Ключников В.В. Проектирование систем управления технологическими процессами и аппаратами пищевых производств

Подождите немного. Документ загружается.

111

Пример. В производственном помещении необходимо создать общее равномерное

освещение с освещенностью Е`=30 лк при коэффициенте запаса К=1,5 с использованием све-

тильников типа «Универсаль» без рассеивателя, подвешиваемых на высоте h

=4м.

Определить количество светильников, необходимых для этих целей, если мощность

одной лампы каждого светильника принята равной Р=100 Вт. Размеры помещения: длина

а=15м, ширина b=6 м.

Расчет.

Площадь освещаемого помещения

90615

⋅

baS м

В соответствии с таблицей 5.4.6 для светильника «Универсаль» без рассеивателя при

освещенности

45305,1`

⋅

ЕКЕ

лк и высоте подвеса светильника 4 м удельная мощ-

ность составляет р=12 Вт/м

При этом число ламп светильника

8,10

100

9012

⋅

Принимаем число ламп N=11.

Общая мощность, потребляемая светильниками,

P=PN= 11100

⋅

=1100 Вт.

Мощность аварийного освещения принимаем равной 10 % общей мощности освети-

тельной установки

=0,1·

P=0,1·1100=110 Вт.

Рассчитать число светильников и потребляемую мощность осветительной сетью при

заданных параметрах помещений.

112

Таблица 5.4.7 – Варианты заданий

Вариан-

ты

заданий

Помещение E`, лк К h

, м Р, Вт а, м b, м Тип светильника

Подсилосный

этаж

30 1,5 4 100 15 6

«Универсаль»

без рассеивателя

Этаж головок

норий

30 1,5 2 40 30 10

«Универсаль»

с рассеивателем

Цех отходов

20 1,6 5 60 10 3

«Глубокоизлучатель»

эмалированный

Выбойное

отделение

20 1,7 3 100 20 8

Фарфоровый без

отражателя

Помещения для

починки мешков

50 1,6 3 150 17 10

«Универсаль»

без рассеивателя

Склады сырья и

готовой продукции

20 1,5 3 60 24 13

«Универсаль»

без рассеивателя

Механизирован-

ные склады зерна

50 1,5 4 100 16 4

«Универсаль»

без рассеивателя

Надсилосные

этажи

75 1,5 4 100 19 8

«Универсаль»

без рассеивателя

Приемные

устройства

20 1,6 4 40 13 4

«Глубокоизлучатель»

эмалированный

Помещения

размольных

отделений

10 1,7 5 60 18 7

«Глубокоизлучатель»

эмалированный

Помещения зерно-

очистительных

помещений

50 1,5 6 150 21 5

«Глубокоизлучатель»

эмалированный

Помещения

шелушильных

отделений

20 1,8 2 100 25 4

«Универсаль»

с рассеивателем

Этаж приемных

устройств

30 1,6 3 40 10 4

«Универсаль»

с рассеивателем

Этаж сепараторов

50 1,5 2 60 8 4

«Универсаль»

с рассеивателем

Весовой этаж

75 1,5 3 100 22 7

«Универсаль»

с рассеивателем

Склады сырья и

готовой продукции

30 1,7 3 150 33 7

«Люцетта»

цельного стекла

Приемные

устройства

20 1,6 4 40 12 3

«Люцетта»

цельного стекла

Помещения для

починки мешков

50 1,5 3 60 18 9

«Люцетта»

цельного стекла

Подсилосный

этаж

30 1,4 3 100 14 4

Фарфоровый без

отражателя

Механизирован-

ные склады зерна

50 1,5 4 150 10 6

Фарфоровый без

отражателя

113

Глава 6 ЗАДАЧИ ПО ПНЕВМОАВТОМАТИКЕ

6.1 Выбор и расчет пневматических поршневых исполнительных механизмов

Расчет поршневых исполнительных механизмов сводится к определению диаметра

поршня и диаметра штока, по которым в дальнейшем выбирается типоразмер пневмоприво-

да.

6.1.1 Порядок выполнения расчета

Расчет поршневых исполнительных механизмов производится в следующей последо-

вательности:

1. Задается коэффициент нагрузки, учитывающий силу вредного сопротивления, k ,

значения которого находят по таблице 6.1.1.

