Document 437188

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Утверждаю
_______________________
Руководитель ООП
по направлению 220700
доц. А.А. Кульчицкий
______________________
Зав. кафедрой АТПП
доц. А.А. Кульчицкий
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«ГИДРО-ПНЕВМОАВТОМАТИКА»
Направление подготовки:
220700 Автоматизация технологических процессов и производств
Профиль подготовки:
Автоматизация технологических процессов и производств (в
машиностроении.)
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель:
Доцент каф. АТПП О.А.Маринова
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1. Цели и задачи дисциплины:
Целью изучения дисциплины «Гидропневмоавтоматика» является:
- получение студентами основ знаний в области гидравлических и пневматических
приводов, которые наряду с электрическими приводами входят в состав автоматических
систем управления производственными процессами (АСУПП),
-изучение средств и методов проектирования систем гидро- и пневмоавтоматики
для управления рабочими циклами технологического оборудования.
Задачами изучения дисциплины являются:
- знания по гидравлическим и пневматическим системам автоматического
регулирования и управления, применяемых в системах робототехнических комплексов,
гибких автоматизированных производствах, машинах-автоматах, мехатронных модулях
движения и электрогидравлических мехатронных системах.
- научить решать инженерные задачи машиностроительного оборудования
пневматическими и гидравлическими средствами.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина «Гидропневмоавтоматика» относится к дисциплинам базовой части
профессионального цикла.
Для изучения этой дисциплины необходимы знания:
- математики;
- физики;
- информатики;
- теоретической механики;
- начертательной геометрии и инженерной графики;
- сопротивления материалов;
- теории машин и механизмов;
- деталей машин и основы проектирования;
- электротехники.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
- что такое гидравлические и пневматические приводы, каковы их назначение и где
они применяются;
- что является теоретической основой гидравлических и пневматических приводов;
- как устроены гидро – и пневмоприводы, в чём состоит их общее конструктивное
решение и в чем существенное отличие;
- как протекает рабочий процесс в гидро – и пневмоприводах, каковы его основные
характеристики.
- какой привод (гидравлический или пневматический) применять к тому или иному
технологическому оборудованию;
- как составить принципиальную схему гидро – и пневмопривода;
- как рационально выбрать способ регулирования гидравлическим приводом;
- последовательность расчёта гидравлического привода.
Уметь:
- использовать законы механики жидкости и газа для решения задач автоматизации
технологических процессов и производств.
- выполнить самостоятельно полный расчет гидравлического привода;
- выполнить статический расчет пневматического привода;
- пояснить методику расчета пневмоопривода при неустановившимся движении:
Владеть:
- общей теорией гидро – и газомеханических процессов в системах гидравлических
и пневматических приводов;
- основами теории автоматического управления гидро – и пневмоприводами;
структурным
строением
систем
автоматического
проектирования
машиностроительных гидроприводов.
Критерием достижения базового и профессионального уровня изучаемой
студентами дисциплин «гидро – и пневмоприводы» является твердое знание основ
гидромеханики напорных систем ( в том числе систем объемного гидропривода),
структуры гидро – и пневмоприводов, их конструктивных параметров, связанных с
гидромеханическими параметрами энергоносителей (рабочей жидкости, сжатого воздуха),
способы управления приводами, включая автоматическое управление, современные
тенденции развития машиностроительного гидропривода.
Студент должен овладеть методом творческого подхода при проектировании,
расчете и эксплуатации систем гидро–и пневмодов.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц.
Вид учебной работы
Всего
часов
9
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Курсовой проект (работа)
Контрольная работа
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к лабораторным работам
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
53
19
17
17
59
20
5
4
30
112
5
Семестры
36
19
17
37
10
17
-
17
22
20
5
2
15
73
2
15
39
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
5.1.1. Введение.
Предмет и задачи изучения дисциплины «гидро – и пневмоприводы», её место в
системе
подготовки
дипломированных
инженеров,
специализирующихся
на
автоматизации технологических процессов производств в машиностроении. Связь курса с
общетеоретическими, общеинженерными и специальными дисциплинами учебного плана
специальности 220700.
Краткий исторический обзор становления, развития и современного состояния теории и
практики гидравлических и пневматических приводов.
5.1.2 Рабочие жидкости и газы в системах гидропневмоавтоматики.
Определение жидкости и газа, жидкая среда. Свойства упругости и текучести.
Микроскопическая однородность и изотропность жидкости и газа. Модель сплошной
среды. Объемная плотность массы жидкости и газа, её зависимость от давления и
температуры, коэффициенты объемного сжатия и температурного расширения.
