МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет автоматики и вычислительной техники Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок

Присмотров Н. И., Охапкин С. И.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ

И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ

Учебное пособие

Для специальности 140604

Киров 2010

		Оглавление
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................			4
1 Гидромеханические свойства двигателей................................................................			10
1.1	Рабочие жидкости и их свойства........................................................................		10
1.2	Виды течений жидкости. Гидравлические сопротивления и проводимости 11
1.3	Гидрогенераторы и гидродвигатели..................................................................		15
1.3.1 Шестеренчатые гидромашины.....................................................................			17
1.3.2		Винтовые гидромашины..............................................................................	18
1.3.3		Пластинчатые гидромашины......................................................................	19
1.3.4		Поршневые гидромашины...........................................................................	21
1.3.5		Гидромашины возвратно-поступательного движения.............................	23

1.4. Математическое описание процессов гидромеханического преобразования

энергии........................................................................................................................			24
1.5	Гидромеханические и механические характеристики двигателей.................		27
1.6	Режимы гидромеханического преобразования энергии. ................................		30
1.7	Структурные схемы гидродвигателей..............................................................		36
1.8	Способы регулирования скорости гидропривода ............................................		41
1.8.1		Дроссельное регулирование скорости гидропривода...............................	41
1.8.1.1 Регулирование с параллельным включением дросселя .........................			42
1.8.1.2 Регулирование с последовательным включением дросселя..................			44
1.8.2. Объемное регулирование скорости гидропривода...................................			52
2 Управляющие элементы гидропривода..................................................................			56
2.1	Дроссели ...............................................................................................................		56
2.2	Дросселирующие гидрораспределители...........................................................		58
2.2.1 Дросселирующие золотниковые гидрораспределители............................			58
2.2.2 Дросселирующие гидрораспределители типа сопло-заслонка.................			65
2.3	Регуляторы давления...........................................................................................		69
2.4	Электрогидравлический усилитель мощности................................................		69
2.4.1		Электромеханические преобразователи ....................................................	70
2.4.2		Однокаскадный золотниковый ЭГУ...........................................................	74
2.4.3 Однокаскадный ЭГУ с двухщелевым гидрораспределителем.................			77
сопло-заслонка........................................................................................................			77
2.4.4 Многокаскадные электрогидравлические усилители мощности.............			78
2.4.5 Гидравлические усилители, управляемые электрическими.....................			85
двигателями.............................................................................................................			85
3 Системы регулируемого гидропривода..................................................................			86
3.1	Электрогидравлический привод с дроссельным регулированием скорости 86
3.2	Электрогидравлический привод с объемным регулированием скорости......		88
3.3	Электрогидравлический привод с объемно-дроссельным регулированием
скорости......................................................................................................................			92
4 Применение гидропривода.......................................................................................			94
4.1	Гидроприводы строительных машин ...............................................................		94
4.1.1		Гидропривод стрелы автомобильного крана.............................................	94
4.1.2		Гидропривод трубоукладчика.....................................................................	95

		3
4.1.3		Гидропривод малогабаритных машин.......................................................	96
4.2	Гидроприводы станков и промышленных роботов.........................................		99
4.2.1		Гидропривод многоцелевого станка типа «обрабатывающий центр»....	99
4.2.2		Гидропривод плоскошлифовального станка...........................................	102
4.2.3		Гидропривод вертикально-протяжного станка.......................................	103
4.2.4 Гидросистема промышленного робота «Универсал-15.02» ..................			106
5 Электропневматические приводы.........................................................................			110
5.1	Основы газодинамики......................................................................................		110
5.2	Пневмомеханические свойства пневмоцилиндров.......................................		111
5.3	Дросселирующий пневмораспределитель......................................................		116
5.4	Электропневматический регулируемый привод...........................................		117
5.5	Пневматическая система робота МРЛУ – 200 – 901.....................................		118
Приложение А..........................................................................................................			121
(справочное) .............................................................................................................			121
Приложение В..........................................................................................................			122
(справочное) .............................................................................................................			122
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................			126

4

ВВЕДЕНИЕ

Исполнительные устройства являются важнейшими элементами станков с числовым программным управлением, манипуляторов, автооператоров и т.п. и во многом определяют функциональные, а также точностные показатели их работы. Эти устройства снабжены автоматизированными приводами различного типа. Наибольшее распространение получили три типа привода – гидравлический (ГП), пневматический (ПП), электрический (ЭП). Они различаются принципом действия и функциональными возможностями.