Таблица 6.1.1 – Значение коэффициента нагрузки k .

Перестановочное усилие

ппс

, Н

Тип механизма

Направление

движения штока

при прямом ходе

до 1470 от 1470 до 4900 свыше 4900

1 2 3 4 5

Горизонтальное 1,25 1,15 1,09

Вниз 31,20 1,13 1,07

Пружинный

Вверх 1,24 1,16 1,09

Горизонтальное 1,30 1,20 1,14

Вниз 1,25 1,16 1,12

Беспружинный с

односторонним

штоком

Вверх 1,29 1,19 1,14

Горизонтальное 1,37 1,25 1,17

Вниз 1,34 1,21 1,15

Беспружинный с

двусторонним

штоком

Вверх 1,38 1,25 1,19

2. Определяется приближенное значение усилия, развиваемого поршнем,

пор

N , Н,

кпппспор

NkNN

+= ,

(6.1.1)

где

ппс

– перестановочное усилие в конце прямого хода штока, Н;

кп

– усилие, развиваемое пружиной в конце прямого хода, принимаемое обычно

равным

ппс

4,0 .

Усилие

кп

учитывают только при расчете пружинных механизмов.

3. Задается давление в выхлопной полости механизма (только при расчете механизмов

двустороннего действия), значение которого при отсутствии подпора на выхлопе рекоменду-

ется принимать 06,0..02,0=

p МПа, причем большее значение соответствует большим зна-

чениям давления питания исполнительного механизма

пит

p .

4. Определяется предварительное значение диаметра поршня

, м, по формуле

впит

пор

−

⋅= 15,1

(6.1.2)

114

Полученное значение

округляется до ближайшей большей величины из ряда:

0,005, 0,010, 0,015, 0,020, 0,025, 0,030, 0,035, 0,040, 0,045, 0,050, 0,055, 0,060, 0,070, 0,080,

0,100, 0,110, 0,120, 0,140, 0,160 м.

5. Вычисляется диаметр штока d , м, по соотношению

Dd )4,0..25,0(

(6.1.3)

Полученное значение d округляется до ближайшей большей величины из вышепри-

веденного ряда, причем большее значение принимается для меньших значений

5. Определяется сумма сил вредного сопротивления

мт

, Н, в зависимости от выбран-

ного типа и параметров уплотнения по формулам, приведенным в таблице 6.1.2.

Таблица 6.1.2 – Формулы для определения сил трения

мт

, Н

Место потерь

на трение

Формула для

определения силы

трения, кгс

Обозначение

в формуле

Значение

коэффициента

трения

Примечание

1 2 3 4 5

Уплотнение

поршня

и штока

манжетами

Поршень:

DhрN

пит

мт

πµ

Шток:

dhpN

пит

мт

πµ

– коэффи-

циент трения;

h – высота

активной части

манжеты, м

для кожи:

10,0..06,0

для резины:

20,0..10,0

Значения h для ман-

жет по МН 5580-64:

– для поршня: при

D мм

50,1

h мм;

при 20032

≤

D мм

00,2

h мм;

при 200

≥

D мм

75,2

h мм;

– для штока:

при 14

d мм

50,1

h мм;

при 14

≥

d мм

00,2

h мм

Уплотнение

поршня

и штока

круглыми

резиновыми

кольцами

Поршень:

bnDpN

III

мт 2.

πµ

Шток:

bndpN

мт 2.

πµ

– коэффи-

циент трения;

р – радиаль-

ное давление

кольца, Па;

b – ширина

кольца, м;

– количест-

во колец

уплотнения

20,0..10,0

Уплотнение происхо-

дит в результате сжа-

тия кольца при сборке.

В последующем на-

пряжение усиливается

в результате давления

в полости цилиндра.

Ориентировочно

7,0

=р МПа

7. Находятся эффективные площади поршня

F , м

, по формулам

– для бесштоковой ополости

785,0 DF

= ,

(6.1.4)

– для штоковой полости

)(785,0

dDF

−= ,

(6.1.5)

где

– диаметр поршня, м;

d – диаметр штока, м.

115

8. Из таблицы 6.1.3 выбирается соответствующее значение максимально допустимое

давление трогания поршня

р , МПа.

