/
Похожие
Текст
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ промышленности
УНИВЕРСИТЕТ.
ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА
В МАШИНОСТРОЕНИИ
Допущено методическим советом в качестве
учебного пособия для слушателей
заочных курсов повышения квалификации ИТР
по эксплуатации и наладке гидросистем
М М КУЗНЕЦОВ
ГИДРОСИСТЕМЫ
СОВРЕМЕННЫХ МАШИН
Москва
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1974
К 89
УДК 621 9 06 62—526 001 42
М М Кузнецов Гидросистемы современных машин М, «Ма-
шиностроение», 1974, 60 с.
В брошюре рассмотрены особенности разработки, проектнрон i-
ния и расчета гидросистем современных машин
Определены основные параметры гидросистем новых машин
Сформулированы требования к герметизации рабочих органов-
и даны рекомендации по повышению их надежности
Брошюра предназначена для инженеров-технологов, занимаю-
щихся вопросами эксплуатации и наладки гидросистем Ил 40„
список лит 9 назв
Председатель методического совета заочных курсов повыше-
ния квалификации ИТР по эксплуатации и наладке гидросистем
каий техн наук М М. Кузнецов
Научный редактор д-р техн наук проф Ю А Бочаров.
©
Университет технического прогресса в машиностроении, 1974 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Гидросистемы предназначены для привода исполнитель-
ных органов машин и управления ими. С помощью гидросистем
осуществляется вращательное, поступательное, (копировальное
движения исполнительных органов, а также зажим, поворот,
переключение, выдержка, фиксация.
Чаще всего гидросистемы применяют при больших крутящих
моментах или больших тяговых усилиях на исполнительных ор-
ганах машин
Эксплуатационные достоинства, быстродействие гидравличе-
ских устройств ставят гидросистемы в разряд универсальных
средств автоматизации Их используют в различных машинах,
в том числе в агрегатных станках, автоматических линиях, стан-
ках с программным управлением, станках-автоматах и полуав-
томатах.
Стоимость проектирования, изготовления, монтажа и экс-
плуатации гидросистем значительно ниже, чем электрических
или электромеханических систем Благодаря малой инерцион-
ности механизмов, гидросистемы обладают высокой приемис-
тостью и незначительным временем запаздывания при отработ-
ке командных сигналов, что особенно важно для быстродейству-
ющих следящих приводов, получивших большое распростране-
ние в копировальных станках и станках с программным управле-
нием
В гидросистемах конструктивно просто осуществляется за-
щита рабочих органов от перегрузки н высокая точность их пе-
ремещения под нагрузкой, а также обеспечивается демпфиро-
вание автоколебаний
Ценным качеством гидросистемы является простота регули-
рования как отдельных параметров (давления жидкости, часто-
ты вращения, изменения объема жидкости), так и ихкомбина-
' ций Наладку гидросистем после монтажа производят только
по одному параметру — давлению, тогда как системы электри-
ческие требуют наладки по нескольким параметрам Поэтому
найтн дефекты сборки и монтажа элементов гидросистемы зна-
чительно проще
В настоящее время в станках с программным управлением
широко распространены гидравлические шаговые системы,
2-987
обеспечивающие с помощью винтовой передачи программное
движение рабочих органов станков Шаговые системы приме-
няют в токарных, фрезерных, сверлильных и шлифовальных
станках всех модификаций для обработки изделий сложной
формы, а также для позиционной установки исполнительных
органов в заданное положение.
При конструировании и компоновке гидросистем стремятся
получить рабочие органы наименьших габаритных размеров и
высокой надежности. Под надежностью гидросистемы понима-
ют ее свойства выполнять заданные функции в определенных
условиях 1ЭК'Сплуатаци1и в течение определенного времени при
сохранении значений основных параметров в заданных преде-
лах. Обеспечить высокие показатели надежности можно путем
рационального конструирования элементов, правильного выбо-
ра рабочей жидкости и трубопроводов, хорошей герметизации
С повышением давления в гидросистемах машин большое
значение приобретает герметизация рабочих органов В настоя-
щее время разработаны уплотнения, обеспечивающие хорошую
работу механизмов трения в области требуемых скоростей дви-
жения.
В гидросистемах используют различные трубопроводы и
рукава высокого и низкого давлений При этом следует иметь
в виду, что приведенный модуль упругости гибких рукавов в
2—3 раза меньше, чем металлических трубопроводов и зависит
от давления в гидросистеме
На качество работы гидросистемы оказывают большое
влияние свойства рабочей жидкости. К числу важнейших тре-
бований, предъявляемых к рабочей жидкости, относятся совме-
стимость с применяемыми материалами, хорошие противоизнос-
ные, противопенные и антикислотные свойства, отсутствие меха-
нических примесей, воды, водорастворимых кислот и щелочей.
ГИДРОСИСТЕМЫ
Гидросистемой называют совокупность совместно действую-
щих гидравлических устройств, предназначенных для самостоя-
тельного выполнения заданных функций. В гидросистему вхо-
дят насосная установка, гидродвигатели, контрольно-регули-
рующая аппаратура, аппаратура управления и вспомогатель-
ные устройства Насос преобразует механическую энергию при-
водящего электродвигателя в энергию потока жидкости, а гвд-
родвигатель— энергию потока рабочей жидкости в энергию
“движения рабочего органа
В современных гидросистемах машин широко используют
принцип непрерывного потока жидкости В последние годы
стали применять гидросистемы с пульсирующим потоком жид-
кости Гидросистемы с пульсирующим и с непрерывным пото-
ком аналогичны, их характеристики можно сравнивать так же,
как сравнивают характеристики электрических систем постоян-
ного и переменного тока.
Процесс импульсной модуляции заключается в изменении
по определенному закону одного из параметров периодически
повторяющихся импульсов В зависимости от того, какой из па-
раметров изменяется по закону управляющей величины, раз-
личают амплитудно-импульсную, широтно-импульсную и время-
импульсную модуляции.
Большой интерес представляют электрогидравлические си-
стемы с широтно-импульсной модуляцией, разрабатывающиеся
в настоящее время Имеются примеры их использования в гид-
роавтоматике при дискретном способе передачи сигналов, осу-
ществляемом квантованием входного сигнала во времени.
На рис 1 показана схема гидросистемы автоматического
регулирования подачи суппорта токарного станка 1К62 с адап-
тивным управлением Электродвигатель 3 приводит во враще-
ние аксиально-плунжерный гидравлический привод (насос-
гидродвигатель) 1, обеспечивающий подачу резцового суппор-
та с однокомпонентным гидравлическим динамометром 5, кото-
рый служит для измерения радиальной составляющей силы ре-
зания Сигнал от датчика динамометра поступает в сравниваю-
щий блок 4, где происходит сравнение действующей силы с за-
2* 5
данной F В зависимости от величины и знака сигнала рассо-
гласования вырабатывается управляющий сигнал, который пос-
ле усиления подается на управляющий реверсивный двигатель 2,
изменяющий подачу насоса и, следовательно, частоту враще-
ния гидродвигателя 1.
Таким образом, происходит изменение продольной подачи
в нужном направлении до тех пор, пока сила резания не достиг-
нет заданного значения Применение такой гидросистемы по-
зволяет токарному станку самостоятельно настраиваться на
оптимальный режим резания и работать с наибольшей произ-
водительностью
Рис 1 Гидросистема автоматического реплировапия подачи
суппорта токарного станка 1К62
Большое значение имеет плавность движения, переключе-
ния, торможения и разгона рабочих органов станка Для обес-
печения этих требований служат гидропанелн, которые нашли
широкое распространение в гидросистемах современных стан-
ков Они делают возможным плавность реверсирования стола,
минимальный перебег при изменении скорости движения стола
во всем рабочем диапазоне, минимальный автоматический ход,
а также регулирование задержки стола в конце хода Кроме
того, применение гидропанелей позволяет уменьшить длину тру-
бопроводов, упростить сборку и ремонт, резко сократить габа-
риты гидросистемы, создает большие удобства в обслуживании
агрегатных станков и автоматических линий, уменьшает время
на регулировку, позволяет увеличить жесткость и точность сило-
вых головок, уменьшить стоимость гидрооборудования
Гидросистема шлифовального станка, построенная на базе
гидропанели реверса Г34-1, представлена на рис 2 Стол 10
станка получает возвратно-поступательное движение от гидро-
цилиндра 11, масло в который поступает от насоса 22 под дав-
лением, регулируемым клапаном 21. В корпусе гидропанели 13
размещен реверсивный золотник 20, предназначенный для обе-
спечения реверсирования потока масла, направляемого в гидро-
цилиндр и золотник управления 9.
«
Рис 2. Гидросистема шлифовального станка, построенная
на базе гндропаиели реверса Г34-1
При работе станка масло через золотник 20 и проточки гид-
ропанели проходит к правой полости гидроцилиндра. Из левой
полости гидроцилиндра масло вытесняется через золотник 20 и
далее через проход, образуемый правым конусом золотника 9
и расточкой корпуса 13, в бак. Стол будет двигаться, пока пра-
вый упор не повернет через рычаг управления штангу 12 с ше-
стерней на конце Шестерня при повороте переключит золотник
9, который, перемещаясь влево, своим правым конусом посте-
пенно перекроет выход масла из левой полости гидроцилиндра.
При этом произойдет плавное торможение стола.
В период движения влево, включая время торможения, ма-
сло подводится под левый торец золотника 20 и в камеру 8, а
правый торец золотника 20 и камера 15 соединены с линией
слива, благодаря чему золотники 9 и 20 удерживаются в пра-
вом положении.
3-987
7
В процессе торможения рычаг управления поджимается к
упору. В конце пути торможения стол через рычаг управления
и штацгу 12 с шестерней переводит золотник 9 через среднее
положение, при этом камера 15 соединяется с магистралью дав-
ления, а камера 8—с линией слива, и создается усилие, допол-
нительно перемещающее золотник 9 из среднего положения в
крайнее левое. Одновременно масло под давлением подается к
правому торцу золотника 20, а полость под левым торцом соеди-
няется с линией слива, вследствие чего золотник 20 перемеща-
ется влево.
При перемещении золотника 20 из крайнего правого поло-
жения в среднее масло под давлением к его правому торцу по-
дается через обратный клапан 17 и дроссель 19, расположен-
ные в боковой плите 14, а масло из левой торцовой полости сли-
вается свободно, минуя дроссель 2, расположенный в боковой
плите 5.
При проходе золотником 20 среднего положения происходит
реверс стола и открывается канал, позволяющий свободно под-
вести масло к правому торцу золотника, минуя дроссель 19
Одновременно перекрывается канал, по которому масло свобод-
но выходило из левой торцовой полости золотника 20, и теперь
вытесняемое масло должно проходить через дроссель 2 и обрат-
ный клапан 3
Регулированием дросселя 2 можно изменять скорость дви-
жения золотника 20 при его перемещении из среднего положе-
ния в левое, что обеспечивает требуемую плавность разгона сто-
ла независимо от настройки дросселя 19 Изменение паузы при
реверсе и регулирование плавности разгона вправо достигаются
путем регулирования дросселей 1 и 18.
На первой половине пути золотник 9 кинематически связан
со столом, при этом масло из его торцовых полостей сливается
свободно После перехода через среднюю точку золотник од-
ним из крайних цилиндрических поясков перекрывает выход ма-
сла из полосни, образуемой внутренними поверхностями втул-
ки 7, плунжером 6 и торцом золотника На второй половине пу-
ти золотника 9 масло из этой полости вытесняется через ради-
альный зазор между втулкой 7 и золотником, чем достигается
торможение и мягкое перемещение этого золотника Таким об-
разом, дроссели 1 и 19 служат для регулирования паузы при
реверсировании золотника, а дроссели 2 и 18 — для регулиро-
вания плавности разгона Обратные клапаны 4 и 16 служат для
блокировки.
Для плавного реверсирования стола выдерживают опреде-
ленные соотношения между площадью поршня гидроцилиндра,
размерами тормозных конусов золотника управления и переда-
точным отношением механизма переключения. Исходными дан-
ными для выбора рабочей площади гидроцилиндра, размеров
золотника, конструкции и размеров механизма переключения
8
являются масса подвижных частей стола и максимальная ско
рость его возвратно-поступательного движения
Для решения задачи повышения производительности, на-
дежности и долговечности затыловочных станков потребовалось
сконструировать станок, у которого кинематическая цепь деле-
ния должна быть разгружена от действия силы резаиия, а в
механизме затыловки предусмотрен элемент с высокой демпфи-
рующей способностью Применение следящего гидравлического
привода позволило решить эту задачу.
