Михеев Исполнителные устройства автоматических 2008

Для уменьшения постоянной времени используется добавочное сопротивление, включаемое последовательно с обмоткой управления. Соответственно увеличивается амплитуда импульсов

управления. Так, при Rд=4Rф и Uимп=5Uном ток в обмотке управления при скорости 100 шагов в секунду будет достигать 0,9

Iном. Соответственно улучшается и частотная характеристика. На рис. 5.102 показаны две зависимости M=f(f) для одного из двигателей.

Рис. 5.102

Кривая 1 соответствует управлению двигателем номинальными по амплитуде импульсами, а кривая 2 – импульсами в пять раз большей амплитуды при одновременном включении добавочного сопротивления Rд = 4Rф.

281

6.ГИДРОПНЕВМОДВИГАТЕЛИ

6.1.Общие положения и структурные схемы гидропневмомашин

Кгидравлическим и пневматическим приводам относятся такие, в которых используются гидравлические и пневматические исполнительные двигатели (ИД), являющиеся преобразователями механической энергии потока жидкости или газа (воздуха) в механическую энергию подвижных деталей двигателя – поршня или ротора. Сочетание гидравлического или пневматического ИД с устройством управления им и вспомогательными элементами называют гидравлическим или пневматическим приводом. При индивидуальном источнике питания гидропневмосистемы потоком жидкости или воздуха к гидропневмоприводу (ГПП) относят и насос (компрессор) с первичным двигателем.

Гидравлические и пневматические управляющие устройства непрерывного и дискретного действия весьма просты и компактны, малоинерционны, обеспечивают гибкое и эффективное управление работой ИД в широком диапазоне скоростей при большой плавности регулирования.

Достоинствами современных ГПП, обусловившими их широкое внедрение в САУ, являются:

высокое быстродействие (постоянная времени у современных гидродвигателей высокого давления на один-два порядка меньше, чем у аналогичных по мощности электродвигателей обычного исполнения);

малые удельные габариты и вес (на единицу мощности) двигателей и управляющих устройств ( на один-два порядка меньше по сравнению с электрическими);

более жесткие механические характеристики ИД (в 20 – 30 раз жесткость больше, чем у электрических двигателей постоянного тока);

большие коэффициенты усиления мощности и сравнительно высокие коэффициенты полезного действия;

больший, по сравнению с электроприводом, диапазон устойчивого регулирования скорости (до 1000:1) и плавность ее регулирования;

282

взрывобезопасность из-за отсутствия возможности электрического искрения (что весьма важно при производстве взрыво- и пожароопасной продукции);

высокая радиационная стойкость; большая долговечность и надежность работы (особенно в

стационарных установках).

Пневмоприводы, кроме того, могут работать при весьма высоких температурах (до 800 – 1000о С).

К недостаткам ГПП относятся:

сложность гидравлических и пневматических стабилизирующих и дифференцирующих устройств, необходимых для коррекции систем регулирования;

сравнительно малая скорость передачи сигналов (скорость звука), что накладывает в быстродействующих системах ограничения на длину соединительных линий;

сложность и меньшая гибкость проводки, трудность ее переключения;

существенная зависимость характеристик привода от температуры из-за изменения вязкости рабочих жидкостей.

Обычно используются два вида структурных схем ГПП – с общим источником потока рабочей среды для нескольких ИД (рис. 6.1, а) и с индивидуальным источником для одного ИД (рис. 6.1, б). Первый тип ГПП находит применение в основном в стационарных САУ и выполняется, главным образом, как пневмопривод. В этом случае на предприятии имеется одна центральная компрессорная, питающая все объекты управления и их САУ. Второй тип ГПП чаще всего выполняется как гидравлический привод для стационарных и подвижных объектов.

Поток рабочей жидкости или газа обладает потенциальной энергией, определяемой величиной статического давления, и кинетической энергией, пропорциональной квадрату скорости течения. В большинстве САУ стационарных и подвижных объектов применяются ГПП гидростатического (или объемного) типа, в которых потоки рабочей среды имеют относительно малые скорости (единицы м/с) при достаточно высоких статических давлениях (105 – 107 Па). Поэтому можно считать, что в таких ГПП в механическую работу на выходе ИД

283

преобразуется потенциальная энергия потока рабочей среды. Эти приводы и будут рассмотрены ниже.

В ГПП гидростатического типа управление скоростью ИД производится изменением расхода рабочей среды Q(t), поступающей в ИД (рис. 6.1). Для изменения расхода Q используются или управляющие устройства УУ или насосы переменной производительности, на которые подается управляющее воздействие А(t).