Силы и напряжения, действующие в жидкой среде. Классификация сил:
внутренние и внешние, объемные и поверхностные. Напряжение объемных сил,
выражение объемной силы через напряжение.
Поверхностные силы давления и трения. Напряжение поверхностной силы
давления и выражение этой силы через напряжение. Давление в жидкой среде и градиент
давления. Напряжение силы трения.
Свойство вязкости жидкости и газа. Закон вязкого трения Ньютона и его отличие
от трения твердых тел. Касательные напряжения, силы трения. Коэффициенты вязкости,
их размерность и зависимость от температуры и давления. Модель идеальной жидкости.
5.1.3 Статистика жидкости и газа (гидростатика)
Определение и задачи гидростатики. Гидростатическое давление. Система
дифференциальных уравнений гидростатики Эйлера и их интегрирование при равновесии
однородной несжимаемой жидкости в поле действия объемных и поверхностных сил, сил
инерции и при отсутствии действия объемных сил. Манометрическое давление и
статический вакуум.
Гидростатический парадокс. Закон Паскаля. Приборы для измерения давления.
Статическое давление жидкости на твердые поверхности и в замкнутых объемных. Закон
Архимеда. Потенциальная энергия и систематический напор покоящейся жидкости.
5.1.4. Основы динамики (гидродинамики) жидкости и газа
Определение, задачи и методы гидродинамики. Элементы кинематики: траектория,
скорость движения частиц жидкости, линии и трубки тока, ускорение движения.
Струйная модель одномерного движения жидкости. Элементы потока жидкости.
Классификация видов движения жидкости. Дифференциальное уравнение гидродинамики
идеальной жидкости и его интеграл при установившемся движении.
Уравнение Бернулли для установившегося напорного движения вязкой жидкости и его
интерпретации.
Фундаментальные законы гидродинамики. Закон инерции и сохранение массы при
одномерном движении. Уравнение неразрывности потока (уравнение баланса расхода).
Закон об изменении количества движения (импульса) и его гидравлическое уравнение.
Закон равенства действия и противодействия гидродинамических сил. Закон об изменении
кинетической энергии. Гидродинамическое давление. Уравнение баланса механической
энергии при одномерном движении.
5.1.5. Гидравлическое сопротивление и диссипация энергии потока вязкой
жидкости.
Работа, энергия и мощность потока вязкой жидкости. Затраты энергии на работу
сил трения и диссипацию (рассеяние). Гидравлическое сопротивление инерционное,
вязкое и инерционно - вязкое, сопротивление по длине потока (структура формулы) и
местное сопротивление. Режимы движения жидкости: ламинарный и турбулентный.
Число Рейнольдса.
Гидравлическое сопротивление при ламинарном движении в трубах ,узких зазорах
и щелях, в местных сопротивлениях. Формулы расхода и потери давления. Зависимость
коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса.
Гидравлическое сопротивление при турбулентном движении. Модель потока с
пристеночной турбулентностью Людвига Прандтля. Законы гидравлического трения по
длине потока при турбулентном движении. График зависимости коэффициента
гидравлического трения от числа Рейнельдса. Местные гидравлические сопротивления.
5.1.6. Гидравлический расчет трубопроводов и отверстий
Напорные трубопроводы, их классификация и разновидности. Задачи расчета
простых трубопроводов при последовательном и параллельном соединении труб, расчет
трубопроводов насосных установок.
Неустановившееся движение несжимаемой жидкости в напорных трубопроводах;
инерционный напор (давление). Гидравлический удар сжимаемой жидкости в напорных
трубопроводах. Формулы Н.Е.Жуковского ударного давления и скорости распространения
ударной волны. Прямой и непрямой гидравлический удар. Способы локализации
гидравлического удара.
Расчет пропускной способности отверстий в гидравлических аппаратах. Скорость и
расход жидкости в струе, вытекающей из отверстия в стенке резервуара. Коэффициенты
скорости и расхода. Расчетные формулы расхода и перепада давления при истечении в
проходном отверстии гидравлического аппарата. Истечение жидкости из отверстия при
переменном напоре.
5.1.7. Одномерные потоки газа(некоторые сведения из прикладной газовой
динамики)
Параметры состояния газа. Простейшие термодинамические процессы. Массовый
расход газового потока. Установившееся изотермическое давление газа в трубопроводах,
скорость звука и критическое отношение давлений, весовой расход газа.