Схема гидросистемы затыловочного станка показана на
рис 3 Силовой цилиндр 7, следящий золотник 4, и гидроцилин-
дры 2 и 6 смонтированы в одном корпусе, жестко связанном с
отбойной плитой каретки станка Шток цилиндра 7 закреплен
в поворотной плите.
Рис 3 Гидросистема затыловочного станка
3*
э
Насосная установка 1 типа Г48 подает в среднее окно кор-
пуса следящего золотника 4 жидкость под давлением, которое
регулируется предохранительным клапаном.
При вращении кулачка 10 шток 9, прижимаемый к кулач-
ку давлением в левой полости гидроцилиндра 2, перемещается
влево и двигает влево упор 3; при этом следящий золотник 4
под воздействием пружины 8 перемещается также влево, а ры-
чаг 5 поворачивается. Проходные сечения щелей Ах, Ар Аг» Аг
изменяются, и корпус цилиндра 7 с отбойной плитой переме-
щается влево — осуществляется резание
В конце хода затыловки шток 9 останавливается, а корпус
гидроцилиндра 7 с отбойной плитой продолжает перемещаться
до момента установления равновесия в системе в результате
соответствующего изменения проходных сечений щелей.
При дальнейшем вращении кулачка 10 шток 9 движется
вправо, перемещая в том же направлении золотник 4. При этом
золотник перекрывает щели hi и Аг, жидкость через щель hi
поступает в штоковую полость гидроцилиндра 7, и последний
вместе с отбивной плитой перемещается вправо — суппорт отска-
кивает. Скорость ( отскока намного больше скорости рабочего
хода, и для его осуществления требуется повышенный расход
жидкости, поэтому в гидроприводе применен пружинный акку-
мулятор 11, разряжающийся во время отскока.
Для отвода суппорта от изделия в период холостого хода
каретки в схеме предусмотрен цилиндр 6, поступление масла
в который регулируется золотником 12, управляемым электро-
магнитом. Когда масло поступает в полость цилиндра 6, его
шток поворачивает рычаг 5 и перемещает золотник 4 вправо
Суппорт подводится к изделию при обратном переключении
золотника 12. Суппорт отводится и подводится автоматически
или вручную.
При испытании опытного образца гидрофицированного
станка, изготовленного на базе станка 1Б811, получены поло-
жительные результаты. Кинематическая цепь затыловки (де-
ления) в этом станке разгружена от действия силы резания и
является цепью управления. Благодаря высокой демпфирующей
способности суппорта станок по сравнению с базовым работает
более плавно и бесшумно. Большая быстроходность суппорта
обеспечивает значительное повышение производительности.
В практике производства часто бывает необходимо обеспе-
чить глубокое сверление отверстий малого диаметра, требую-
щих особенно тонкого регулирования подачи и усилий реза-
ния. Для выполнения этих требований целесообразно приме-
нять гидравлическую систему управления.
На рис 4 представлена схема гидросистемы управления по-
дачей агрегатной головки станка для сверления трех отверстий
диаметром 1,5 мм и глубиной 24 мм.
10
Рис 4 Гидросистема управления подачей агрегатной головки
станка для глубокого сверления
Гидросистема состоит из следующих основных узлов, насоса
1, переливного клапана 2, силового цилиндра 8 агрегатной го-
ловки, реверсивного золотника 9, золотника быстрых ходов 5
и дросселя 12.
Гидросистема обеспечивает автоматическое уменьшение ра-
бочей подачи при возрастании крутящего момента на сверле.
Цикл работы агрегатной головки состоит из быстрого подвода,
рабочей подачи и быстрого отвода головки в исходное положе-
ние.
При быстром подводе головки с инструментом к детали
масло от насоса 1 подается в правую полость силового цилинд-
ра 8. При включенном электромагните реверсивного золотни-
ка 9 масло из левой полости через золотник 5 и дроссель 12
сливается в бак.
При рабочей подаче в момент подхода сверла к детали
скользящий кулачок 6 механизма путевого управления воздей-
ствует через рычаг 4 на плунжер золотника 5 быстрых ходов.
Слив масла через него прекращается и пиноли сообщается мак-
симальная подача. Кулачок 6 при этом останавливается жест-
ким упором и проскальзывает относительно скалки 10. В про-
цессе сверления рабочая подача регулируется автоматически
изменением площади проходного сечения дросселя 12. Этот
11
дроссель .кинематически связан с водилом планетарного редук-
тора (показано штриховой линией), установленного в приводе
главного движения. По реактивному моменту на водиле оце-
нивают момент нагрузки.
При отводе голов'ки в исходное положение срабатывает
конечный выключатель 11, и электромагнит золотника 9 обес-
точивается При этом обе полости цилиндра 8 соединяются с
насосом, и .пиноль отводится вправо до срабатывания конечно-
го выключателя 7, который дает команду на повторение цикла
Для отключения станка в случае возрастания числа проме-
жуточных выводов сверла при неправильной его заточке или
критическом затуплении в гидросистему введен датчик 3 числа
ходов. При его срабатывании подается световой сигнал на сме-
ну инструмента.
Обработка резанием металлов и прежде всего жаропрочных
и нержавеющих сталей связана с образованием значительного
объема сливной стружки, что нарушает нормальную работу
оборудования. Одним из перспективных способов обработки
при условии наружного дробления стружки является вибраци-
онное резание
Рис 5 Гидросистема устройства для
вибрационного резания
Рис 6 Гидросистем!! питомятическо
го pei улироваиия подачи xpyia шли-
фовального стайка ЗБ151
12
Для вибрационного резания применяют устройства, дейст-
вие которых основйно на механическом, пидравлическом, элек-
трогидравлическом! и автоколебательном принципе Схема гид-
росистемы устройства для вибрационного резания приведена
на рис 5 Гидросистема обеспечивает простую и надежную ре-
гулировку амплитуды и частоты вынужденных колебаний.
Устройство состоит из бака 1, пластинчатого насоса 2, регу-
лируемых дросселей грубой 10 и тонкой 3 настройки, предохра-
нительного клапайа 11 и гидромотора 4 На валу гидромотора
укреплен торцовый кулачок 5, постоянно контактирующий с
роликом 6, установленным в подшипнике на консольной оправ-
ке 7, которая закреплена в резцедержателе 8 Пружина 9 при-
жимает ролик к кулачку и выбирает зазоры в системе
Частота колебаний резца регулируется путем изменения час-
тоты вращения кулачка при изменении расхода масла с помо-
щью дросселей 3 и 10 Устройство обеспечивает плавное регу-
лирование частоты колебаний в диапазоне 10—35 Гц, при необ-
ходимости она может быть увеличена до 70 Гц путем замены
кулачка Амплитуда колебаний зависит от взаимного положе-
ния кулачка и ролика, которое легко изменяется при переме-
щении верхних продольных салазок станка
Применение современных гидравлических механизмов позво-
ляет автоматизировать ряд движений станков. Например, лег-
ко автоматизировать поперечную подачу круга шлифовальных
станков, что позволяет использовать приборы активного конт-
роля и повысить производительность и точность работы стан-
ков.
На рис 6 показана схема гидросистемы автоматического ре-
гулирования подачи круга шлифовального станка ЗБ 151 При
повороте рукоятки золотника 16 быстрого подвода шлифоваль-
ного круга масло из насоса гидросистемы станка поступает в
цилиндр 14 быстрого подвода и одновременно через дроссель
8 — в цилиндр 9 механизма БВ-9036 автоматического вреза-
ния
На штоке 11 закреплена рейка 10, которая приводит во вра-
щение шестерню 5, свободно сидящую на валу 6, жестко связан-
ном с валом механизма ручной поперечной подачи. Движение
на вал передается через шестерню, когда она прижата гайкой
3 к бронзовым втулкам 4 При свободном положении шестерни
5 шлифовальный круг можно подводить и отводить махович-
ком 2
Для включения быстрого подвода служит кнопка 7 После
быстрого подвода круга начинается черновое шлифование На
изделие устанавливается измерительная скоба прибора, и по
мере снятия припуска подается команда на электромагнит зо-
лотника 12 Масло из цилиндра сливается через регулятор ско-
рости 13, скорость штока 11 уменьшается, и начинается чисто-
вое шлифование.
13
По достижении заданного размера изделия прибор выдает
окончательную команду электромагниту 15, и последний пере-
ключает золотник 16 на быстрый отвод Одновременно снима-
ется напряжение с электромагнита золотника 12, и он возвра-
щается в 'исходное положение Масло поступает в левую по-
лость цилиндра 9, и шлифовальный круг отводится от изделия.
В крайнем положении круг воздействует на конечный выключа-
тель, прекращающий выдачу команд от прибора / и выключаю-
щий привод вращения изделия Цикл обработки закончен, и
система возвращается в исходное положение.
Существенным показателем качества гидросистем является
обеспечение стабильности рабочей подачи при изменении на-
грузки на силовой узел Это особенно важно когда уменьшение
подачи под нагрузкой приводит к значительному удлинению
цикла работы станка. Для стабилизации рабочей подачи ис-
пользуется система, в которой редукционный клапан регулято-
ра расхода соединен с полостью силового цилиндра, не связан-
ной с дросселем. При изменении нагрузки на силовой орган дав-
ление в этой полости изменяется, а в полости, связанной с дрос-
селем, остается постоянным Соответственно утечки из полости
постоянного давления, а также перетекание масла из нее в
участки системы, где давление не изменяется при изменении
внешней напрузки на силовой орган, также остаются постоянны-
ми. Для предотвращения утечки рабочей жидкости из полости
постоянного давления, участок системы, расположенный между
регулятором расхода и полостью переменного давления, а
также поршень силового цилиндра, золотник регулятора и рас-
пределительные золотники снабжаются дренажными клапа-
нами
На рис. 7 представлена схема гидросистемы малогабаритной
агрегатной силовой головки ГСМ-01, сконструированной по вы-
шеуказанному принципу.
Гидропанель предназначена для управления возвратно-по-
ступательным движением пиноли 2 головки и работает совме-
стно с реверсивным распределителем с электромагнитным управ-
лением. При помощи гидропанели осуществляется быстрый под-
вод пиноли, рабочая подача, выдержка пиноли в конце хода
на жестком упоре и быстрый отвод пиноли в исходное положе-
ние.
Гидропанель выполнена в виде отдельного блока с габарит-
ными размерами 406X172X90 мм и может быть закреплена в
любом удобном месте Особенностями ее конструкции явля-
ются применение мультипликатора расхода рабочей жидкости
для увеличения скорости быстрого хода пиноли и 'использова-
ние системы полной стабилизации подачи по нагрузке на го-
ловку.
Для изменения направления движения пиноли 2 использу-
ется реверсивный распределитель 6 Переключение пиноли с
14
быстрого подвода на рабочую подачу осуществляется при воз-
действии упора 4, установленного на штоке мультипликатора <3,
на регулируемый винт 5, который служит для настройки быст-
рого подвода пиноли головки Управление рабочей подачей осу-
ществляется дросселем 1
Рис 7 Гидросистема управления возвратно поступательным
движением агрегатной силовой головки ГСМ-01
Большой интерес представляют гидросистемы машин с пуль-
сирующим потоком, позволяющие увеличить к п. д. и уменьшить
габариты гидромеханизмов
На рис 8 представлена схема гидросистемы с пульсирующим
потоком, гидравлическая энергия которому передается в фор-
ме импульсов На рис 9 представлены формы пульсирующего
и выпрямленного потоков
В рассматриваемой гидросистеме (см рис. 8) используется
насос переменной подачи 2, приводимый во вращение электро-
двигателем 1 Насос связан с полостью гидроцилиндра 6 через
фильтры 4 и 3 и предохранительные клапаны 5 и 7.