Рис. 6.1

Наряду с ГПП, в САУ применяются гидравлические и пневматические датчики, усилители, реле, вычислительные, корректирующие и другие устройства, позволяющие строить системы автоматического измерения (контроля), управления и регулирования с использованием гидравлики и пневматики. На их основе можно строить различные системы автоматического регулирования и управления объектами химической, металлургической, энергетической промышленности с самыми различными параметрами.

284

6.2. Основные соотношения в гидравлических цепях

Введем некоторые термины, определения, установим зависимости, нужные для анализа характеристик гидропневмоприводов.

Расход жидкости или газа. Пусть по трубопроводу (рис. 6.2, а)

с площадью поперечного сечения S течет с постоянной средней

скоростью υср жидкость или газ. Тогда через любое поперечное течение трубы при непрерывной струе в единицу времени будет

протекать объем жидкости или газа Q = S υср. Эту величину принято называть объемным расходом.

Рис. 6.2

Если средняя скорость движения жидкости или газа непостоянна, то используют понятие мгновенного расхода

Q = dVdt , где V – объем жидкости или газа, прошедший через

сечение S в единицу времени.

Гидравлические сопротивления. При ламинарном течении жидкости или газа по участку трубы скорости отдельных частиц

285

= kТ/S2

различны (рис. 6.2, б) из-за трения слоев жидкости друг о друга и о стенки трубы.

Для ламинарного течения потери энергии струи, определяющие падение статического давления на некотором участке трубы, можно считать пропорциональными средней скорости течения,

поэтому ∆pл = kл υср, где ∆pл – падение давления на участке трубы; kл – коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров трубы, состояния ее внутренней поверхности, плотности и вязкости жидкости. Последнее

	выражение можно записать в виде: ∆pл =	kл	S υср =	kл	Q = Rл Q ,
		S		S

где Rл = kТ/S2 – гидравлическое сопротивление рассматриваемого участка трубы.

Для турбулентного потока падение статического давления принимают пропорционально квадрату средней скорости:

∆рТ = kТ υср2 или ∆p = (kТ/ S2)(S υср)2 = (kТ/ S2)Q2 = RT Q2,

где RT – гидравлическое сопротивление участка трубопровода для турбулентного потока, kТ – коэффициент пропорциональности.

При значениях средней скорости до нескольких м/с течение в трубах носит ламинарный характер. В этом случае гидравлические сопротивления прямых участков труб постоянного сечения и небольшой длины (до нескольких метров) обычно невелики и ими можно, как правило, пренебречь. При резком изменении сечения пути потока (рис. 6.2, в) в результате сильных завихрений потока имеют место большие потери энергии (давления). Такие места на пути потока называют местными (сосредоточенными)

гидравлическими сопротивлениями. Особенно велики падения давления на местных сужениях пути потока, например, при установке в трубе плоской диафрагмы с небольшим проходным отверстием (рис. 6.2, г). Такие устройства, являющиеся местными гидравлическими сопротивлениями большой величины и служащие для снижения давления, называют дросселирующими устройствами или дросселями.

Методика расчета гидравлических цепей. Приближенный расчет гидравлических и пневматических цепей с небольшими скоростями течения рабочей среды можно проводить аналогично

286

расчету электрических цепей, используя соответствующие схемы замещения. При этом необходимо учитывать следующие особенности:

а) большинство насосов (компрессоров) можно рассматривать как генераторы потока (тока), дающие при постоянной скорости приводного двигателя некоторый расход Qн, мало зависящий от давления в цепи (с точностью до расхода утечки через технологические зазоры в насосе);

б) падения давления на участках цепи с ламинарным течением пропорциональны величине расхода в первой степени, а на участках цепи с турбулентным течением – величине расхода во второй степени;

в) сумма падений давления в любом замкнутом контуре равна давлению насоса в этом контуре, а при отсутствии насоса – нулю; г) для непрерывной струи сумма расходов в узлах схемы (в

точках разветвления потоков) равна нулю.

На рис.6.3 приведена в качестве примера схема замещения некоторой гидравлической цепи, в которой гидравлические сопротивления трубопроводов (распределенные сопротивления) заменены сосредоточенными сопротивлениями Rл1, Rл2, Rл3, и Rл4, поскольку течение в них ламинарное. Кроме этого, в цепи имеется

Рис. 6.3

два участка с турбулентным потоком, которые в представлены в виде гидравлических сопротивлений RТ1 (сопротивление RТ2 – переменное).

