. – М.: Стройиздат, 1975.

6. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. / Под ред. Т.М. Башта. – М.: "Машиностроение", 1970.

7. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. – М.: "Машиностроение", 1971.

8. Чугаев Р.Р. Гидравлика. – Л.: "Энергия", 1975.

Приложение 1

Единицы измерения физических величин в системе СИ

Величина	Размерность	Единица измерения
		Наименование	Обозначение
Длинна	L	метр	м
Масса	М	килограмм	кг
Время	Т	секунда	с
Площадь	L2	квадратный метр	м2
Объем	L3	кубический метр	м3
Скорость	LT-1	метр в секунду	м/c
Ускорение	LT-2	метр на секунду в квадрате	м/с2
Сила	MLT-2	ньютон	Н
Объемный расход	L3T-1	кубический метр в секунду	м3/с
Массовый расход	МТ-1	килограмм в секунду	кг/c
Плотность	МL-3	килограмм на кубический метр	кг/м3
Удельный объем	L3M-1	метр кубический на килограмм	м3/кг
Частота вращения	Т-1	обороты в секунду	об/c
Давление, напряжение, модуль, упругости	ML-1T-2	паскаль (ньютон на квадратный метр)	Па (Н/м2)
Динамическая вязкость	ML-1T-1	паскаль-секунда (ньютонсекунда на квадратный метр)	Пас (Нс/м2)
Кинематическая вязкость	L2T-1	квадратный метр на секунду	м2/с
Напор, потеря напора	L	метр	м
Угловая скорость	Т-1	радиан в секунду	рад/с
Угловое ускорение	Т-2	радиан на секунду в квадрате	рад/с2
Работа, энергия	МL2T-2	джоуль	Дж
Мощность	МL2T-3	ватт	Вт

Приложение 2

Плотность, кинематическая и динамическая

вязкость воды при различной температуре.

Температура t, o C	Плотность , кг/м3	Вязкость
		динамическая   103, Пас	кинематическая 104 , м2/с
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100	1000 1000 998 996 992 988 983 978 972 965 958	1,792 1,310 1,000 0,804 0,657 0,549 0,470 0,406 0,355 0,315 0,282	0,0179 0,0131 0,0101 0,0081 0,0066 0,00556 0,00478 0,00415 0,00365 0,00326 0,00295

Приложение 3

Кинематическая и динамическая вязкость

капельных жидкостей при t = 20 ^o C

Название жидкости	Вязкость
	динамическая  , Пас	кинематическая 104 , м2/с
Вода пресная Глицерин безводный Керосин (при t = 15 o C) Бензин (при t = 15 o C) Масло касторовое Масло минеральное Нефть (при t = 15 o C) Ртуть Спирт этиловый безводный	0,00101 0,512 0,0016 – 0,0025 0,0006 – 0,00065 0,972 0,0275 – 1,29 0,007 – 0,008 0,0015 0,00119	0,01012 4,1 0,02 – 0,03 0,0083 – 0,0093 10,02 0,313 – 14,5 0,081 – 0,093 0,00111 0,0151

Приложение 4

Средние значения коэффициентов истечения воды

из отверстий и насадков

Тип отверстия и насадка			
Круглое отверстие в тонкой стенке	0,97	0,62 - 0,64	0,61
Наружный цилиндрический насадок	0,82	1	0,82
Внутренний цилиндрический насадок (насадок Борда)	0,71	1	0,71
Внутренний короткий насадок	0,98	0,5	0,49
Конический сходящийся насадок (=1324')	0,963	0,982	0,946
Конический расходящийся насадок (=8)	0,45	1	0,45
Коноидальный насадок	0,98	1	0,98

23