4 - 987 15
Рис 8 Гидросистема
с пульсирующим потоком
Рис 9 Изменение давления
в системе
а—при пульсирующем по-
токе, б—при выпрямлен-
ном потоке
Такая гидросистема может
Поток, идущий от насоса 2,
преобразуется из непрерывно-
го в пульсирующий с по-
мощью генератора импульсов
(золотник 14 с гидромотором
15) Через генератор проходит
попеременно либо нагнетае-
мая, либо сливаемая рабочая
жидкость по нескольким ли-
ниям передач (блок 13)
Частота вращения гидро-
мотора создает определенную
частоту пульсации потока,
направляющегося в гидро-
цилиндр 12 через золотник //
и блок обратных клапанов 10
работать как с пульсирующим, так
и с непрерывным потоком зависимости от требований эксплуа-
тации Элементам, управляющим потоком, является трансфор-
мирующее устройство (9 и 8), которое повышает или понижает
давление
Испытания системы показали, что оптимальная частота
пульсации находится в пределах 5—12 Гц и зависит от длины
трубопроводов гидросистемы.
16
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ ГИДРОСИСТЕМ
Для нормальной работы гидросистем кроме насоса и гидро-
мотора необходимы еще и другие рабочие органы: клапаны,
дроссели, регуляторы скорости, распределительные золотники
и различные вспомогательные устройства В современных гид-
росистемах широко используют дифференциальные клапаны,
обеспечивающие тонкую настройку давления, дроссели с малы-
ми расходами жидкости, и различные распределители потока
Все рабочие органы тщательно герметизируют, чтобы пред-
отвратить утечки жидкости, находящейся под избыточным дав-
лением
Герметичность достигается путем создания нулевого (или ма-
лого) зазора между уплотняемыми поверхностями с помощью
KaiKoro-либо мягкого эластичного материала, помещаемого меж-
ду ними Беззазорное соединение получают с помощью эластич-
ного материала, 'который под действием внешней силы или сил
давления жидкости поджимается к этим поверхностям, не допу-
ская при движении уплотняемой детали образования зазоров,
по которым могла бы течь жидкость
Существует три способа монтажа аппаратуры на магистра-
лях гидросистемы резьбовой, фланцевый и стыковой Резьбо-
вые соединения выполняют, как правило, с конической резь-
бой Фланцевые соединения применяют для аппаратуры с рас-
ходом более 140 л/мин, при этом используют только стальные,
трубы, которые соединяют ниппелями или сваривают Аппара-
тура резьбового и стыкового соединений различается только
конструкцией корпуса, который при стыковом соединении имеет
выточки для монтажа уплотнительных колец
Зазоры между диаметром плунжера клапана и диаметром
отверстия для него должны находиться в строго определенных
пределах Неправильно назначенные допуски приводят вслед-
ствие объемного теплового расширения материалов корпуса и
плунжера к заклиниванию последнего или, наоборот, к чрезмер-
ному увеличению объемных потерь в клапане Это особенно
опасно, если детали плунжерной пары изготовлены из мате-
риалов с разными коэффициентами линейного расширения.
Чем 'меньше линейное расширение 'материалов плунжерной па-
ры, тем меньше может быть назначен посадочный зазор, тем
ниже будут объемные потери в клапане или соответственно в
другом каком-либо рабочем органе
Клапаны
Клапаны используют в гидросистемах для получения требуе-
мых давлений В частности, предохранительные клапаны слу-
жат для поддержания в системе давления не выше установлен-
ного Если давление в системе превышает настроечное, то кла-
4*
17
пан открывается и перепускает часть жидкости, подаваемой на-
сосом в 'бак Поэтому предохранительный клапан должен иметь
большое быстродействие, высокую чувствительность, простую
геометрическую форму, малые инерционность, потери давления,
размеры.
Рис 10 Схема для расчета
плоского клапана
При расчете клапана принима-
ют во внимание характер распреде-
ления давления, характер потока,
силы инерции, жесткость пружины,
форму замыкающей части и другие
параметры
Рассмотрим расчет плоского
клапана, обеспечивающего регули-
рование давления в гидросистеме
(рис 10)
Перепад давления в клапане
—рг определяется урав-
нением равновесия клапана
D
rd1 с
рДр = j (р3 - /?4)2к rdr
О
ИЛИ
№р ^~ = R. + ch-Tn, (1)
4
где р — коэффициент, характеризующий равномерность рас-
пределения давлений рз и ре,
Ro — усилие пружины при h = 0;
с — жесткость пружины,
Л — подъем клапана;
Т„ — сила инерции жидкости, действующая на клапан
т. d (mv) dm л *< v
Т„ = -4—' =v =vQ = vQvp = p —— ,
di dt n«
4
клапан,
через клапан
где v — скорость течения жидкости в канале;
Q — максимальный расход жидкости через
Qv-=Kdhva — объемный расход жидкости
(здесь t»o = P АР — скорость исте-
чения жидкости через рабочее сечение кла-
пана; р, — коэффициент расхода; р — плот-
ность жидкости).
Произведя соответствующую подстановку в уравнение (1),
получим
18
или
/?о +
cQv
-d'j
(2)
Для упрощения выражения (2) введем обозначения
др=л-; Ro = ct
Qv=y; —L_ = —, =Сг.
v 7 ad2 b‘ r.d'x у у
4
Подставив их в общее уравнение (1), получим
Разделив это выражение на два уравнения, получим возмож
ность графически исследовать работу клапана-
4 + 4 =^ = с^ + с2^,
(2а Ь* X
ИЛИ
— + -^--1; (3
(Ка)г (КЬ)*
где X — параметр, характеризующий клапан
На рис 11 показано графическое решение системы уравне-
ний (3) и (4). Выражение (3) представляет собой уравнение
эллипса / с центром в .начале (координат и осями, совпадающими
с координатными, а выражение (4) — уравнение прямой //,
проходящей через начало координат Координаты точки пересе-
чения эллипса I и прямой // есть решения системы уравнений
(3) и (4)
Анализируя рассмотренное, можно сделать вывод при за-
крытом клапане, т е при Qv-=0, X = Сх = ]/"R0 и х2=а2№.
Тогда
До = —2а—,
₽ —
19
Рис 11 Графическое реше-
ние системы уравнений,
характеризующих работу
плоского клапана
Рис 12 Схема для расчета кони
ческого клапана
отсюда, при закрытом клапане
при -у — 1 р=1
Это означает, что давление в этом случае будет распределе-
но равномерно по всей торцовой поверхности поршенька клапа-
на.
В гидросистемах агрегатных станков часто встречается ко-
нический клапан (рис 12). Его расчет проведем аналогично
расчету плоского клапана-
т, d (mv) nd2 , .
Ти = = v p —— (v - va cos <f)
at 4
Так как r° ка ~ v~4 для небольших значений I, то
Vo _ d
v 46
Подставляя в уравнение для Т„ — = — п v = --------£
, v 46 nd*
получим
20
4
Qt p
л rf2
4
T
1 и
d
---COS <₽
46 T
Так как 8 = h
sin
Ги =
?> to
Qvt
nd*
4
Qtz = " dh sin <?.
d 4 1
7? clg? )'
4n /
После подстановки Tn и Qzb уравнение (2) равновесия бу-
дем иметь
О Л d2 г» I L Q И Р !t d , \
№>Р ~т~ = Яо + сЛ---------1 - тг ctg<P
4 z а* \ 4Л /
~4
Так как h = . . ’ > а vo =Н 1/*2А^ ,
v0 п d sin <р у р
последнее выражение сведем к следующему
2
?АДлД_+-2^-(1-^ctgH = /?« +
4 z а2 \ 4п )
4
+c__£z—i/x:
nd [х sin <f> V “2^р
Примем
А <i2 1 п гЛ
^Р = х-, , R0 = Ci-,
4 а*
(5)
<2к = у;
; С2
nd* 62
4
С
к d р. sin <р
Подставив эти значения в уравнение (5), получим
Л2 1,2 у2 ! d c'am\ — r2'C У
^ + Ц—etgcpj-C.+ C,-,
или
£ + £=c’+^h+jc2(
где
р.1 = [1 2р cos <f.
21
Последнее уравнение представим в виде двух уравнений.
4 + 4 = = с> + +-С2;
а2 Ь2 х
И ТИ
(Кв)» (КЬУ
<_» п
На основании последних двух уравнений построим графиче-
скую характеристику «лапана (рис 13). Эллиптическая кривая
характеризует зависимость перепада давления от расхода жид-
кости через «лапан, а прямые характеризуют изменение угла
Ф конуса седла клапана
Рис 13 Графическая ха-
рактеристика клапана
Рис 14 Расчетная схе-
ма клапана
Из графика видно, что для ф—90° уравтение y = Lxx анало-
гично соответствующему уравнению плоского «лапана, следова-
тельно, при конструировании рабочей части «лапана лучше
иметь плоский клапан — он проще конического Кроме того,
сила инерции жидкости, действующая на конический клапан, в
значительной степени зависит от угла конуса седла клапана.
Следовательно, для получения оптимальной статической ха-
рактеристики клапана желательно выбирать эластичную пру-
жину с нез1начительным коэффициентом жесткости, плоский
замыкатель (?-у- ) и коэффициент расхода
Немаловажную роль играет и масса клапана Для выясне-
ния ее влияния исследуем уравнение (2) движения клапана
(рис. 14)
22
т
d2x
dt*
= P — R—T — G,
где m — масса движущихся частей клапана;
х — координата, определяющая подъем клапана;
Р — сила давления жидкости;
R — усилие пружины;
Т — сила сопротивления движению клапана (сила трения),
G — сила тяжести движущихся частей клапана.
Положение равновесия клапана при нормальном режиме ра-
боты определяется некоторыми значениями х*=0; Р—Ро; R—Rt и
7'=0, при этом сила давления жидкости уравновешивается си-
лой пружины и силой тяжести,
Рп ~ R + G
В отклонениях от положения равновесия уравнение движе-
ния клапана имеет вид:
^^=ДР—ДГ-Д/?. (6)
Изменение силы давления жидкости
&p = F&p = -^-Ьр
Изменение силы пружины пропорционально ее длине:
Д R — сх,
где с — коэффициент жесткости пружины в Н/см
dx
Изменение силы трения зависит от скорости движения —,
поэтому
где Ск—1коэффнцие1нт сопротивления клапана движению
Теперь уравнение (6) запишем так
md2x с л dx
=F Др — ск сх,
dt2----------------dt
или, сгруппировав члены, содержащие х, и разделив на с, по-
лучим
с dfi с dt с
Введем обозначения
Т* = —— коэффициент времени раскачивания в с2;
5 987
23
7\ = —---коэффициент времени демпфирования в с;
С
, F ,,
k «------коэффициент усиления в см
с
Теперь исследуемое уравнение (6) примет вид
~2 d2x . т dx . , .
Тг + 7\ — +x = k*p.
at2 at
Из теории регулирования известно, что при Л<27'2 клапан
в переходном режиме работает как колебательное звено При
Т^2Тг, или с2>4тс , .колебания ликвидируются и получа-
ется апериодическое звено Следовательно, масса ш клапана
является раскачивающим фактором, а коэффициент сопротивле-
ния движению Ск демпфирующим фактором, успокаивающим
колебания клапана Однако слишком большое демпфирование
не полезно, так как увеличение Л влечет за собой увеличение
инерционности клапана. Поэтому необходимо стремиться к
границе апериодичности, при которой
7\ = 2Г2 или Ск = 4/пс
Из этого условия можно определить массу клапана, обеспе-
чивающую оптимальные условия его работы Если масса под-
вижной части клапана незначительна, то и демпфирования не
требуется
Дроссели
Важное значение в современных гидросистемах машин име-
ют устройства для регулирования скорости перемещения рабо-
чих органов, особенно при малых скоростях движения Эти ус-
тройства называют регуляторами скорости Возможность полу-
чения небольших стабильных расходов жидкости в регуляторах
позволяет обеспечить малые скорости перемещения рабочих
органов Однако чем меньше рабочей жидкости пропускает ре-
гулирующее устройство, тем быстрее оно засоряется и выходит
из строя
Основной составной частью регулятора скорости является
дроссель Однощелевые дроссели не позволяют получить устой-
чивый расход жидкости менее 50 см3/мин, а дроссели с непре-
рывно вращающимся элементом дают возможность снизить
расход до 20 см3/мин
Поток жидкости Qo в канале с неподвижными стенками
(рис 15, а) под действием приложенного давления в общем
случае определяется известной зависимостью Пуазейля [1] При
движении же стекки канала (рис 15, б) появляется дополни-
тельный поток QK, зависящий от значения и направления ско-
рости v
24
V
V
SBNJKSBNJfcBSXSK
do
Q
тюиижг^гЛЪ’яяйляяямммл
//s/////s////m
a)
6)
0)
Рис 15 Схема течения жидкости в канале
а—под действием давления р между двумя неподвижными
пластинами, б—между верхней пластиной, движущейся со ско-
ростью v, и нижней неподвижной, р=0; в—под действием дав-
ления р между верхней пластиной, движущейся со скоростью v,
и нижней неподвижной
Таким образом, для канала прямоугольного сечения при
перемещающейся стенке и при действии давления р (рис, 15, в)
общий поток жидкости будет
Q — Qo ± Qk + Qjt,
где <2ут — утечки жидкости через зазоры.
