материалы по дисциплине РиПрГМиГПА / РиП ГМиГПА лекции 1м

9

Лекция № 1м.

Объёмный гидропривод. Структура, характеристики гидроприводов. Понятие о следящем гидроприводе.

Общие сведения

Приводы – составная часть всех машин. Они приводят в движение рабочие органы машин с определенной закономерностью, в большинстве случаев обеспечивают необходимую скорость движения, заданное положение (позицию) или нужную силу на рабочем органе.

Объёмным гидроприводом – называют совокупность устройств, в число которых входит один или несколько объемных гидродвигателей, предназначенная для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей жидкости под давлением. Объемный гидропривод отличается от приводов других типов наличием гидросистемы, основными определяющими устройствами которой являются один или несколько объемных гидродвигателей. Объемный гидродвигатель (сокращенно – двигатель) преобразовывает энергию потока рабочей среды ы энергию выходного звена (штока или вала) в процессе попеременного заполнения рабочей камеры и вытеснения ее из рабочей камеры. Выходное звено двигателя непосредственно или через механическую передачу соединено с рабочим органом механизма или машиной (нагрузкой).

Место объёмного гидропривода в рабочей машине показано на рис.1.1.

Рис.1.1. Место привода в рабочей машине

Обозначим через x – внешнее управляющее воздействие (механический, электрический, электромеханический, гидравлический, электрогидромеханический, пневматический, пневмомеханический, электропневмомеханический или иной сигнал) на объёмный гидропривод, а через А – полезную механическую работу, совершаемую выходным звеном гидропривода.

Общую структуру объёмного привода можно представить в виде четырех составных частей (рис.1.2)

Рис.1.2. Общая структура объёмного гидропривода

Источником механической энергии в большинстве случаев служит тепловой или электрический двигатель, называемый приводящим. В зависимости от типа приводящего двигателя допускаются термины «электронасосный» или «дизель – насосный» гидропривод.

Известны ручные и ножные гидроприводы, для которых источником механической энергии служит человек.

Для преобразования механической энергии приводящего двигателя в энергию потока рабочей среды под давлением используют в объемном гидроприводе насос.

Управляющие и вспомогательные устройства (гидроаппараты) в объемном приводе обеспечивают кондиционирование рабочей среды (очистку, охлаждение и т.п.), предохраняют от поломок узлы и трубопроводы, контролируют процесс эксплуатации и выполняют другие функции. Объёмные гидромашины и гидроаппараты соединены гидролиниями, представляющими собой трубы, рукава, соединения и каналы в корпусах и соединительных плитах.

Функциональная схема объёмного гидропривода можно представить в следующем виде (рис. 1.3):

Рис.1.3. Функциональная схема объёмного гидропривода

Основные характеристики гидроприводов

Статические характеристики отражают свойство объемного привода при установившихся режимах работы, поэтому точки для построения статической характеристики определяют при установившихся (постоянных) значениях скорости v и силы (момента силы) Н на выходном звене. Рассмотрим основные статические характеристики объёмных приводов.

Регулировочная характеристика объёмного привода отражает зависимость скорости v или силы (момента силы) Н на выходном звене от управляющего воздействия x. По графику регулировочной характеристики v=Ф(х) или Н=Ф(х) оценивают линейность регулирования, зону нечувствительности и возможный гистерезис объемного гидропривода.

Нагрузочная характеристика показывает зависимость скорости выходного звена v от силы (момента силы) Н, развиваемой для преодоления внешней нагрузки. Малая кривизна и небольшой наклон графика нагрузочной характеристики v=Ф(Н) свидетельствуют о стабильной работе объёмного привода.

Характеристика энергетических потерь (сокращенно энергетическая характеристика) представляет собой зависимость КПД объёмного привода  от скорости v или силы (момента силы) Н на выходном звене. На графиках =Ф(v) и =Ф(Н) видна область эффективной эксплуатации объёмного привода, в которой КПД имеет приемлемые значения.