Таблица 6.1.3 – Значение максимально допустимых давлений трогания

поршня

р , МПа

Диаметр поршня

, мм

Пружинный

механизм

Беспружинный

механизм

1 2 3

25-63

0,12263 0,04905

80-125

0,08584 0,03434

160-320

0,07358 0,02943

360-400

0,04905 0,01962

При конструировании поршневых пружинных исполнительных механизмов необхо-

димо соблюдать условие

мтпп

5,1≥

(6.1.6)

Исходя из этого условия определяется значение

пп

(только для пружинных меха-

низмов).

9. Для пружинных механизмов определяется давление, при котором шток ненагру-

женного исполнительного механизма совершит ход, равный условному

S ,

р , Па,

мтппс

4,0 +

(6.1.7)

10. Для пружинных механизмов определяют жесткость пружины и производят конст-

руктивный расчет пружины.

Жесткость пружины

определяется по формуле

)(

нк

рp

q −=

(6.1.8)

11. Для беспружинных механизмов находится усилие противодавления на выхлопе

N , Н,

эвв

FрN =

(6.1.9)

12. Для пружинных механизмов определяется усилие, развиваемое пружиной в конце

хода поршня,

N , Н,

уппп

qSNN +=

(6.1.10)

13. Определяется уточненное значение усилия, развиваемого поршнем,

утпор

, Н,

вмтпппсутпор

NNNNN +++=

...

(6.1.11)

14. Сравнивается уточненное значение усилия, развиваемого поршнем, без учета уси-

лия противодавления на выхлопе

N (для беспружинных механизмов)

вутпор

NN −

со значе-

нием

пор

N , вычисленным по формуле (6.1.1).

Если отличие сравниваемых величин составляет больше 15 % от

пор

N , то расчет необ-

ходимо повторить, принимая уточненное значение за исходное.

116

6.1.2 Пример выбора и расчета пневматического беспружинного поршневого

исполнительного механизма с односторонним штоком

Таблица 6.1.4 – Исходные данные

Наименование исходного

параметра

Обозначение

Значение

параметра

Единицы измерения

Перестановочное усилие

в конце прямого хода

штока

ппс

2550,6 Н

Условный ход

100 мм

Давление питателя

исполнительного

механизма

пит

0,6 МПа

Уплотнение поршня и штока одним резиновым кольцом; движение штока при пря-

мом ходе – вверх.

Расчет.

1. Так как тип механизма беспружинный с односторонним штоком, НN

ппс

6,2550

= и

движение штока при прямом ходе – вверх, то по таблице 6.1.1 принимается коэффициент на-

грузки, учитывающий силу вредного сопротивления, 19,1

k .

2. Определяется приближенное значение усилия, развиваемого поршнем,

пор

N , Н, по

формуле (6.1.1)

кпппспор

NkNN

+= ,

3035,26,255019,1 =⋅=

пор

N Н.

Усилие, развиваемое пружиной в конце прямого хода,

кп

не учитываем, так как его

учитывают только при расчете пружинных механизмов.

3. Принимается давление в выхлопной полости механизма 05,0=

p МПа.

4. Определяется предварительное значение диаметра поршня

, см, по формуле

(6.1.2).

впит

пор

−

⋅= 15,1

0854,0

50000600000

3035,2

15,1 =

−

⋅=D

м.

Полученное значение

округляется до ближайшей большей величины из стандарт-

ного ряда 100,0

D м.

5. Вычисляется диаметр штока d , мм, по соотношению (6.1.3).

Dd )4,0..25,0(

025,0100,025,0

⋅

d м.

Полученное значение d округляется до ближайшей большей величины 025,0

d м.

6. Так как уплотнение поршня и штока осуществляется круглыми резиновыми кольцами,

сумма сил вредного сопротивления

мт

, Н, определяется по формулам (из таблицы 6.2).

– поршень:

bnDpN

III

мт 2.

πµ

= ;

117

– шток:

bndpN

мт 2.

πµ

;

где

– коэффициент трения;

р – радиальное давление кольца, Па;

b – ширина кольца, м;

– количество колец уплотнения.