Поток QK считается положительным при совпадении на-
правления скорости v и потока Qo, и отрицательным — при
встречном направлении
Поток Qo может быть достаточно малым при конструктивно
приемлемых размерах канала Так как переменная составляю-
щая обуславливает возможность изменения расхода жидкости,
то общий поток может быть еще меньше, чем Qo
Регулировочная характерис-
тика дросселя с прямоугольным
каналом (без учета утечек) пока-
зана на рис 16 При изменении
вязкости жидкости, например из-
за ее нагрева при работе гидро-
привода, регулировочная характе-
ристика вследствие изменения
Qo смещается относительно пер-
воначального положения Поэто-
Рис 16 Регулировочная ха-
рактеристика дросселя с
прямоугольным каналом
му для надежной работы регуля-
тора в широком температурном
диапазоне необходимо устрой-
ство стабилизации расхода
Дроссель, конструкция которого представлена на рис 17,
обеспечивает подачу масла 0,5—500 см3/мин Дроссель имеет
подвижный элемент — ротор 2 из закаленной стали с винто-
вым каналом прямоугольного сечения. Ротор установлен с не-
большим зазором (6—12 мкм) в корпусе 3, который также вы-
полнен из закаленной стали. Крышки 1 и 4 закрывают корпус
25
с обеих сторон. Ротор приводится во вращение от регулируемо-
го привода. Внутренняя поверхность корпуса является стенкой
канала, относительная скорость которой определяется по фор-
муле
v =irfitncosP,
где п — частота вращения ротора в минуту;
d — диаметр ротора; 2
0 — угол подъема винтовой линии
Рис 17. Дроссель с вращающимся ротором
Жидкость подводится через отверстие в крышке 4, а слива-
ется через отверстие в корпусе 3. Для восприятия осевой наг-
рузки от давления жидкости на торец ротора, установлен упор-
ный подшипник
Существенное значение имеет и место расположения дрос-
селя в гидросистеме машины. Установка дросселя на входе в
гидроцилиндр или на выходе из него влияет на стабильность
подачи рабочего органа и на ее минимальное значение Боль-
шое влияние «а стабильность подачи оказывают также утечки
масла через уплотнения поршня, штока, пояоки золотников и
других аппаратов Влияние утечек и других видов объемных
потерь можно уменьшить введением в гидросистему подпорных
полостей, которые значительно снижают перепад давления в
уплотнениях.
На рис. 18 представлены схемы, иллюстрирующие способ
уменьшения влияния утечек на стабильность рабочих подач
В гидросистемах с дросселем на входе (рис. 18, а) и с дрос-
селем на выходе (рис. 18, б) из гидроцилиндра 7 полости регу-
лируемой подачи с давлением /?рег через демпфер 3 соединены
с левой торцовой камерой клапана 4. Давление в правой каме-
ре этого клапана определяется сопротивлением, которое создает
дросселирующая кромка 5, регулирующая количество перете-
кающей жидкости через дроссель 1 постоянного сечення.
26
Л 5
Рис 18 Гидросистема стабилизации рабочей подачи
а—с дросселем на входе в гидроцилиндр, б—с дроссе-
лем на выходе из гидроцилиндра
Кромка 5 клапана 4 автоматически регулирует площади
проходного сечения так, что давление р0 в камерах подпора
равно давлению рры. Камеры подпора включают в себя ци-
линдрические проточки на уплотнительных поясках реверсивных
золотников 6 и кольцевую канавку, выполненную между уплот-
нениями поршня 7 гидроцилиндра.
Следовательно, в рассматриваемых схемах камеры с давле-
нием ррег в местах подвижных уплотнений граничат только с по-
лостями, в которых давление р0- При этом Ррег=рО{ что позволяет
резко уменьшить перепад давления в уплотнениях и объемные
потери регулируемого потока жидкости
Эффективность эксплуатации таких гидросистем зависит от
места установки дросселя. Так, например, гидросистема, пока-
занная .на рис 18, а, является более эффективной, чем на
рис 18, б, потому что нестабильность подачи во второй гидро-
системе определяется непостоянством утечек через два распре-
делительных золотника.
27
В этих гидросистемах (рнс 18) поток жидкости Qa делится
на две части, а именно
Qh = Qo + Qperi (35)
где Qo — поток через камеру подпора, определяемый пло-
щадью проходного сечения дросселя 1, подводимым
давлением р0 и усилием Р, преодолеваемым порш-
нем 7;
Qper — поток жидкости через гндроцнлнндр
Золотники
При исследовании работы автоматических линий установ-
лено, что основная доля простоев по вине электрогидроавтома-
тики падает на отказы золотников с электромагнитным управ-
лением Обычно в золотниках используют электромагниты об-
щего назначения, работающие в воздушной среде Сердечники
таких электромагнитов весьма часто втягиваются неполностью,
и катушки сгорают. Вследствие трения между катушкой и сер-
дечником мощность, потребляемая электромагнитом, достигает
350 Вт, а срок его службы — 107 включений. Кроме того, после
нескольких сотен тысяч срабатываний наблюдаются износ уп-
лотнений и просачивание масла В настоящее время разработан
новый золотник с электрогидравлическим управлением, в кото-
ром для перемещения плунжера используется специальный
электромагнит, работающий в масле
Конструкция золотника представлена на рис 19 Электро-
магниты этого золотника расположены в отдельных корпусах 1
Золотник состоит из трех легко разбираемых блоков блоков
электромагнитов н блока собственно золотника 4 Катушка 6
электромагнита заключена в резиновую оболочку 5, находя-
щуюся на металлическом цилиндре 7 Сердечник 8 свободно пе-
ремещается внутри этого цилиндра
Рис 19 Золотник с электрогидроуправлеиием
28
Таким образом, катушка электромагнита полностью изоли-
рована от масла, а его сердечник перемещается в нем Располо-
женные на золотнике шайбы 3 и пружины 2 служат для демп-
фирования колебаний сердечников
Такая конструкция золотника позволила получить следую-
щие преимущества
значительно уменьшился износ трущихся пар, срок службы
превысил 107 включений,
герметичность золотника исключила необходимость в уп-
лотнениях,
снизилась мощность, потребляемая электромагнитом, с 350
до 70 Вт,
допустимое число включений электромагнитов достигло
36 000 в час
Эта характеристика »мошйка позволила применять его на
шлифовальных станках для управления осциллирующими дви-
жениями круга
11 10 9 8 7
Рис 20 Одноступенчатый электрогидравлический сервозолотннк
Для систем автоматического управления станками использу-
ют одноступенчатый электрогидравлический сервозолотник Он
рассчитан на очень низкую скорость течения масла, имеет низ-
кий гистерезис, а его стоимость составляет около 60% стоимос-
ти обычного двухступенчатого сервозолотника
В корпусе золотника (рис 20) расположены два постоянных
магнита (слева и справа), имеющих внутренние 10, укреплен-
ные на магнитах 1, и внешние 2 полюсные наконечники. Внут-
ренние полюсные наконечники изготовляют спеканием метал-
лопорошков из мягкого железа и кобальта.
Между полюсными наконечниками находятся катушки 5,
соединенные гибкими проводниками с устройством управления
Катушки закреплены иа мембранах 7, прилаженных иа кольце-
вых подставках 9 Такая система представляет собой линейный
двигатель с динамическим демпфированием.
29
Масло, поступившее в сервозолотник, подводится к соплам
3 и 4, расположенным против центра каждой мембраны 7, яв-
ляющейся их заслонкой. В качестве мембран используют плас-
тинки из беррилиевой бронзы, точный профиль которых полу-
чают химическим травлением. Толщина мембраны 0,125—
0,2 мм в зависимости от размеров золотника Нулевое положе-
ние мембран устанавливается с помощью установочных винтов
6 и 11
В конструкции золотника для
Рис '21 Схема гидросистемы
включения золотника
теме Начальный застой и
подсоединения манометров име-
ются отверстия 8, в которых рас-
положены фильтры с тонкостью
фильтрации 40 .мкм
В случае загрязнения сопла
мембрана от него отодвигается
В золотнике предусмотрена за-
щита от загрязнения обоих дрос-
селей
Схема гидросистемы включе-
ния золотника показана на
рис 21 В нулевом положении
потоки через сопла одинаковы и
падение давления зависит ог
скорости потока Обычно паде-
ние давления в золотнике сос-
тавляет 50% от давления в сис-
гистерезис составляют менее 1 % от
сигнала скорости
Зависимости падения давления в золотнике (в процентах от
давления при состоянии равновесия) и расхода масла (в про-
центах от расхода при состоянии равновесия) от уровня сиг-
нала представлены на рис 22.
q Входной
Рис 22 Зависимости падения давления в золотнике и расхода масла от
уровня сигнала
30
ГИДРОСИСТЕМЫ КОПИРОВАНИЯ
В современных станках и других машинах все более широ-
кое применение находят гидросистемы, обеспечивающие выпол-
нение работ по копиру.
Достоинство таких гидросистем в том, что они позволяют
сигнал незначительного усилия, полученный от копира, преоб-
разовать в перемещение рабочего органа с требуемой силой,
другими словами, они обеспечивают значительное усиление
сигнала по мощности
Копировальные гидросистемы должны обеспечивать высо-
кую надежность и большую точность копирования, быть быст-
родействующими и иметь длительный срок службы без потерь
точности Работают они по принципу следящей системы. Следя-
щей называют автоматическую систему с отрицательной обрат-
ной связью, воспроизводящей на управляемом исполнительном
органе станка изменение входной величины и, как правило, с
усилением по мощности
Следящие системы классифицируют по числу управляемых'
координат, принципу действия (дискретные и непрерывные),
характеру чувствительных устройств и другим признакам. К ха-
рактеристикам гидравлических следящих систем относятся к п д,
температурные условия работы, нагрев рабочей жидкости, тип
обратной связи, характер применяемых элементов и число сту-
пеней передаточно-преобразующих устройств
Применение гидросистем в копировальных станках позволя-
ет автоматизировать технологический процесс даже в мелкосе-
рийном производстве, обеспечить быструю переналадку, умень-
шить трудоемкость изготовления копиров и увеличить точность
и производительность станков.
На рис. 23 представлена схема гидросистемы, обеспечиваю-
щей поступательное движение суппорта токарно-копировально-
го полуавтомата М-35
Когда масло насосом не подается в гидросистему, пружина
гидроцилиндра 10 вводит шток в один из пазов зубчатой рейки
13, расположенной на гидроцилиндре 14 поперечной подачи,
препятствуя опусканию копировального суппорта с резцом
При включении насосной установки 1 масло, поступающее
по трубопроводу 2, проходит через штоковую полость цилиндра
10, освобождая зажим. Одновременно с этим под действием ме-
ханизма управления копировального щупа 7 золотник 6 сме-
щается влево От регулируемого насоса 3 масло поступает к
дифференциальному клапану 8, пройдя который, попадает в
следящий золотник 6 и гидроцилиадр 14. Гидроцилиндр с суп-
портом выдвигается в исходное положение для копирования.
