Лабораторная работа № 3

Исследование характеристик пневматического цилиндра двух - стороннего действия с нагрузкой на штоке.

1. Цель работы: изучить принципиальную пневматическую схему с цилиндром двух - стороннего действия с нагрузкой на штоке. По заданной схеме из пневматических элементов собрать лабораторный стенд и изучить работу приводов в действии.

 

Содержание работы

 

1.1. Ознакомится с условными обозначениями пневмоэлементов.

1.2. Ознакомится с элементной базой лабораторного стенда.

1.3. Собрать стенд управления цилиндром двух - стороннего действия и нагрузкой на штоке.

1.4. Оформить отчет по проделанной работе.

Общие сведения

Из-за сжимаемости воздуха движение пневматического поршневого привода может быть описано системой нелинейных дифференциальных уравнений, решаемых численными методами. Однако, если необходимо определить скорость установившегося движения поршня цилиндра двухстороннего действия с постоянной нагрузкой можно применить упрощенные методы решения с достаточной степенью точности определения скорости. В данной работе рассматривается поршневой привод в котором: , где - скорость перемещения поршня со штоком, (м); - ускорение поршня со штоком (м/с²); F_H – постоянная нагрузка на штоке, (Н); - абсолютные давления (атм. + изб.) в штоковой и безштоковой полостей цилиндра в (Па), F_т- сила трения.

Запишем уравнения, описывающие такой привод:

 

(1)

где R – универсальная газовая постоянная, R= 287 Дж/кг К; К- температура в кельвинах, К= 293°; S₁,S₂ –площадь поршня безштоковой и штоковой полостей (м²); G₁,G₂ –массовый расход воздуха поступающего или истекающего безштоковой и штоковой полостей(кг/с); y –величина перемещения штока с поршнем (м); или - скорость перемещения штока с поршнем (м/с).

Запишем в уравнения (1) расходы G₁,G₂ с учетом докритического и надкритического режимов истечения сжатого воздуха в полостях цилиндра.

Для докритического режима Р₁/Р_м > 0.5, Р_а/Р₂> 0.5 находим скорость штока с учетом наполнения безштоковой и опорожнения штоковой полости цилиндра:

 

(2)

(3)

где - коэффициент нелинейности, = 0.02 - 0.05, зависящий от отношения , - коэффициент нелинейности, = 0.01 - 0.015, зависящий от отношения .

В формулах (2, 3) значение давлений Р₁, Р₂,Р_м в абсолютном выражении Р₁ = Р_а+ избыточное по манометру М1, Р₂ = Р_а+ избыточное по манометру М2 Р_м = Р_а+ избыточное по манометру Р_м и Р_м – давление магистрали.

Для надкритического режима Р₁/Р_м <0.5, Р_а/Р₂< 0.5 находим скорость штока с учетом наполнения безштоковой и опорожнения штоковой полости цилиндра:

 

(4)

 

(5)

 

где , - коэффициент нелинейности, = = 0.005 - 0.008. - площадь проходного сечения штуцера м² (диаметр входного и выходного штуцера – 0.002м).

Для сравнения давления теоретического режима истечения сжатого воздуха и давления измеряемого цифровому манометру М1 можно использовать уравнение (2) и решить его относительно Р₁ находим:

(6)

На рисунке 1 представлена пневматическая схема поршневого привода. Схема состоит из двух цилиндров одного исследуемого и второго для создания постоянного усилия на штоке первого.

 

Рисунок 1 – Пневматическая схема с постоянной нагрузкой на штоке цилиндра

 

Штоки цилиндров на пневматическом стенде касаются друг друга в положении один шток цилиндра выдвинут другой втянут. Управление исследуемым цилиндром производится 5/2 – распределителем с односторонним ручным управлением. Для настройки скорости штока цилиндра при выдвижении используется в схеме дроссель с обратным клапаном. На входе первого цилиндра используется редукционный клапан с манометром (Р_М). давление в полостях цилиндра измеряются цифровыми манометрами М₁,М₂. На входе пневматической магистрали во второй цилиндр установлен редукционный клапан с манометром М₃. Этим редуктором устанавливается давление в полости цилиндра два (нагрузка) меньшее, чем подается в цилиндр 1. При движении поршня цилиндра 2 от усилия штока цилиндра 1, в безштоковой полости цилиндра 2 будет возрастать давление и расти нагрузка на штоках цилиндров 1 и 2. Для поддержания постоянного давления в полости цилиндра 2 во время движения в магистрали установлен распределитель с возможностью настойки на давление его переключения. Как только давление в полости цилиндра 2 возрастает при принудительном движении поршня со штоком, переключается распределитель давление сбрасывается до заданного, распределитель автоматически переключается. Данный распределитель поддерживает постоянное давление (усилие на штоке) в полости цилиндра 2, при движении поршня со штоком поддерживая постоянную нагрузку при выдвижении штока цилиндра 1.

При выдвижении штока цилиндра 1 вторым цилиндром создается усилие нагрузки и справедливо уравнение (1) в виде:

 

Р₁S₁- P₂S₂= F_н, (7)

 

где F_н = P₃S₃, P₃ – давление в безштоковой полости цилиндра 2 по манометру М₃, S₃- площадь поршня цилиндра 2. Скорость движения штока цилиндра 1, зависит от давлений в полостях цилиндра, нагрузки на штоке и расходе, подводимом и отводимом из полостей. В данной задаче рассматривается только фаза равномерного движения (выдвижения) штока цилиндра 1 с постоянной во время движения нагрузкой поэтому в дальнейшем целесообразно для расчетов использовать уравнения (2,4,6) и точно измерять цифровыми манометрами М₁, М₃. Цилиндр имеет характеристики: D = 0.02м, d = 0.008м, L = 0.1(0.25)м, диаметр штуцера – дросселя 0.002м.