4,14810,010045,070000015,014,3

=⋅⋅⋅⋅⋅=

III

мт

N Н,

18,5025,0100225,070000015,014,3

=⋅⋅⋅⋅⋅=

мт

Н,

9,6615,184,148

∑

=+=

мт

N Н.

6. Эффективные площади поршня

F , м

, находим по формулам (6.1.4) и (6.1.5).

– для бесштоковой полости:

785,0 DF

= ,

00785,010,0785,0

=⋅=

F м

– для штоковой полости:

)(785,0

dDF

−= ,

00735,0)025,010,0(785,0

=−=

F м

8. Из таблицы 6.3 выбираем соответствующее значение максимально допустимое дав-

ление трогания поршня

р , МПа:

– при 25

d мм 04905,0=

р МПа;

– при 100

D мм 03434,0=

р МПа.

9. Для беспружинных механизмов находится усилие противодавления на выхлопе

N ,

Н, по выражению (6.1.9).

эвв

FрN = ,

5,367105,7350000

=⋅⋅=

−

N Н.

10. Определяется уточненное значение усилия, развиваемого поршнем,

утпор

, Н, по

формуле 6.1.11.

вмтппсутпор

NNNN ++=

...

30855,367166,96,2550

=++=

утпор

N Н.

11. Уточненное значение усилия, развиваемого поршнем, без учета усилия противо-

давления на выхлопе

вутпор

NN −

5,27175,3673085

=−=−

вутпор

NN Н.

12. Сравниваются

вутпор

NN −

пор

N ,

5,2717

=−

вутпор

NN Н,

2,3035=

пор

N Н,

118

%5,10%100

2,3035

)5,27172,3035(

=⋅

−

=∆ ,

%15

∆

. Следовательно, пересчета не требуется.

6.1.3 Варианты заданий для выбора и расчета пневматического

поршневого исполнительного механизма

Таблица 6.1.4 – Варианты заданий

№

Тип

меха-

низ-

ма

Направление

движения што-

ка при прямом

ходе

Вид

уплот-

нения

Перестано-

вочное уси-

лие в конце

прямого хода

штока

ппс

Услов-

ный

ход

S , мм

Давление

питателя

исполни-

тельного

механизма

пит

p , МПа

Дополнительно

1 I горизонт. а 1505 142 0,25

2 II вверх б 510 160 0,4

40,0

см;

20,0

см; 1

3 III вниз а 2046 170 0,6

4 I вверх б 4905 190 1,0

45,0

см;

225,0

см; 1

5 II вниз а 816 210 0,25

6 III горизонт. б 5205 230 0,4

50,0

см;

25,0

см; 1

7 I вниз а 2860 275 0,6

8 II горизонт. б 1012 142 1,0

55,0

см;

275,0

см; 1

9 III вверх а 6108 160 0,25

10 I горизонт. б 720 170 0,4

60,0

см;

30,0

см; 1

11 II вверх а 5092 190 0,6

12 III вниз б 3547 210 1,0

40,0

см;

20,0

см; 1

13 I вверх а 490 230 0,25

14 II вниз б 1905 275 0,4

45,0

см;

225,0

см; 1

15 III горизонт. а 1260 142 0,6

16 I вниз б 4997 160 1,0

50,0

см;

25,0

см; 1

17 II горизонт. а 4209 170 0,25

18 III вверх б 1400 190 0,4

55,0

см;

275,0

см; 1

19 I горизонт. а 2580 210 0,6

20 II вверх б 250 230 1,0

60,0

см;

30,0

см; 1

21 III вниз а 4209 275 0,25

22 I вверх б 2340 142 0,4

40,0

см;

20,0

см; 1

23 II вниз а 5000 160 0,6

24 III горизонт. б 1740 170 1,0

45,0

см;

225,0

см; 1

25 I вниз а 786 190 0,25

119

Примечание. Типы механизмов: I – беспружинный с односторонним штоком; II – беспру-

жинный с двусторонним штоком; III – пружинный. Виды уплотнения: а – уплотнение порш-

ня и штока манжетами; б – уплотнение поршня и штока круглыми резиновыми кольцами.