Копировальная обработка начинается с того, что по уста-
новленной программе срабатывает левый электромагнит золот-
ника 17 продольной подачи Золотник движется влево, и в по-
лость 19 гидроцилиндра 20 поступает масло Копировальный
суппорт смещается влево, и копировальный щуп подходит к ко-
пиру. После того как иа электромагнит механизма управления
копировального щупа будет подано на программе дополнитель-
ное напряжение, золотник 6 смещается вправо Масло поступа-
ет в полость 15 гидроцилиндра 14 поперечной подачи, и гидро-
цилиндр с копировальным суппортом перемещаются вниз до
момента касания копира копировальным щупом. Вытесненное
из полости 9 масло поступает через клапан 21 противодавления
в бак
Рис 23 Гидросистема управления поступательным движением
суппорта токарно-копировального полуавтомата М-35
-32
Как только копировальный щуп коснется копира 11, золот-
ник 6 займет среднее положение, в котором все его кромки пе-
рекрыты Масло от регулируемого насоса 3 поступает в клапан
8, который настроен на давление подачи Клапан 16 настраива-
ется на несколько меньшее давление и поэтому заранее откры-
вается Масло поступает в золотник 17 продольной подачи и,
поскольку сам золотник сдвинут влево, оно проходит в полость
19 гидроцилиндра 20. При этом резец копировального суппор-
та движется влево — обрабатывается горизонтальный участок
А Б детали
При обработки вертикального участка БВ детали копиро-
вальный щуп 7 поднимается, золотник 6 смещается влево и все
масло поступает в полость 9 гидроцилиндра 14 При этом гид-
роцилиндр 20 продольной подачи неподвижен, так как масло не
проходит через клапан 8, а целиком поступает к золотнику 6
В точке В копира 11 золотник 6 занимает среднее положе-
ние, его кромки закрываются, и масло не поступает в гидроци-
линдр 14 При этом давление в магистрали 12 возрастает, от-
крывается клапан 16, и масло вновь начинает поступать через
золотник 17 в полость 19 гидроцилиндра 20 Обрабатывается
горизонтальный участок ВГ.
При обработке наклонного участка ГД детали золотники
6 и 17 открываются неполностью и общее количество масла
соответственно делится между цилиндром продольной и попе-
речной подачи
В конце процесса копирования (точка Е) по сигналу от упо-
ра копировальный суппорт останавливается В первую очередь
механизм управления копировальным щупом поднимает его
вверх, отводя от копира. При этом золотник 6 смещается влево,
масло из трубопроводов 5 и 4 попадает через него в полость 9
гидроцилиндра 14 поперечной подачи, и резец копировального
суппорта отходит от детали Дойдя до верхнего положения, ко-
пировальный суппорт замыкает контакты конечного выключа-
теля, подающего питание на правый электромагнит золотни-
ка 17 Масло от регулируемого насоса 3 по трубопроводу 5, и
масло от насоса 22 быстрых ходов, пройдя золотник 17, посту-
пают в полость 18 гидроцилиндра продольной подачи 20, и ко-
пировальный суппорт отводится в исходное положение
Для контурного копирования на вертикально-фрезерных
станках применяют двухкоординатные копировальные устройст-
ва (рис 24). Сложная контурная кривая на обработанной по-
верхности образуется в этом случае в результате геометричес-
кого сложения задающей и следящей подач Направление ре-
зультирующей подачи совпадает с направлением касательной
к профилю копира в точке касания с ним щупа.
Гидросистема состоит из насосной установки 1, от которой
поток рабочей жидкости поступает через следящие золотники
33
9 и 11 в гидромоторы продольной подачи 12 и поперечной пода-
чи 2 Гидромоторы приводят во вращение ходовые винты.
Ходовой винт 13 продольной подачи при вращении сообща-
ет столу станка продольное перемещение. На столе установлен
копир 6, воздействующий иа щуп 7 копировального прибора,
который при смещении передвигает всгюмога1ельчып золотник
10 и пропускает масло к торцам следящего золотника 11 Та-
ким образом, следящий золотник 11 имеет двухступенчатое уп-
равление, благодаря которому уменьшается усилие, необходи-
Рис 24 Гидросистема двухкоордииатного копировального устройства вер-
тикально-фрезерного стайка
мое для смещения золотника, улучшается герметизация тру-
щихся поверхностей, резко уменьшаются утечки, повышается
точность исполнения команд н уменьшается погрешность обра-
ботки.
При движении стола в продольном направлении благодаря
наличию выступов и впадин на копире 6 происходит воздейст-
вие на вспомогательный золотник 8, который управляет сле-
дящим золотником 9 Следящий золотник 9 смещается и на-
правляет масло к гидромотору 2, от которого приводится во
вращение ходовой винт 3, сообщающий столу подачу в попереч-
ном направлении Таким образом, укрепленная на столе заго-
товка 4 обходит вокруг вращающейся концевой фрезы 5, в ре-
зультате чего фрезеруется сложный контур на обрабатываемой
заготовке
34
I ----------------------— 0 л- 0
Применение гидросистемы в этом случае позволяет умень-
шить усилие на копир, сделать его нежестким, из легко обра-
батываемого материала, что, в свою очередь, облегчает автома-
тизацию процесса обработки
Гидравлические системы управления используют для регу-
лирования качества процесса обработки на электроэрозион-
ных станках На рис. 25 представлена схема одноступенчатого
регулятора подачи для легких электроэрозионных станков Она
включает насосную установку /, золотник 9 пуска и останова,
гидроцилиндр 14, в котором перемещается в шариковых опорах
13 шток-шпиндель 16 с изолированным от массы электрододер-
жателем 22, и электроуправление.
Схема обеспечивает перемещение электродержателя 22 с
электродом во время процесса обработки изделия 24 при посто-
янном межэлектродном зазоре (или напряжении между элек-
тродами).
Одноступенчатый гидравлический регулятор подачи полу-
чает питание от насоса 3 с подачей 8 л/мин, приводимого во
вращение электродвигателем 4 Рабочая жидкость поступает
через фильтр 5, клапан 8 и золотник 9 в полости 15 и 18 ци-
линдра, благодаря чему поршень 17 получает требуемое пере-
мещение Манометр 7, включаемый краном 6, позволяет кон-
тролировать давление в напорной магистрали и перепад дав-
ления на фильтре, характеризующий степень его засорения Ра-
бочая жидкость, сливающаяся из регулятора, проходит через
радиатор 21, охлаждаемый вентилятором 23, и частично через
клапан 20, поддерживающий давление на входе в радиатор
0,1 кгс/см2 При включении электромагнита золотник 9 уста-
навливается в такое положение, при котором напорная и слив-
ная магистрали соединяются, при этом давление в гидросисте-
'.ме падает, и электрододержатель 22 останавливается Рабочая
жидкость сливается в бак 2.
В верхней крышке цилиндра 14 расположен цанговый за-
жим, удерживающий шток-шпиндель от самопроизвольного
опускания при отключенном гидроприводе Зажим состоит из
цанги 12, поршенька И и пружины 10. Поворот штока-шпинде-
ля вокруг оси исключается благодаря жестко связанной с ним
окалке 19, перемещающейся между двумя шарико-подшипника-
ми.
Управление движением штока-шпинделя осуществляется
электрогидравлическим регулятором, расположенным на кор-
пусе цилиндра 14. Рабочая жидкость поступает через два оди-
наковых сопротивления 26 в каналы 27 и 31, связанные с по-
лостями 18 и 15 цилиндра и соплами 28, частично перекрытыми
заслонкой 29, качающейся на кольцевой опоре 30 Между опо-
рами заслонки установлена катушка 34, помещенная в кольце-
вой магнитный зазор, создаваемый постоянным магнитом 35.
Гидрорегулятор смонтирован на отдельной панели На заслон-
36
ку действует пружина 33, регулируемая винтом 32. Ток в ка-
тушку подается от разъема через токопроводы.
Во время работы регулятора масло поступает в полость 36
цангового зажима и поднимает поршенек 11 вверх, сжимая
пружину 10 и освобождая лепестки цанги 12 Одновременно
масло поступает через сопла в бак 2 Если заслонка 29 зани-
мает среднее положение между соплами, давления в каналах
27 и 31, а следовательно и в полостях 18 и 15 цилиндра одина-
ковы, и шток-шпиндель 16 неподвижен При подаче сигнала в
катушку 34 появляется сила, воздействующая на заслонку 29 и
вызывающая нарушение равновесия в полостях цилиндра, на
поршне появляется сила, перемещающая шток-шпиндель в соот-
ветствующем направлении
Слежение за эрозионным промежутком, подсоединенном
к генератору импульсов 25, осуществляется с помощью потен-
циометра R1, к которому подключается обмотка управления
б-в катушки 34, причем эталоном служит пружина 33, регули-
руемая винтом 32 Возможно применение и электрического эта-
лона, однако в связи с высоким быстродействием регулятора
требуется хорошееспрямленне эталлонного сигнала. Второе плечо
обмотки а-б подключено через потенциометр R3 к источнику
переменного напряжения, обеспечивающему осцилляцию элект-
рода с амплитудой до 0,05 мм, когда это требуется по технологи-
ческому процессу В схеме предусмотрены два поляризованных
реле (Р1 и Р2) типа РП-4 для защиты от нарушений процесса
обработки, выражающихся в падении напряжения в эрозионном
промежутке ниже минимально допустимого уровня (настраивает-
ся потенциометром R4) Нормальное положение контактов реле
обеспечивается за счет подключения ,их вторых обмоток (III—IV)
к источнику постоянного тока через резистор R При нормаль-
ном течении процесса обработки реле Р1 включено, а реле Р2
выключено При нарушении процесса реле Р1 отключается с
задержкой по времени, определяемой емкостью С1, разрывает
свой замыкающий контакт, отключая от себя эрозионный про-
межуток и замыкает размыкающий контакт, соединяя обмотку
\ правления а-б с источником постоянного напряжения и од-
новременно подключая к тому же источнику первую обмотку
(I—II) реле Р2 Прн этом на регулятор поступает сигнал, обе-
спечивающий разведение электродов на расстояние, определяе-
мое временем срабатывания реле R2, которое в свою очередь
зависит от емкости С2 и положения движка потенциометра R2.
После включения реле замыкается его замыкающий контакт
и соединяет первую обмотку реле Р1 с эрозионным промежут-
ком, после чего реле Р1 включается и размыкает свой размы-
кающий контакт, реле Р2 отключается, а сигнал обратной связи
с потенциометра R1 обеспечивает сведение электродов и возоб-
новление процесса обработки
Диоды Д1, Д2 и ДЗ, служат для разделения цепей постоян-
37
ного и переменного тока. Высокие мгновенные скорости переме-
щения электрода, обеспечиваемые гидравлическим регулятором
подачи, позволяют разводить электроды на расстояние до 1 мм
и затем вновь вводить их в работу за время, измеряемое деся-
тыми долями секунды.
До последнего времени в гидросистемах копировальных
станков и в том числе станков с программным управлением
применяли главным образом насосные установки с нерегули-
руемыми пластинчатыми насосами (рис 26)
Рис 26. Гидросистема насосной ус-
тановки Г48-22Н с нерегулируемым
пластинчатым насосом
OQpn
Qhoh Q
Рис 27 Потери мощности в насосной
установке Г48-22Н
Из бака 1 нерегулируемым пластинчатым насосом 2 через
фильтр 3 и обратный клапан 4 рабочая жидкость по трубопро-
воду 5 поступает в напорную магистраль гидросистемы Давле-
ние в напорной магистрали определяется настройкой предохра-
нительного клапана 6 Рабочая жидкость, сливающаяся «из гид-
росистемы к предохранительного клапана 6, проходит через под-
порный клапан 8 и далее через радиаторы 7, защищенные под-
порным клапаном 10, поступает в бак. Часть масла сливается
в бак через фильтр тонкой очистки 9, минуя клапан 8
При использовании установок типа Г48-22Н в гидросисте-
мах станков с программным управлением и копировальных
станков чрезвычайно остро возникла проблема охлаждения ра-
бочей жидкости В связи с низким к.п д электрогидравличеоких
следующих систем практически 100% потребляемой мощности
тратится на разогрев масла. На рис. 27 показан график потерь
мощности в насосной установке Г28-22Н, питающей электрогид-
равличеокую следящую систему Потери мощности объясняются
тем, что при выборе подачи QUOM подпиточного насоса конст-
руктор вынужден исходить из возможности обеспечения уско-
38
ренных холостых перемещений, которые не превышают 5% вре-
мени цикла В оставшееся время цикла совершаются рабочие
перемещения, для осуществления которых необходимо иметь
значительно меньшую подачу жидкости Qp.n, однако подача на-
соса неизменна и излишек жидкости сливается через предохра-
нительный клапан, не производя полезной работы
Наличие значительных потерь мощности требует примене-
ния эффективных средств охлаждения даже при максимальной
мощности установки до 3 кВт.