Для этой схемы можно записать следующие уравнения:

схеме и RТ2

287

pн = ∆ p1 + ∆ p2 + ∆ p5 = Q1(Rл1 + Rл2) + Q32RT1;

pн = ∆ p1 + ∆ p2 + ∆ p3 + ∆ p4 + ∆ p6 = Q1(Rл1 + Rл2) + Q2(Rл3 + Rл4)+ + Q22RT2; Q1 = Q2 + Q3..

Считая заданным расход Q1 = Qн и зная величины всех сопротивлений, из этой системы уравнений можно найти значения

Q2, Q3, и pн.

6.3. Принцип действия и конструкции гидропневмомашин

6.3.1. Определения и классификация

Гидравлическими и пневматическими машинами в приводах называют насосы, компрессоры и двигатели. Насосы (компрессоры) преобразуют механическую энергию перемещения подвижных деталей – плунжера, поршня и т.п. – в механическую энергию потока жидкости (газа). Двигатели производят обратное преобразование. Насосы и двигатели являются обратимыми пассивными преобразователями, т.е. одна и та же машина может выполнять функции и насоса, и двигателя в зависимости от вида подводимой к ней энергии.

В приводах гидростатического типа используются два вида насосов – постоянной и переменной производительности. Насос постоянной производительности (неуправляемый насос) является нереверсивным генератором потока. При постоянной скорости приводного двигателя расход на выходе такого насоса мало зависит (с точностью до расхода утечки через технологические зазоры) от развиваемого им давления. Насос переменной производительности (управляемый насос) является реверсивным генератором потока рабочей среды, расход которого по величине и знаку при постоянной скорости приводного двигателя зависит от величины и знака управляющего сигнала, подаваемого на управляющий вход насоса, и мало зависит от развиваемого им давления. Если за входную величину насоса переменной производительности принять управляющий сигнал, то такой насос будет активным (параметрическим) преобразователем и его можно использовать как управляющее устройство для исполнительного двигателя.

288

Гидропневмодвигатели обычно делят по характеру движения выходного элемента (вала, штока) на двигатели с линейным и угловым (ограниченным и неограниченным) перемещением.

6.3.2.Гидропневмомашины с линейным перемещением

Вприводах САУ широкое распространение в качестве исполнительных двигателей получили машины с линейным перемещением – поршневые и мембранные (рис. 6.4).

Рис. 6.4

В поршневом двигателе одностороннего действия (рис. 6.4, а) в рабочую полость 1 цилиндра 2 подается от насоса или компрессора жидкость или воздух с таким избыточным давлением, чтобы усилие, действующее на поршень 3, превышало силы сопротивления нагрузки и упругие силы возвратной пружины 4. При выполнении этого условия поршень движется вправо и через

289

шток 5 перемещает нагрузку. Обратное движение нагрузки и поршня происходит при снятии давления в рабочей полости за счет упругости возвратной пружины.

Двигатель двухстороннего действия (рис. 6.4, б) получает питание от реверсивного насоса или реверсивного управляющего устройства, благодаря чему разность давлений в рабочих полостях

1 и 2 p Д = p1 − p2 , а следовательно, и усилие, действующее на

поршень, могут иметь разный знак.

Двигатели типа рис.6.4, а и б, часто называемые силовыми цилиндрами, широко используются в приводах непрерывного и дискретного (релейного, позиционного) действия и выполняются с широким диапазоном рабочих перемещений и усилий. Например, гидроцилиндры типа МГП (механизм гидравлический поршневой) при диаметре поршня от 60 до 125 мм и перепаде давления на нем 15 МПа развивают усилие от 30 до 130 кН, имея ход поршня от 25 до 400 мм.

Используя в пневмодвигателях такого типа поршни и сальники с графитовыми уплотнениями, можно работать при весьма высоких температурах двигателя и воздуха – до 800 – 1000 °C.

Назовем статическим режимом работы ИД режим движения поршня (штока) с постоянной скоростью, а статическим режимом идеального холостого хода – движение поршня с постоянной скоростью при отсутствии как внешних сил сопротивления, приложенных к штоку, так и внутренних, обусловленных силами трения поршня о стенки цилиндра и штока о сальники. В этом случае можно считать усилие, приложенное к поршню, равным

нулю и p1 = p2 (рис. 6.4, б). Следовательно, даже при наличии

технологических зазоров между стенками цилиндра и поршнем переток рабочей среды из одной полости цилиндра в другую (поток утечки) в этом режиме работы будет равен нулю. Изменение объема рабочей среды в единицу времени в одной из плоскостей цилиндра, равное при непрерывной струе входному (или выходному) расходу двигателя, определит скорость перемещения поршня:

Qвх = dVdt = S dxdt = SvД ,

290