6.2 Расчет быстродействия пневматических исполнительных механизмов

Показателем динамических свойств исполнительных механизмов при двухпозицион-

ном регулировании является его быстродействие, то есть время, за которое выходной эле-

мент механизма совершит ход

S и разовьет в конце хода усилие, равное перестановочному.

Расчет динамических свойств пневматических исполнительных механизмов сводится

к определению условного прохода пневмопровода, максимального расхода воздуха и быст-

родействия.

6.2.1 Порядок выполнения расчета

Исходными данными для расчета являются:

•

– диаметр рабочего органа, см:

- для поршневого – диаметр поршня;

- для мембранного – диаметр заделки мембраны;

- для сильфонного – средний диаметр сильфона, равный 2/)(

вн

DD − .

•

пит

p – давление питания, Па;

•

ор

– усилие, развиваемое рабочим органом исполнительного механизма, Н;

•

– температура питающего воздуха, К;

•

S – условный ход выходного элемента машины, мм.

Последовательность расчета

1. Задается средняя установившаяся скорость движения выходного элемента (штока)

механизма

v , м/с, которую рекомендуется принимать равной 0,05-0,3 м/с.

2. Задается скорость воздуха в пневмопроводе

v , м/с. Рекомендуется принимать

15..7

=v м/с, а в исполнительных механизмах с большим быстродействием при большом

перестановочном усилии допускается ее увеличивать до 20 м/с.

3. Определяют величину условного прохода пневмопривода

D , см, по формуле

= .

(6.2.1)

Полученное значение округляют до ближайшей большей величины из ряда стандарт-

ных величин: 6, 8, 10, 12, 15, 20, 25, 32. При этом должно быть сохранено соотношение

)09,0..055,0(= .

4. Коэффициент расхода пневмопровода

вычисляется по формуле

11,06,19

−

⋅

∆

⋅⋅

(6.2.2)

где p

∆

– сумма общих потерь давления в пневмопроводе от командного блока систе-

мы управления до исполнительного механизма, Па;

– плотность воздуха при абсолютном давлении

пит

∆

− и температуре

, кг/м

120

Величина p

∆

вычисляется по формуле

∑

∆+∆=∆

ppp ,

(6.2.3)

где

p∆ – потери давления на прямых участках пневмопровода, Па;

p∆ – потери давления в местных сопротивлениях, Па.

Значения

p∆ для металлических и резиновых пневмопроводов приведены в таблице

6.2.1, а значения

p∆ – в таблице 6.2.2.

6. Величина параметра нагрузки, который характеризует плавность хода штока,

пит

ор

∆−

100000

(6.2.4)

где

ор

– максимальное усилие, развиваемое рабочим органом, создающим переста-

новочное усилие, Н;

F – эффективная площадь рабочего органа со стороны рабочей полости, м

6. Определяется функция параметра нагрузки )(

, значения которой в зависимости

от

приведены в таблице 6.2.3.

100000

ор

p , Па.

(6.2.5)

Если значение 2588,0)(

, то принятая скорость при заданных условиях

недопустима!

При этом следует иметь в виду, что повышение быстродействия исполнительного ме-

ханизма может быть достигнуто за счет установки на выхлопе специальных устройств типа

клапана быстрого выхлопа либо за счет снижения потерь в пневмопроводе.

7. Максимальный расход воздуха Q , м

/мин, вычисляется по формуле

питy

)(

92,7

⋅

= ,

(6.2.6)

где

F – площадь условного прохода пневмопровода, см

, значения которой приведе-

ны в таблице 6.2.1.

Значения Q , рассчитанные по формуле, не должны превышать больше чем на 10 %

значений, приведенных в таблице 6.2.1. В ином случае необходимо увеличивать

D .

8. Время распространения воздушной волны от блока управления системы до рабочей

полости исполнительного механизма

t , с, определяется по формуле

= ,

(6.2.7)

где

– скорость распространения воздушной волны, м/с.

Значение

определяется по выражению

Tc 20= .

(6.2.8)

9. Следующим шагом является определение времени наполнения начального объема

рабочей полости исполнительного механизма до начала движения его рабочего органа

t .

При этом необходимо учитывать три возможных режима работы:

– рабочий орган имеет технологическую остановку в конце прямого хода, во время

которой обе его полости соединены с атмосферой;