В современных копировальных станках и станках с про-
граммным управлением средних размеров мощность электро-
гидравлических следящих систем подачи 10—15 кВт В этих
Рис 28 Гидросистема насосной установки Г48 44 с регулируемым
аксиалино-поршневым иасосом
условиях обеспечить нормальный тепловой режим гидросис-
темы с нерегулируемым насосом чрезвычайно сложно, поэтому
питание системы осуществляют от регулируемых пластинчатых
или аксиально-поршневых насосов, причем характеристику пи-
тающего насоса обычно подбирают такой, чтобы в широком
диапазоне изменения подачи давление в напорной магистрали
оставалось примерно постоянным Такие насосные установки
(типа Г48-44) в последние годы созданы в ЭНИМСе и выпу-
скаются Елецким заводом «Гидропривод»
Схема гидросистемы насосной установки Г48-44 представле-
на на рис 28 В ней применена замкнутая система циркуляции,
при которой рабочая жидкость, сливающаяся из системы, по-
39
ступает непосредственно во всасывающую магистраль Для
восполнения утечек (подпитки), фильтрации и охлаждения
жидкости применен небольшой вспомогательный нерегулируемый
насос 2 подпитки Последний засасываетмасло из резервуара 1 и
через фильтр 3 тонкой очистки (10 мкм) и подпорный «лапан 6
подает его во всасывающую магистраль 10 регулируемого ак-
сиально-поршневого насоса 11. Излишек масла из всасываю-
щей магистрали через подпорный клапан 5 и радиаторы
воздушного охлаждения 4 сливается в резервуар /. Давление
масла во всасывающей магистрали контролируется манометром
7, подключенным через золотник 8
Для сглаживания пульсаций давления в гидросистеме в пе-
реходных режимах работы насоса применен пружинный ак-
кумулятор 19.
Стабилизация теплового режима в этой гидросистеме осу-
ществляется не охлаждением, а предварительным разогревом
масла до температуры установившегося теплового состояния
гидросистемы Разогрев осуществляется путем дросселирования
потока дросселем 13, проходное сечение которого подобрано так,
что потери давления в нем при номинальном расходе составля-
ют примерно 0,7—0,8 от номинального В таком режиме работы
200 л масла в баке .разогревается до температуры 35—40°С за
6—8 мин, после чего термореле переключает золотник 18, плун-
жер дросселя 13 поднимается вверх и разобщает всасывающую
и напорную магистрали гидросистемы — гидропривод готов к
работе. Давление в напорной магистрали контролируется ма-
нометром 16, подключенным через золотник 17. Предохрани-
тельный клапан в гидросистеме отсутствует
Замкнутая система циркуляции масла необходима в связи с
тем, что в насосной установке применен несамовсасывающий
аксиально-поршневой насос, отличающийся малым механичес-
ким трением, за счет чего обеспечивается предельно малая мощ-
ность холостого хода насоса (—0,75 кВт)
Наклонная шайба насоса 11 разворачивается на макси-
мальный угол наклона поршнем гидроцилиндра управления 15
и пружиной 14 В среднее положение шайба приводится порш-
нем гидроцилиндра 12 Последний управляется двухкромочным
золотниковым гидроусилителем 9 На поршень гидроусилителя
сверху действует пружина, а снизу давление масла в напорной
магистрали Характеристика пружины подбирается так, что при
давлении масла до 60 кгс/см2 поршень находится в нижнем по-
ложении и соединяет полость гидроцилиндра 12 со всасываю-
щей магистралью. При этом наклонная шайба отклоняется от
нейтрали на максимальный угол и подача насоса максималь-
на. При увеличении давления в напорной магистрали от 60 до
63 кпс/см2 полость гидроцилиндра 12 соединяется полностью с
напорной магистралью, и поршень гидроцилиндра разворачи-
вает наклонную шайбу в среднее положение, при котором по-
40
дача насоса равна утечкам в гидросистеме Характеристика
питающего насоса 2Г15-14 показана на рис 29
График потерь мощности в насосной установке Г48-44, питаю-
щей электрогидравлическую следящую систему, показан на рис
30 Как видно из графика, потери мощности в установке Г48-44
существенно ниже, чем в установке Г48-22Н и составляют при-
близительно 30% от мощности, потребляемой гидроприводом в
различные моменты цикла обработки
Ри; 29 Характеристика питающего
насоса 2Г15-14
Рис 30 Потери мощности в насос-
ной установке Г48-44
Графики рис 27 и 30 показывают теоретические потери мощ-
ности Необходимо учитывать, что реальные потери несколько
выше, так как имеются дополнительные потери мощности в ка-
налах гидропривода и потери мощности холостого хода (при
Q=0), которые для насоаной установки Г48-44 составляют
0,75 ikBt
Ниже приведены сравнительные технические данные насос-
ных установок Г48-22Н и Г48-44
Тип насосной установки , . . Г48-22Н Г48-44
Рабочее давление в кгс/см2 30 63
Подача насоса в л/мнн . 35 100
Мощность приводного электродвигателя в кВт Мощность, потребляемая насосом при рабочем дав- лении и отсутствии расхода масла в гидросис- 3,2 7,5
теме, в кВт Наибольший нагрев масла сверх температуры ок- 3,2 0,75
пужающей среды в °C . . 27 15—20
Тонкость фильтрации в мкм 40 10
Объем масла в резервуаре вл 60 200
Масса (без масла) в кг . .... ... Габаритные размеры (длина х ширина X высо- 255 560
та) в мм 650X420 X 1192 X685 X
Х944 Х865
41
ГИДРОСИСТЕМЫ СТАНКОВ
С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
В современных машинах, станках, автоматах и автоматиче-
ских линиях с программным управлением широкое применение
находят гидросистемы, обеспечивающие большую точность пере-
мещения рабочих органов с установленной скоростью В связи
с этим гидросистемы станков с программным управлением
включают в себя следящие золотники, управляемые с помощью
электронных устройств В свою очередь, золотники управляют
работой гидравлических силовых исполнительных двигателей,
гидроцилиндров или гидромоторов, выполняя тем самым роль
гидроусилителей они усиливают электрический сигнал малой
мощности и преобразуют его в гидравлический сигнал боль-
шой мощности. Гидравлический усилитель, присоединенный к
валу шагового электродвигателя, представляет собой электрогид-
равлический шаговый привод
Гидросистемы с шаговым приводом
Электрогидравлический шаговый привод широко применяют
в станках с программным управлением. Контур регулирования
здесь разомкнутый и имеются лишь местные внутренние обрат-
ные связи, которые упрощают и удешевляют систему управле-
ния приводом Шаговый электрический двигатель в приводе
непосредственно или через зубчатую передачу вращает входной
вал гидравлического усилителя моментов; выходной вал усили-
теля отслеживает с высокой точностью поворот входного вала
при многократно увеличенном крутящем моменте на выходе по
сравнению с крутящим моментом на входе
При использовании гидроусилителей момента остановка и ре-
версирование рабочего органа осуществляются без предвари-
тельного замедления, как это происходит в следящем электро-
приводе, что упрощает составление программы обработки н уве-
личивает производительность станков Упрощается управление
движением, так как каждому импульсу на програьммоносителе
соответствует гарантированный поворот выходного вала на оп-
ределенный угол — шаг. Отпадает надобность в контроле пере-
мещения, что сокращает примерно втрое число электронных
элементов Возможность иметь большее число импульсов в се-
кунду при малом угле поворота выходного вала, соответствую-
щем одному импульсу, приближает характеристики шагового
привода к характеристикам непрерывного гидравлического сле-
дящего привода, при этом одновременно привод становится
значительно более простым и дешевым Отечественной про-
мышленностью для фрезерных, токарных н зубообрабатываю-
щих станков с программным управлением выпускаются гидрав-
лические уселители крутящих моментов МГ18-1
42
На рис 31 представлена
схема гидросистемы токарного
станка 16К20ФЗ с програм-
мным управлением Гидросис-
тема состоит из насоса 1 с ре-
гулируемой подачей, перелив-
ного клапана 9, фильтров 2,
гидромотора 3 продольной по-
дачи и гидромотора 6 попереч-
ной подачи Распределитель 7
служит для включения мано-
метра Клапан противодавле-
ния 8 поддерживает давление
в гидросистеме
Насосная установка
2АЛМГ48-82 имеет насос 1 и
бак, который вмещает 60 л ра-
бочей жидкости Аксиально-
поршневой насос 1 5Г13-32Д
обеспечивает необходимую
регулируемую подачу рабочей
жидкости Изменение подачи
насоса осуществляется по дав-
лению путем поворота рыча-
гом наклонной шайбы Рычаг
перемещается от встроенного
гидравлического цилиндра уп-
равления
При пониженном давлении
в гидросистеме под действием
Рис 31 Гидросистема токарного
станка 16К20ФЗ с программным уп-
пружины, а также за счет равлением
разности площадей штоковой
и поршневой полостей цилиндра управления насосом увеличи-
вается угол поворота наклонной шайбы При этом увеличивает-
ся подача насоса
При возрастании давления в гидросистеме открывается на-
порный переливной клапан 9 и часть рабочей жидкости из ле-
вой полости цилиндра управления сливается в бак Давление в
этой полости уменьшается, поршень перемещается и уменьшает
угол поворота наклонной шайбы При этом уменьшается пода-
ча насоса
Включение гидропривода осуществляется нажатием кнопки
«Пуск» гидроагрегата, расположенной на заднем пульте управ-
ления станка Гидропривод работает в соответствии с подачей
электрических команд от пульта управления к электромагни-
там реверсивных золотников и шаговым двигателям гидроуси-
лителей
Работа гидроусилителей моментов 'поперечного хода суппор-
43
та и продольного хода каретки осуществляется с помощью ша-
говых двигателей, входные валы которых посредством муфт
жестко соединены с входными валами гидроусилителей
При обработке шаговым двигателем электрических импуль-
сов поворачивается входной вал и смещается следящий золот-
ник гидроусилителя на соответствующую величину. Масло под
давлением через щели следящего золотника и распределитель-
ный диск воздействует на поршни ротора гидроусилителя, ко-
торый поворачивает выходной вал пропорционально открытию
щелей.
За счет энергии масла, подводимого к гидроусилителю,
электрические сигналы малой мощности, поступающие на вход
шагового двигателя, многократно усиливаются и преобразуют-
ся в синхронное (по отношению к валу шагового двигателя)
вращение выходного вала гидроусилителя с крутящим момен-
том, необходимым для перемещения рабочих органов. При этом
угол поворота выходного вала гидроусилителя определяется
числом поданных импульсов, а скорость — частотой их следова-
ния.
Продольное перемещение каретки осуществляется в тот мо-
мент, когда гидродвигатель 3 через зубчатую передачу враща-
ет ходовой винт 4; для осуществления поперечного перемеще-
ния суппорта гидродвигатель 6 вращает ходовой винт 5. Таким
образом, гидросистема приводит в движение исполнительные
органы станка по двум координатам
Аксиально-поршневые насосы для следящих приводов подач
станков с программным управлением изготовляют по техноло-
гическому процессу, обеспечивающему их длительную долго-
вечность при работе с переменным режимом Например, корпус
блока цилиндров делают из стали; отверстия, в которых пере-
мещаются поршни, и распределительный торец блока бронзи-
руют при температуре 830°С в печи, что позволяет иметь в ци-
линдре как бы бронзовую втулку толщиной 0,3—0,5 мм Преи-
муществом бронзированной поверхности является постоянство
зазора, простота выполнения расточки отверстий под поршни,
увеличение прочности и долговечности блока, уменьшение мас-
сы детали Поршень (рис 32) изготовляют из высококачествен-
ной стали, как правило, пустотелым с целью уменьшения его
массы и массы агрегата в целом Пространство внутри поршня
заполняют легким материалом или герметизируют пробкой 1
Отверстие 3 в поршне 2 проходит по всей его длине и через
полость 5 выходит на наружную сторону подпятника 6 На пор-
шень надета цилиндрическая гильза 4, изготовленная из изно-
состойкой стали Полость 5 обеспечивает создание на опоре
прослойки масла, необходимой для жидкостной смазки
Отечественной промышленностью с 1962 г серийно выпуска-
ются гидравлические усилители крутящего момента типаМГ18-1
Суммирование углов поворота входного и выходного валов.