Тип привода выбирается с учетом назначения исполнительного устройства, требований к его техническим характеристикам, а также с учетом стоимости, надежности, удобства обслуживания, эксплуатационных расходов. Например, достаточно широкое применение пневмоприводов обусловлено их низкой стоимостью, простотой конструкции, надежностью. Но вместе с тем мягкие механические характеристики пневмодвигателей не позволяют получить низкие стабильные скорости, что затрудняет создание на их основе замкнутых по положению систем привода.

К достоинствам ГП можно отнести большую удельную мощность по сравнению с ПП и ЭП, высокое быстродействие, жесткие механические характеристики. Все это позволяет создать ГП с любым типом системы управления и с любой грузоподъемностью. К недостаткам ГП можно отнести зависимость его характеристик от температуры, высокую стоимость, ограниченный ресурс, относительную сложность обслуживания.

Электропривод, в силу своих несомненных преимуществ, таких как легкость регулирования координат, относительная простота монтажа и эксплуатации, отсутствие трубопроводов и аккумуляторов энергии, низкий уровень шума при работе, получает все более широкое распространение.

Системы электрического, гидравлического и пневматического привода, при однотипной механической части, несмотря на различие физических процессов протекания электромеханического, гидромеханического, и

5

пневмомеханического преобразования энергии описываются аналогичными дифференциальными уравнениями.

Данное обстоятельство позволяет использовать при анализе и синтезе рассматриваемых приводов аналогии математических моделей двигателей, элементов систем управления, а также видов их эксплуатационно-технических характеристик, режимов работы. Поэтому широко применяемые в теории электропривода при исследовании динамических режимов частотные методы теории автоматического управления, на основе передаточных функций, структурных схем и частотных характеристик, целесообразно использовать и для систем ГП и ПП с целью создания единой методики их исследования.

В настоящее время, несмотря на наличие обширной литературы, отсутствует систематизированное изложение вопросов ГП и ПП с позиций, близких по подходу, методике и терминологии к описанию систем электрического привода. Поэтому выявлению аналогий трёх рассматриваемых типов привода в изложении материала пособия уделено самое пристальное внимание, что по мнению авторов, позволяет значительно облегчить изучение систем ГП и ПП студентам специальности «Электропривод и автоматика».

Принцип действия ГП и ПП основан на использовании энергии давления жидкости или газа. Исполнительными устройствами таких приводов являются объемные гидро- и пневмодвигатели, в которых преобразование энергии происходит в процессе попеременного заполнения рабочей камеры. Поэтому элементы объемных гидро- и пневмоприводов имеют аналогичный принцип действия и сходные конструкции. Разница между ними заключается в том, что в гидроприводе передача энергии от источника к двигателю осуществляется за счет рабочей жидкости, а в пневмоприводе – за счет воздуха.

Гидропривод (пневмопривод) образует совместно с приводимым в движение механизмом единую гидромеханическую (пневмомеханическую) систему. Поэтому как объект изучения ГП (ПП) состоит из гидромеханического преобразователя (ГМП) или пневмомеханического преобразователя (ПМП)

6

энергии и системы управления, а механическая часть включает в себя все связанные движущиеся массы привода и механизма.

Сеть

РС

Гидродвигатель

(пневмодвигатель)

Система управления

UC

Fмех

IC

РРО

ωПД

Q

QД

F,M

F,M

Ммех

Н

ГУ

ГПМ

Р

FРО

ПМ

ПД

ИМ

МРО

(К)

(ПУ)

p

(ПМП)

(П)

МПД

p

υ, ω

υ, ω

υмех

υ РО

ωмех

ωРО

Механическая часть

ИСУ От датчиков обратной связи

От задающих устройств

Рисунок В1 - Схема гидравлического (пневматического) привода.

Соответствующая единому представлению схема ГП (ПП) приведена на рисунке В1. На рисунке В1 поток мощности от сети к исполнительному органу (ИО) представлен стрелками. Потребляемая из сети электрическая мощность РC при определённых значениях напряжения UC , тока IC и частоты fC поступает в энергетическую часть системы управления (СУ).