К динамическим характеристикам относят временные и частотные характеристики. Под временными характеристиками подразумевают графики движения выходного звена во времени v=Ф(t) и y= Ф(t) при типовом управляющем или нагружающем воздействии. Эти характеристики отражают переходные процессы в объёмных приводах и позволяют оценить быстродействие и колебательность выходного звена при резком изменении управляющего и нагружающего воздействия.

Частотные характеристики представляют собой отношения амплитуд N() и сдвиг по фазе выходного и входного сигналов () в функции круговой частоты  при гармоническом движении объемного привода. Частотные характеристики позволяют в большинстве случаем косвенно оценить динамические свойства объемного привода. Однако рассчитать их по алгебраическим выражениям значительно проще, чем определять временные характеристики решением дифференциальных уравнений.

Понятие о следящем гидроприводе

Следящий привод представляет собой замкнутую активную динамическую систему, управляющую перемещением объекта регулирования. При этом регулируемая величина с той или иной степенью точности воспроизводит приложенное к системе управляющее воздействие. Следящий привод (СП) имеет в своем составе ряд следующих основных устройств (см. рис.1.4).

В измерительном устройстве (чувствительном устройстве) ИУ производится сравнение текущего значения регулируемой величины (например,

Рис.1.4. Структурно-блочная схема следящего привода

угла поворота вала объекта регулирования) с управляющим воздействием и на основе этого сравнения формируется сигнал ошибки – первичный сигнал управления. В измерительное устройство информация о текущем значении регулируемой величины поступает по каналу главной обратной связи.

Схемы измерительных устройств весьма разнообразны. Широкое применение получили измерительные устройства с использованием сельсинов, синусно-косинусных вращающихся трансформаторов и потенциометров. В дискретных СП сигнал ошибки часто формируется в ЦВМ. В этом случае информация о текущем значении регулируемой величины поступает в ЦВМ с цифрового датчика (оптико-механического, индукционного и т.д.) главной обратной связи. Существуют СП, у которых управляющее воздействие в явном виде выделено быть не может. Это относится, например к СП антенн радиолокационных станций автоматического сопровождения, к СП астрономических приборов, предназначенным для слежения за небесными объектами, и т.п. В подобных СП формирование сигнала ошибки производится в специальных устройствах-координаторах.

Преобразующее устройство ПУ следящего привода служит для преобразования сигнала ошибки к виду, удобному для дальнейшего использования. В нем, например, может быть осуществлено преобразование сигнала ошибки переменного тока в сигнал ошибки постоянного тока, если последующие устройства СП работают на постоянном токе. В дискретных СП сигнал ошибки поступает с выхода ЦВМ в цифровом виде; преобразующее устройство в этом случае преобразует указанный сигнал в соответствующее напряжение постоянного или переменного тока. В преобразующем устройстве сигнал ошибки подвергается и дальнейшей обработки, связанной с обеспечением нормального функционирования СП; в этом сигнале уменьшается уровень помех; для придания СП желаемых динамических свойств формируются составляющие, пропорциональные производным или интегралам от ошибки. Последние операции производят в последовательном корректирующем устройстве, входящем в состав преобразующего устройства.

Предварительный усилитель УП предназначен для усиления по напряжению и мощности сигнала, поступающего с преобразующего устройства, до значений, достаточных для управления усилителем мощности УМ. В этом усилителе производится так же сложение названного сигнала с сигналом, поступающим от параллельного корректирующего устройства ПКУ. Предварительный усилитель УП выполняется на электронных лампах или на полупроводниковых элементах. Предварительный усилитель, как правило, конструктивно объединен с преобразующим устройством.

Регулирующее воздействие (например, в виде вращающего момента), непосредственно прикладываемое к объекту регулирования ОР, создается с помощью силовой части СЧ следящего привода. Силовая часть СП состоит из усилителя мощности УМ, исполнительного двигателя ИД и редуктора (механической передачи) МП.