44
осуществляется в гидроусилителях этого типа с помощью кра-
нового золотника, связанного с входным валом, и отслеживаю-
щей втулки, связанной с выходным валом Схема следящего
устройства показана на рис 33
Рис 32 Поршень насоса
Рис 33 Следящее ус-
тройство с крановылг
золотником и отсле-
живающей втулкой
Противоположно расположенные окна отслеживающей втул-
ки 1 связаны с напорной и слив-ной магистралями гидросистемы,
а отверстия I и II — с с полостями пидродвигателя. При поворо-
те кранового золотника 2, например, по часовой стрелке, полости
I соединяются с напорной магистралью, а полости II — со слив-
ной, в результате чего выходной вал гидромотора поворачива-
ется в ту же сторону Так как отслеживающая втулка 1 кине-
матически связана с выходным валом, она также поворачивает-
ся вслед за крановым золотником до тех пор, пока золотник
вновь не займет относительно втулки нейтрального положения
Таким образом, выходной вал повторяет все движения входно-
го вала при многократном увеличении крутящего момента
Конструкция такого следящего устройства проста, однако
имеет недостатки Прежде всего, через крановый золотник не
удается пропускать значительные объемы рабочей жидкости,
необходимые для вращения гидромотора с большой частотой,
что существенно ограничивает диапазон регулирования приво-
да Увеличить проходные сечения в окнах за счет увеличения
диаметра кранового золотника нельзя, так как при этом увели-
чиваются силы сухого трения и гидродинамические силы на зо-
лотнике при ограниченном крутящем моменте на валу шагово-
го двигателя, увеличивается коэффициент усиления, и гидро-
усилитель теряет устойчивость Существенным недостатком кра-
нового золотника является также ограниченность угла рассогла-
сования в динамическ1их режимах (не более 35°), что сужает
возможности привода с точки зрения приемистости и макси-
мальной частоты вращения
Решить эти проблемы можно только путем коренного изме-
нения конструкции следящей части — перехода на винтовой сум-
мирующий механизм, работающий совместно с четырехкромоч-
45
ным золотниковым гидроусилителем Такая схема следящего уст-
ройства применена в новых гидравлических усилителях крутя-
щего момента 2Г18-2 (р,ис 34)
Входной вал 1 устройства жестко связан с гайкой 2, закреп-
ленной в установленном на подшипниках корпусе так, чтобы
исключить его осевое и радиальное перемещение При повороте
гайки винт 3 и связанный с ним через подшипник 4 золотник 5
получают осевое перемещение, масло поступает в полость I или II
гидромотора, и его выходной вал 6 начинает поворачиваться
Рис 34 Следящее устройство с четырехкромочиым золотником н
винтовым суммирующим механизмом
Винт 3, связанный с валом 6 шлицевым соединением, поворачи-
вается и перемещает золотник 5 в нейтральное положение, после
чего вращение выходного вала прекращается угол поворота, за-
данный входным валом, полностью отработан
Описанная конструкция следящей пары позволяет
увеличить проходные сечения щелей в следящем золотнике
и частоту вращения выходного вала;
уменьшить момент на входном валу путем уменьшения сил
трения и действия гидродинамических сил;
повысить допускаемые углы рассогласования в динамиче-
ских режимах (свыше 360°),
обеспечить широкие возможности изменения параметров
следящего устройства изменением шага винта, диаметра золот-
ника и формы его рабочих кромок
Ниже приведены сравнительные технические характеристи-
ки старых и новых гидроусилителей крутящего момента
Тип гидроусилителя .... МГ18-13 ЧГ18-23
Рабочее давление в кгс/см2 50 63
Наибольший крутящий момент в кгс м 2,5 3,2
Наибольшая нагрузка в кгс м . .1,7 1.6
Расход масла на 100 оборотов ВЫХОДНОГО
' вала вл . ... 3,5 3,5
Цена импульса в градусах 1,5 1,5
Наибольшее число импульсов в секунду . 1200 8000
Частота вращения в об/мин . 300 2000
Масса в кг . 17 22
46
В современных стан-
ках с программным уп-
равлением применяют не
только шаговые гидрав-
лические приводы враще-
ния, но и линейные ша-
говые гидравлические
приводы (поступательно-
го движения), позволяю-
щие увеличить скорость
перемещения стола и уп-
ростить схему гидросис-
темы привода
На рис 35 представ-
лена схема гидросистемы
с линейным шаговым дви-
гателем В гидросистеме
применен обычный гид-
роцилиндр, управляемый
Рис 35 Гидросистема с линейным шаго-
вым двигателем
четырехкромочным золот-
ником с открытым центром Плунжер золотника перемещается
под действием управляющих давлений pi и рг, которые регули-
руются управляющим золотником
Управляющий золотник имеет винт 1, приводимый в движе-
ние низкомоментным электрическим шаговым двигателем 9.
Винт 1 вращается в цилиндрической втулке 2, имеющей два от-
верстия 3 и 8, которые частично перекрыты нитками резьбы
винта, что обеспечивает различное дросселирование потока в от-
верстиях 3 и 8 при изменении положения винта во втулке.
Рабочая жидкость поступает в отверстия 3 и 8 через дрос-
сель 4 постоянного сечения из напорной магистрали под давле-
нием р Управляющие давления и Рг изменяются при изме-
нении положения винта 1, при этом втулка и золотник движут-
ся вместе с гидроцилиндром
В нейтральном положении, когда нет нагрузки и гидроци-
линдр неподвижен, давления и рг равны. При этом плун-
жер 5 золотника находится в среднем положении и давления в
правой и левой полостях гидроцилиндра равны Ps—Рь-
Если шаговый двигатель 9 повернет винт 1 так, что резьба
винта сдвинется, например вправо, проходное сечение отвер-
стия 8 увеличится, а отверстия 3 уменьшится, управляющее
давление станет меньше, чем р% и плунжер 5 золотника сме-
стится вправо Рабочая жидкость из напорной магистрали нач-
нет поступать в правую полость цилиндра, а из левой полости
будет вытесняться в бак, и так как поршень 6 закреплен непод-
вижно, цилиндр начнет двигаться вправо вместе со втулкой 2
управляющего золотника При этом отверстие 8 будет закры-
ваться, а отверстие 3 открываться до тех пор, пока вновь не бу-
47
дет достигнуто нейтральное положение. Таким образом, втул-
ка 2 всегда будет отслеживать требуемое положение
Гидроцилмндр перемещает рабочий орган станка с программ-
ным управлением, обеспечивая ему движение в соответствии с
заданной программой. Движение рабочего органа в этом слу-
чае осуществляется быстро, так как нет механической связи
между винтом и гидроцилиндром При включении правого
электромагнита золотника 7 быстрого хода гидроцилиндр дви-
жется с большой скоростью влево, при этом скорость перемеще-
ния ограничивается лишь подачей насоса.
Специфической особенностью линейного гидропривода рас-
сматриваемого типа является то, что не требуется системы из-
мерения перемещения рабочего органа стайка при его движении
с высокой скоростью. Если винт 1 неподвижен, а втулка дви-
жется, управляющее давление, например, ри увеличивается,
пока отверстие 8 находится над гребнем резьбы, и падает во
•время нахождения его над впадиной, т е давление Pi имеет
при этом пульсирующий характер. Таким образом, при высокой
скорости движения .можно подсчитать импульсы давления pi и
р2 с помощью реле давления Каждый импульс соответствует
перемещению рабочего органа станка, равному шагу винта По-
сле выключения золотника быстрого хода цилиндр приходит в
положение равновесия Поступательное перемещение с высокой
скоростью всегда точно пропорционально шагу винта.
Точность 'работы гидросистем со следящими приводами требу-
ет простоты и надежности исполнительных органов, поэтому в
таких системах целесообразно применять асимметричный гид-
роцилиндр, в котором поток рабочей жидкости контролируется
лишь в одной полости На рис 36 представлена схема гидроси-
стемы вертикально-фрезерного станка с программным управле-
нием, в котором применен аосиметричный гидроцилмндр *
Электрический шаговый двигатель 1 через зубчатую переда-
чу 2 приводит во вращение втулку 3 с дроссельным отверсти-
ем. Рабочей кромкой дросселя является кромка резьбы винта
4, закрепленного на столе 5 станка. Втулка 3 может самоуста-
навливаться относительно наружной поверхности винта 4. По-
ворот втулки вызывает изменение проходного сечения дроссе-
ля и соответственно изменение давления в магистрали 6 следя-
щего золотника 7. Золотник смещается и распределяет рабо-
чую жидкость в полости цилиндра 8, перемещая стол так, что
дросселирующая кромка винта занимает относительно дроссель-
ного отверстия первоначальное положение, т е винт осуществ-
ляет отрицательную обратную связь по положению.
В этом приводе отсутствуют механические передачи, которые
требуют периодической регулировки для уменьшения податли-
вости или устранения зазоров, появляющихся в результате из-
нашивания силовых элементов. При перемещении стола до
800 мм жесткость такрго привода выше, чем жесткость привода
48
с гидромотором В приводе имеется возможность получения ди-
скретности меньше 0,01 мм простыми средствами: изменением
угла подъема резьбы винта, изменением передаточного отноше-
ния зубчатых шестерен 2 При уменьшении шага производитель-
ность не снижается, так 'как быстрые перемещения стол по-
лучает при включении электромагнитов золотника 9, а управ-
ление шаговым двигателем при этом отключается Золотник 7
открывается, обеспечивая максимальный расход.
Рис 36 Гидросистема с шаговым двигателем с асимметричным
гидроцилиндром для вертикальио-фрезериого станка
Так как при отключении управления шагового двигателя
возможна потеря информации о перемещении, в систему управ-
ления включено реле давления, подающее сигналы на пульт
управления соответственно числу пройденных витков резьбы
винта. Благодаря этому достигается практически любая ско-
рость быстрых перемещений исполнительного органа.
Из-за отсутствия механических передач, подверженных из-
нашиванию, повышаются точность привода, его надежность,
что приводит к значительному росту производительности труда.
Расчет гидросистем с программным управлением
В гидросистемах станков с программным управлением, пред-
назначенных для обработки контурных деталей, характерным
является одновременная работа приводов подач по двум или
более координатам управления. При этом вследствие ииерцион-
49
ности следящих гидравлических приводов возникают динамиче-
ские погрешности отработки запрограммированной траектории,
зависящие от вида траектории, подачи и параметров приводов
подач. * ।
Гидроприводы подач большинства станков с достаточной
точностью можно описать передаточной функцией разомкнуто-
го привода [8]: I
1Г(р)-------*№'+>------1,
Р(7\р+ 1)(Т8₽+ 1) |
где /С — коэффициент усиления, j
р — оператор Лапласа;
Ti, Тг, Тз— постоянные времени звеньев привода.
Рис 37 Амплитудно-частотная ха-
рактеристика разомкнутого привода
Этой передаточной фун-
кции соответствует логариф-
мическая амплитудно-час-
тотная характеристика,
представленная на рис 37.
Передаточная функция
замкнутого привода
рии в виде окружности на вход
нусоидальные сигналы
При воспроизведении
приводами подач траекто-
каждого привода подаются си-
Хвх =/?coswf,
Увх = R sin ш t,
где —радиус запрограммированной окружности;
— — угловая скорость обработки детали;
•S— подача вдоль траектории;
t — время обработки детали
После окончания переходных процессов, возникающих в на-
чале движения по траектории, движение вдоль координат уп-
равления можно записать в виде уравнений
X = Рл COS (ш t — <рх);
у = ру sin (<о t — <ру),
гДе рл, ру — амплитуды установившегося движения по коорди-
натам X и Y соответственно;
<Рж>фу — фазовые отклонения, соответствующие замкну-
тым приводам.
50
В результате этих двух движений управляемый орган стан*
ка описывает эллипс
х +/У= [>выхеуЧГ,
где
Рвых = V Рх cos’ (ш t — фд.) + Ру sin* (<О t — Ф>); (7)
№ , Pv sin (<» t-фи)
qr = ar?tg —---------—— .
Px COS (Ш t — фх)
При одинаковых параметрах приводов подач по координа-
там управления
Рвых = Рх = Ру = A R ’
где А — модуль амплитудно-частотной характеристики замкну-
того привода
Если д — погрешность воспроизведения кривой, то
Рвых = R + 8/
откуда
8 =R (Д — 1) = — (Д1). (8)
СО
Анализ точности воспроизведения траектории по параметрам
замкнутого привода провести трудно, поэтому целесообразно
перейти к параметрам разомкнутого привода. Известно, что
амплитуда А и фаза ф определяются из уравнений
А = , (9)
]/H2+2HcosO + 1
Ф = arctg - , (Ю)
Л-J-COS В
где Н — коэффициент передачи разомкнутого привода на час-
тоте входного воздействия;
О — сдвиг по фазе выходного сигнала привода на частоте
входного воздействия
Для приводов, описываемых передаточной функцией вида
™(р). _____________________
н= К_ , f_______ 1 + (<- 7»'2
S И [1+ (<> Л)2! [1 + (<•> 7-,)’] ’
о = arctg шТ2 — arctg wTj — atftg шГ, — —
Подставляя А из выражения (9) в выражение (8), получим
8 = R ( Н - 1 \ (11)
Н^+2Н cos 0 4-1 /
51
При малых угловых скоростях обработки детали, когда Н и
R велики, это выражение можно заменить приближенным
8 = — <-££11 + —L_А при //» 1. (12)
Д Н 2№ ) н '
Выражения (11) и (12) справедливы в том случае, когда
приводы имеют строго одинаковые параметры На практике
этого достигнуть невозможно из-за различия передвигаемых
масс, влияния температуры, старения и изнашивания элемен-
тов, неточности настройки, погрешностей изготовления и т д.