Истечение газа из резервуара при адиабатном (изоэнтропном) процессе,
критическая скорость истечения, подкритическая и надкритические области истечения,
число Маха.
Истечение газа из резервуара в трубопровод при политропном процессе с учетом
гидравлического сопротивления трубопровода.
5.1.8. Общие сведения о гидравлических системах управления.
Определение гидропривода. Структура и функциональная схема. Принципиальные
гидравлические схемы гидроприводов поступательного и вращательного действия в
условных обозначениях. Классификации гидроприводов по виду движения
исполнительного механизма, по методу управления, по виду циркуляции в системе
гидропривода. Достоинства и недостатки гидроприводов.
5.1.9. Источники энергии гидравлических систем и двигатели
Определение, назначение и принципы действия объемных насосов. Номинальные и
рабочие параметры насосов. Типы объемных насосов, насосы с регулируемой подачей.
Комплектация насосных установок. Расчет рабочих параметров и выбор типоразмера
насоса по каталогу.
Объемные гидродвигатели поступательного движения – гидроцилиндры
поршневые и мембранные. Моментные
гидродвигатели. Рабочие параметры
гидроцилиндров.
Объемные гидродвигатели вращательного движения- гидромоторы. Типы
гидромоторов, их рабочие параметры и технические характеристики.
5.1.10. Гидравлическая аппаратура управления
Распределительная гидроаппаратура. Крановые, клапанные и золотниковые
распределители. Условные обозначения типоразмеров направляющих золотников.
Дросселирующие золотниковые распределители. Управление золотниковыми
гидрораспределителями. Расходная характеристика золотниковых гидрораспределителей.
Обратные клапаны, гидрозамки гидрораспределителей и их назначение.
Регулирующая гидроаппаратура. Клапаны давления: предохранительные,
редукционные и разности давления. Типовые схемы включения и исполнения клапанов.
Клапаны прямого и непрямого действия.
Дроссели и регуляторы расхода. Типы дросселей. Формула расхода через дроссель.
Схемы и принцип действия регулятора расхода. Синхронизаторы движения типа дроссельного
порционера: схема устройства и принцип действия.
Мультипликаторы и трансформаторы давления. Гидропанели: назначения, типовые
схемы применения. Гидроаппаратура следящих и программных гидроприводов.
Гидроусилители мощности. Гидроусилитель сопло-заслонка: гидравлическая схема
и характеристика, коэффициент усиления по расходу. Гидроусилитель - струйная трубка:
принцип действия и характеристики. Гидроусилитель - игольчатый дроссель: схема
соединения с гидроцилиндром, коэффициент усиления по расходу. Гидроусилители
золотникового типа – дросселирующие гидрораспределители. Усилители с
однокромочным, двухкромочным и четырехкромочным золотником. Расчетная и мостовая
схема включения золотника, гидравлическая характеристика. Коэффициенты усиления по
скорости и нагрузке.
Гидроаппаратура с пропорциальным управлением распределителей, дросселей и
клапанов: назначение, гидравлическая схема.
5.1.11. Вспомогательные устройства гидроприводов
Аккумуляторы: назначение, устройство, принцип действия и расчет пневматического
аккумулятора. Гидравлические устройства для разгрузки насосов: назначение, схемы включения.
Устройства для очистки рабочей жидкости - фильтры. Фильтрующие материалы.
Фильтры заливные, приемные (сетчатые), напорные, магнитные. Параметры фильтров.
Аппараты и приборы для контроля давления: реле давления, манометры и переключатели для
них.
Уплотнения. Требования, предъявляемые к уплотнениям. Кольца резиновые, поршневые,
шевронные резинотканевые, манжеты уплотнительные резиновые. Расчет сил трения в
уплотнениях.
5.1.12 Гидравлический привод систем управления с дроссельным и машинным
регулированием скорости
Дроссельное регулирование гидроприводов поступательного движения. Схемы
включения дросселя в гидросистему на входе, на выходе и параллельно гидроцилиндру.
Определение скорости перемещения поршня и давления в полостях гидроцилиндра.
Жесткость передачи приложенного усилия. Методы стабилизации скорости.
Дроссельное регулирования гидроприводов вращательного движения: схемы включения
дросселя в гидросистему; расчетные зависимости для определения частоты вращения
гидромотора, крутящего момента, мощности и КПД.
Объемное (машинное) регулирование гидроприводов вращательного движения с
регулируемыми насосом и гидромотором. Расчетные зависимости для определения
частоты вращения, момента и мощности без учета потерь мощности. Параметр
регулирования. Идеальная характеристика гидропривода. Поправки на КПД с учетом
потерь мощности.