Усилитель мощности УМ предназначен для управления потоком энергии, поступающим от источника энергии ИЭ. Управляющим сигналом для него служит сигнал с предварительного усилителя. При этом мощность, развиваемая на выходе усилителя мощности, во много раз (в сотни и тысячи) превышает мощность управляющего сигнала. В схемах СП находят применение электромашинные, магнитные, электрогидравлические усилители мощности, а так же усилители мощности, построенные на полупроводниковых управляемых диодах (тиристорах) и мощных полупроводниковых транзисторах. В качестве усилителей мощности используются ,кроме того, гидронасосы.

Исполнительный двигатель ИД получает сигнал от усилителя мощности через редуктор (в некоторых случаях редуктор в СП отсутствует) перемещает объект регулирования. Значительное применение в качестве исполнительных двигателей находят электрические двигатели постоянного и переменного тока, гидромоторы и силовые гидравлические цилиндры.

Перемещение исполнительным двигателем объекта регулирования происходит в направлении уменьшения ошибки СП. Если ошибка СП равна нулю, то значение регулируемой величины совпадает со значением управляющего воздействия.

Кроме управляющего воздействия к СП всегда приложены возмущающие воздействия, вызывающие отклонение регулируемой величины от требуемого значения. Основное влияние на работу СП оказывают, как правило, внешние воздействия в виде возмущающего момента на исполнительном валу СП (ветровой момент, момент от сил неуравновешенности и т.д.). Однако в СП существует и внутренние возмущения в виде случайных помех, содержащихся в сигналах (эти помехи возникают, например, из-за наличия коллекторных пульсаций электрических машин, фона выпрямительных устройств и других причин), моментных возмущений, появляющихся при наличии кинематических погрешностей редукторов, и т.д.

Следящие приводы работают в соответствии с установленной для них программой. Эта программа предусматривает обнаружение отклонения регулируемой величины от управляющего воздействия и в конечном счете воздействия на объект регулирования с тем, чтобы свести названные отклонения к нулю. Подобный принцип работы характерен для систем автоматического регулирования, и поэтому СП являются одним из видов этих систем.

Схема СП (см. рис.1) может быть существенно усложнена, если в СП ввести устройства, позволяющие осуществить контролируемые изменения свойств в зависимости от условий его работы. Подобные приспосабливающиеся (адаптивные) СП могут быть построены таким образом, что они оказываются в состоянии производить самоанализ успешности контролируемых измерений своих свойств.

Следящие приводы являются сложными системами. Одна из основных задач, которую приходится решать конструктору при создании СП, - анализ динамики и синтез СП с требуемыми показателями качества (точность, запасы устойчивости и д.р.). При решении этой задачи необходимо располагать уравнениями основных элементов СП и, прежде всего, уравнением его силовой части. Силовые части СП во многих случаях могут быть описаны линеаризованными дифференциальными уравнениями довольно высокого порядка.

Анализ и синтез СП усложняются из-за необходимости учета упругих деформаций и люфта в передаче между исполнительным двигателем и объектом регулирования (что особенно существенно для систем большой мощности), учёта ряда других нелинейностей (ограничение зоны нелинейности предварительного усилителя, ограничение момента, развиваемого исполнительным двигателем, наличие сухого трения на валу объекта и д.р.), учёта дискретного характера управления при использовании в составе СП и других факторов.

Следящие приводы широко применяются во многих отраслях машинной техники: в механизмах рулевого управления автомобилей и тракторов, в рулевых поверхностях самолетов, в станках с копировальными устройствами или числовым программным управлением, в промышленных работах и автоматических манипуляторах, в механизмах управления рабочими органами подъемных, транспортных, строительных, горных и других машин. Следящие приводы могут входить в состав более мощных приводов, выполняя вспомогательные (обслуживающие) функции.