При малых отклонениях какого-либо параметра f от среднего
значения из выражения (7) можно записать
df
Д/ cos2 (o>t - ср) +
sin2 {ш, _ f) _ дГ-1
df
+[A-dJF
Продифференцировав это выражение и обозначив
— Д/ = ДА,
df '
А/ = Д
df J т
после преобразований получим
8 = Я (}Ла2 4- 2А A A cos 2 («>£ — ф) — 2А2Д? sin 2 (ш£—ф) - I )
При малых отклонениях параметра используя разложение
в ряд Тейлора, запишем
8 дг R [А — 1 4- A A cos 2 (u>t — ф) — A Acpsin 2 (u>t — ф)].
Как показывает эта формула, погрешность воспроизведения
окружности системой программного управления с неидентичны-
ми приводами подач можно представить в виде суммы двух сла-
гаемых: основной погрешности, возникающей при средних зна-
чениях параметров приводов, и дополнительной
&ОКр — ^ОСН + °ДОИ1 0^)
где
8ДОП — R [Д A cos 2(ш£ — ф) — А Дф sin 2 (u>t— »)].
После сложения получим
8доп = /?/(ДА)24-(АД?)2 sin2 ( orf-arctg-^-Y (14)
\ Л Дф у
52
Дополнительная погреш-
ность изменяется с часто-
той в 2 раза большей, чем
частота входного сигнала.
Это значит, что вместо ок-
ружности получается эл-
липс (рис 38). Подставив
в формулу (14) выражения
(9) и (10) н обозначив
— bf=bH,
dt
— Д f = Д6,
df
после дифференцирования
получим
Рис. 38 Погрешности воспроизведе-
ния траектории в виде окружности
при неидентичных параметрах приво-
дов подач по координатам управле-
ния
Здоп —
V (ДИ)« + (НД0)»
H‘ + 2Wcos6 + 1
Sin 2 vat—
, A H (cos 6 4- 1) + H sin 6Д6
— arctg -------1----------------------
& A Z/sin 6 — H (cos 6 + 1) Д6
(15}
При расчетах точности приводов подач важны главным об-
разом экстремальные значения погрешностей, которые вычис-
ляются по первым двум сомножителям формулы (15) С учетом
выражения (9)
' _ _1_ RA* 1 I /ЛПЧ2
°доп. шах— ± —— у +(А9)2>
При 1 Л^1, поэтому приближенно
Здоп шах = ± 77^+(Л6)2 .
При воспроизведении траектории в виде прямой линии для
приводов с передаточной функцией W (р)
S
R S
н ~ ~к
ь.н ь.к
=3
н к
Д6 = 0,
53
‘благодаря чему формула (15) примет вид
8доп — 5 s,n2a’ <16)
Л*
тде а — угол наклона прямой к осям координат станка
Пример Рассчитать погрешности воспроизведения приводами подач пря-
мой, наклоненной под углом 45° к осям координат станка и окружности ра-
диусом 5 мм при следующих исходных данных S=5 мм/с; Т|х=6,5; Тгх —
=0,3; 7+=0,06; Tlw=5; Тг,=0,5; 7^ = 0,04; Кх=160; Ку = 140;
W = ^x(Tixp+\) = 160(0,Зр-И) .
х= Р(Т1хИ-1)(7'зжР+1) p(6,5/H-l)(0,0f> + l)’
w Ky(Ttyp + l) _ 140(0,5р4-1)
у = р(Т1у₽+1)(Г3ур4-1) Р &р + I) (0 04₽+1)
Определяем погрешность вик,,
1/с;
2 2
ЛК = Кх - К = 160 - 150 = 10 1/с;
ЛК 10
®доп — 5 sin 2а = 5 „ ~ 0,002 мм
IOU*
Погрешности воспроизведения приводами окружности определяем следую-
щим образом
5 5
R ~ 5 " ’ 1/С’
„ Кх -1 /~___________1_+ (“^а)2______
х= s V [1-Н“Л)2]П + <-ОД
160 , Л 1 + (0,3-1)‘ =
5 у [1+(1 6,5)2][1+(1-0,06)’]
н = if 1 + W*
У S V [1 + («74)»! [1+«7'з)а]
— 1 / 1 + (1 0Л)2 зэ 7
б V П+(1 5)2] [1-J- (1-0,04)2] ’
Нх + Ну 25,5 + 30 7
п 1 ss 11 --—1 =3 zri . 1
Л Н = Ну — /7 = 30,7 — 28,1 = 2,6;
я
6Х = arctg <»Tix — arctg ш Tlx — arctg ш T3x-------- = arctg 0,3 —
— arctg6,5—arctg0,06— — ——2,75 рад,
54
ву = arctgw Тк — arctgwT ly — arctgoi Т3? — — = arctg 0,5 — arctg 5
— aretg 0,04— у = — 2>55 раД-J
Ox + By
— 2,75 — 2,55
2
= — 2 65 рад,
Д6 = 0у — 0 = — 2,55 4- 2,65 = 0,1 рад,
„ I cos О
%с и — — R +
1 \ _ Г cos (— 2,65)
' ' | SS ““ 5 I
2№ ) L 28,1
-J-1
2 28,1’J
= 0,154
мм;
= ±0,024 мм;
^окр — fjOCH ± fJAOn - О, 151 ± 0,024 мм,
Максимальные погрешности воспроизведения приводами по-
дач изломов траектории имеют место при пересечении отрезков
траектории под углом 90° Если эти отрезки параллельны осям
координат станка, привод координаты X, отстающий от положе-
ния, заданного программой на величину скоростной ошибки
А
О Q - ,
5 к
Рис 39 Погрешности вос-
произведения приводами по-
дач излома траектории
под прямым углом
Рис 40 Зависимости погрешностей вос-
произведения траектории от параметров
приводов
55
начинает тормозиться, причем он может перейти на заданное
положение, а затем снова возвратиться в него. В это же время
происходит разгон по оси Y. В результате сложения этих двух
движений получается траектория, показанная на рис 39, кото-
рая приводит к появлению двух погрешностей внутренней бви
И наружной бнар-
На кафедре «Станки и автоматы механосборочного произ-
водства» МВТУ им Баумана было проведено исследование за-
висимости этих погрешностей от подачи и параметров приво-
дов, с передаточными функциями W( р), Ф( р). Получены
графики, показанные на рис 40
Пример Определить динамические погрешности воспроизведения излома
траектории под прямым углом электрическим приводом подач с характеристи-
кой К=150, Тг=0,4; Т1=6; Ts=0,05; 5=5 мм/с, и электрогидравлическим
Г»—0,01; 5=5 мм/с
приводом подач с характеристикой К=50; Ti=T2,
Для электрического привода
КТг 150-0,4
= ’°
Т,“ср = 0,05-10 = 0,5;
^-=^=15
“ср 10
По графику на рис 40 находим
®нар“ср
--------= 0,9, откуда
«э
1/с;
0,9 5
------ — 0,45 мм,
10
0,9 S
°нар =
“ср
®вн“ср
5 = °’
откуда 8ВН = 0
Для электрогидравлического
привода
КТ,
“с₽ = —= 50 1/с;
Т8“Ср = 0,01 50 = 0,5;
К 50 _ t
“ср 50
0,1 5
Ц-^- = 0,01 мм,
50
По указанному графику определяем
®нар“ср 0,1 S _
--------------=0,1, откуда 8нар =
о----------------------------------“ср
^вн“ср 0,2S S 0,26 5 „„„
—-— = 0,26, откуда 8В11 =-----------------—-— = 0,026 мм,
5 “со 50
'ср
Таким образом, более быстродействующий электрогидравлический привод
позволяет снизить динамические погрешности более чем на порядок по срав-
нению с электрическим
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1 Что такое гидросистема машины’
2 Что называется рабочим органом гидросистемы?
3 Что называется гидравлическим аппаратом управления?
4 Что такое гидравлический следящий привод?
5 Какие требования предъявляют к гидроприводу и гидросистеме?
Ь Какие методы используют для расчета клапанов?
7 Что называется регулятором скорости?
8 Какие требования предъявляют к регуляторам скорости?
9 Что называется насосной установкой’
10 Какие методы используют для повышения стойкости гидравлических
механизмов’
11 Дайте характеристику герметизирующих устройств элементов гидро-
системы
12 Назовите типы клапанов, применяемых в гидросистемах машин
13 Какие требования предъявляют к уплотнениям?
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ
И ПРАКТИЧЕСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ МАТЕРИАЛА
ЛЕКЦИИ НА ПРОИЗВОДСТВЕ
1 Изучив материалы лекции и ознакомившись с рекомендуемой литерату-
рой, познакомьтесь иа практике с работающими гидрофицированиымн маши-
нами
2 Проанализируйте, какие отличия имеет гидросистема новой машины от
аналогичной машины старого выпуска
3 Проведите анализ гидросистем машин различного назначения
4 Изучите по литературе вопрос о работоспособности гидравлических ме-
ханизмов и обратите внимание иа надежность и долговечность работы меха-
низмов новой конструкции.
5 Установите типы гидрофицироваииых машин, которыми желательно
оснащать Ваше предприятие
6 Проверьте правильность использования гидрофицироваииых машин на
Вашем предприятии
7 Установите, какую технико-экономическую эффективность можно полу-
чить при использовании гидрофицированных машин
8 Определите, какой производительности труда удается достигнуть при
эксплуатации машин
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Байта Т. М , Зайченко И. 3 , Ермаков В. В и др Объемные гидрав-
лические приводы М, «Машиностроение», 1969, 628 с.
2 Гамынин Н С Гидравлический привод систем управления М , «Маши.
1 остроение», 1972, 376 с
3 Киселев В М Фазовые системы числового программного управления
станками М, «Машиностроение», 1966, 376 с
4 Лешерко В А Гидравлические следящие приводы для автоматизации
станков М, Машгиз, 1962, 368 с
5 Макаров Л Л Станки с программным управлением н их эксплуата-
ция М, «Машиностроение», 1968, 144 с
6 Садовский Б Д, Прокофьев В Н, Кутузов В К. и др. Динамика гид-
ропривода М, «Машиностроение», 1972, 288 с
7 Хохлов В А Электрогидравлический следящий привод М, «Наука»,
1966, 423 с
8 Шаумян Г А., Кузнецов, М М, Волчкевич Л И. Автоматизация про-
изводственных процессов М, «Высшая школа», 1967, 472 с
9 Шаумян Г А. Автоматы и автоматические линии М, Машгиз, 1961,
552 с
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие . . . . ....................> . . « 3
Гидросистемы . 5
Рабочие органы гидросистем . 17
Клапаны . 17
Дроссели . 24
Золотники . . . 28
Гидросистемы копирования . . 31
Гидросистемы станков с программным управлением . 42
Гидросистемы с шаговым приводом . . .42
Расчет гидросистем с программным управлением 49
Вопросы для самопроверки..................,..................... 57
Рекомендации по изучению и практическому применению материала
лекции на производстве . . .................. 58
Список литературы ... . . . ................ 59
Михаил Михайлович Кузнецов
ГИДРОСИСТЕМЫ СОВРЕМЕННЫХ МАШИН
Редактор издательства И Н Якунина
Технические редакторы Ф П Мельниченко и А И Захарова
Корректор В А Воробьева
Сдано в набор 11/1 1974 г. Подписано к печати 8/V 1974 г
Т-09516 Формат 60X90’/ie Бумага № 2
Усл -печ л 3,75 Уч -изд л 3,8 Тираж 2500 Заказ 987 Бесплатно
Издательство «Машиностроение», 107885,
Москва, Б-78, 1-й Басманный пер, 3
Серпуховская типография