Объемное регулирование насосом в гидроприводе поступательного движения.
Сравнительная оценка качества дроссельного и объемного регулирования
гидроприводов.
5.1.13.Гидравлические следящие приводы
Определение, назначение и структура гидравлических следящих приводов.
Классификация следящих гидроприводов: 1) по характеру движения исполнительного
механизма; 2) по числу управляемых координат перемещения рабочего органа; 3) по
количеству расходов усиления; 4) по характеру сигналов управления; 5) по способу
программного управления; 6) по способу регулирования скорости слежения; 7) по
количеству замкнутых контуров управления; 8) по конструкции дросселирующего
золотника.
Характеристики следящих гидроприводов. Электрогидравлический следящий
привод: структура, функциональная блок- схема
5.1.14.Основы проектирования и расчета гидравлических систем управления
Основные этапы проектирования. Разработка принципиальной типовой схемы
гидропривода и её анализ. Расчёт конструктивных параметров гидропривода и
нагрузочной
характеристики.
Статический
расчет
следящего
гидропривода
поступательного действия с дросселирующим золотниковым распределителем.
Построение статической характеристики. Проектный динамический расчет следящего
гидропривода и оценка качества регулирования.
5.1.15.Общие сведения о пневматических системах управления
Определение пневмопривода. Назначение и структура пневмопривода. Принцип
действия. Простейшие схемы
пневмоприводов поступательного и вращательного
действия.
5.1.16. Пневматические двигатели
Поршневые и диафрагменные пневмодвигатели поступательного действия. Усилие,
развиваемое пневмодвигателем. Пневматические двигатели вращательного действия и их
рабочие параметры.
5.1.17. Пневматическая аппаратура управления.
Распределительная
пневмоаппаратура: назначение и типы распределителей.
Контрольно – регулирующая аппаратура. Типы пневмодросселей. Редукционные клапаны
давления. Схемы включения клапанов.
Пневматические усилительные устройства. Усилители механического типа:
рычажные, эксцентриковые, клиновые. Расчет усилия зажима и коэффициенты усиления.
Пневмогидравлический усилитель. Коэффициент усиления.
Демпфирующие (тормозные) устройства.
Фильтры, применяемые в пневмоприводах.
5.1.18.Расчет пневматических систем управления поступательного действия.
Расчет пневмопривода при установившемся движении. Массовый расход и
скорость движения при политропном процессе с учетом гидравлического сопротивления.
Надкритическая и подкритическая области истечения.
Общие замечания по расчету пневмопривода при неустановившемся движении. Три фазы
процесса поступления сжатого воздуха в пневмоцилиндр и процесса движения.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№ Наименование обеспечиваемых
п/п (последующих) дисциплин
1.
2.
№ № разделов данной дисциплины, необходимых для
изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
Автоматизация технологических
процессов и производств
Проектирование
автоматизированных систем
4
+
5
+
6
+
7
+
8
+
+
+
+
+
+
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Наименование раздела дисциплины
Введение
Рабочие жидкости и газы в системах
гидропневмоавтоматики
Статика жидкости и газа (гидростатика)
Основы динамики (гидродинамики) жидкости
и газа
Гидравлическое сопротивление и диссипация
энергии потока вязкой жидкости
Гидравлический расчет трубопроводов и
отверстий
Одномерные потоки газа(некоторые сведения
из прикладной газовой динамики
Общие сведения о гидравлических системах
управления
Лекц. Практ. Лаб
занятия зан.
1
1
Всего
час.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
6
СРС
7
1
1
1
1
9.
10.
11.
12
13.
14.
15.
16
17
18.
Источники энергии гидравлических систем и
двигатели
Гидравлическая аппаратура управления
Вспомогательные устройства гидроприводов
Гидравлический привод систем управления с
дроссельным и машинным регулированием
скорости
Гидравлические следящие приводы
Основы
проектирования
и
расчета
гидравлических систем управления
Общие сведения о пневматических систем
управления
Пневматические двигатели
Пневматическая аппаратура управления
Расчет пневматических систем управления
поступательного действия
1
3
4
1
1
1
1
2
1
1
1
9
8
10
18
8
1
1
1
1
1
1
1
1
6. Практические занятия
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1.
5.1.13
2.
3
5.1.13
5.1.13
3.
5.1.13
4.
5.1.14
5.
5.14
Наименование практических занятий
Расчет конструктивных параметров следящего
гидропривода при стационарном движении
Статический расчет следящего гидропривода
Расчет устойчивости следящего гидропривода при
нестационарном движении, в переходном периоде.
Проектный динамический расчет следящего
гидропривода
Расчет гидропривода поступательного движения с
дроссельным регулированием
Расчет гидропривода вращательного движения с
объемным регулированием регулированием
Трудоемкость
(час.)
2
2
2
3
4
4
7. Лабораторные работы
№
п/п
№ раздела
дисциплины
Наименование лабораторных занятий
1.
5.1.6
2.
5.1.6
3
4.
5.1.9
5.1.4
5.
5.1.14
Определение потерь напора при стационарном
турбулентном движении жидкости в трубопроводе.
Истечение жидкости из отверстия при переменном
напоре
Энергетические испытания шестеренчатого насоса.
Определение КПД силового гидропривода при
дроссельном регулировании скорости движения.
Испытание гидропривода вращательного действия при
объемном регулировании скорости вращения.
Трудоемкость
(час.)
4
2
3
4
4
8. Примерная тематика курсовой работы:
Расчет гидропривода поступательного движения с дроссельным регулированием скорости
и цикловым управлением:
1.Составить принципиальную схему гидропривода, работающего по циклу:
- быстрый подвод оборудования со скоростью V0
- рабочий ход со скоростью V
- быстрый отвод со скоростью V0
- управление гидроприводом - автоматическое с путевым контролем.
-предусмотреть возможность остановки гидропривода в любом положении,
посредством разгрузки системы от давления.
- в качестве приводного двигателя применить силовой гидроцилиндр с поршнем
по скользящей посадке с зазором δ по второму классу точности и односторонним штоком.
- уплотнение штока - манжеты шевронного типа
- в схеме использовать стандартную гидроаппаратуру.
2. По заданным вариантам числовых значений величин произвести расчет основных
параметров гидропривода, включая:
- определение параметров силового гидроцидиндра;
- расчет параметров напорной гидролинии;
- определение параметров насосной установки и КПД гидропривода;
- выбор типоразмера насоса и стандартной гидроаппаратуры.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
Основная литература:
1. Башта,Т.М. Гидравлика, гидравлические машины и гидроприводы: учебник для
вузов. 2-е изд. перераб./ Т.М.Башта. - М.: Машиностроение, 1982.
2. Грянко, Л.П., Гидродинамические и гидрообъемные передачи в трансмиссиях
транспортных средств: учебное пособие/ Л.П.Грянко, Ю.М. Исаев. – СПб.: изд-во
СПБГТУ 2000.
3. Денисов, В.А., Элементы и системы гидроавтоматики: учебное пособие/
В.А.Денисов, Ю.Б.Полубояринов, Л.И.Шуб– Л.: СЗПИ, 1928.
4. Погорелов, В.И.Гидро- и пневмопривод и автоматика: учебное пособие/
В.И.Погорелов, В.С.Тюшев. – Л.: изд-во СЗПИ, 1968.
Дополнительная литература:
1.Полубояринов, Ю.Г. Гидравлические системы в станочном оборудовании.
Гидравлика (краткий курс): учебное пособие/ Ю.Г. Полубояринов. – Л.: СЗПИ, 1991.
2.Попов, Д.Н. Гидромеханика: учебник для вузов/ Д.Н.Попов, С.С.Панаиоти М.В.
Рябинин . – М.: изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000.
3.Свешников, В.К. Станочные гидроприводы: справочник/ В.К.Свешников, А.Л.
Усов – М.: «Машиностроение». 2004.
4.Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам/ под общей
редакцией докт. техн. наук Б.Б.Некрасова. – Минск.: Высшая школа, 1985.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Выполнение лабораторных работ по проектированию проводятся в
специализированной лаборатории 3331.
Для завершения выполнения работ и оформления отчетов используются
компьютеры кафедрального вычислительного центра (аудитория -6502)
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Перед началом занятий проводится контроль знаний по ГОСТам выполнения
данных схем. Задания на изучение ГОСТов выдаются на предыдущем занятии. По
результатам проверки знаний студент допускается или нет к выполнению лабораторной
работы.
Разработчик:
Горный институт
доцент кафедры АТПП
О.А.Маринова
Эксперты:
____________________
(место работы)
___________________
(занимаемая должность)
_________________________
(инициалы, фамилия)
____________________
(место работы)
___________________
(занимаемая должность)
_________________________
(инициалы, фамилия)