В состав энергетической части СУ входят приводной двигатель (ПД), гидронасос (Н) или компрессор (К), гидроусилитель (ГУ) или пневмоусилитель

(ПУ). В Н (К) механическая мощность с вала ПД PÏ Ä Ì Ï Ä Ï Ä преобразуется в мощность потока жидкости (газа) P = Q . p. В регулируемом ГП (ПП) в ГУ (ПУ) обеспечивается преобразование расхода (подачи) жидкости (газа) Q или давления р до уровня необходимого для управления работой ГП (ПП). Мощность потока

7

жидкости (газа), подаваемая на гидродвигатель (пневмодвигатель), преобразуется в механическую.

Информационная часть системы управления (ИСУ) вырабатывает воздействия, управляющие энергетической частью СУ, рабочим объектом ГМП (ПМП) и передаточным механизмом ПМ, на основе информации о заданных режимах работы и текущем состоянии ГП (ПП) и протекании технологического процесса.

Гидромеханическое (пневмомеханическое) преобразование энергии осуществляется ГМП (ПМП), которые рассматриваются как идеализированные двигатели, ротор (поршень) которых не обладает механической инерцией, не имеет механических потерь и жёстко связан с реальным ротором (поршнем), входящим в состав механической части ГП (ПП). К такому ротору (поршню) приложен развиваемый момент двигателя (М) или усилие (F) при скорости ω(υ), и вырабатывается соответствующая мощность. Эта мощность передаётся реальному ротору (Р) или поршню (П) и частично расходуется на увеличение запасённой в их массе кинетической энергии и на преодоление моментов (сил) механических потерь двигателя. Оставшаяся часть мощности с вала (поршня) двигателя поступает через передаточный механизм (ПМ) в виде механической мощности в исполнительный механизм (ИМ) и далее к его рабочему органу. На пути от вала двигателя до рабочего органа часть мощности затрачивается на увеличение запаса кинетической энергии движущихся масс ПМ и ИМ, а также на преодоление механических потерь в передачах и механизме.

Механическая мощность РРО представляет полезную мощность на рабочем органе при моменте МРО, усилии FРО и скорости ωРО (υРО).

Поток жидкости (газа) характеризуется двумя основными параметрами: расходом Q и давлением p.

Давление определяет внутреннее напряжение сжатия жидкости (газа) и действует во все стороны одинаково. За единицу его измерения в системе СИ принят паскаль, равный давлению, вызываемому силой в 1 Н, равномерно распределенной по площади 1 м2 (1 Па = 1 Н/м2 ). Часто давление дается в

8

мегапаскалях, 1 МПа = 106 Па = 10,2 кгс/см2 = 10,2 ат. Техническая атмосфера

1ат=1кгс/см2 = 9,81 Н/см2.

Расходом жидкости (газа) или потоком Q называется объем жидкости (газа) V, прошедший через данное сечение S в единицу времени t:

Q V .	(В.1)
t

Единица измерения расхода в системе СИ – м3/с.

Мощность потока жидкости (газа) Р, равная работе за единицу времени, в системе СИ измеряется в ваттах:

P Q p ,

(В.2)

где Q – расход, м3/с; р – давление, Па.

Система управления СУ состоит из информационной части ИСУ и силовой части – гидроусилителя ГУ (пневмоусилителя ПУ), который усиливает мощность электрических сигналов от ИСУ и преобразует ее в мощность потока рабочей жидкости. В пневмоприводах, работающих по упорам, ПУ обычно выполняет функции пневмораспределителя, обеспечивающего реверсирование потока газа.

ИСУ получает командные сигналы от задающих устройств ЗУ и информацию о состоянии привода от датчиков обратной связи ДОС. На основании этой информации в

соответствии с заложенным	алгоритмом
вырабатываются командные сигналы на Н, ГУ,
передаточный механизм ПМ, управляющие
рабочим органом РО.	Рисунок В.2.

Гидродвигатель ГД (пневмодвигатель ПД) преобразует мощность потока жидкости (газа) в механическую мощность.

9

Принцип действия объемного гидропривода легко проследить по простейшей его схеме (рисунок В.2), состоящей из насоса 1 и последовательно

соединенного с ним гидроцилиндра 2.
Движущее усилие при давлении насоса р равно:
	АП p F FТР,		(В.3)
где АП – рабочая площадь поршня;
F – сила нагрузки на штоке гидродвигателя;
FТР – сила трения в гидродвигателе.
Отсюда требуемое давление определяется нагрузкой и трением
p	F FТР		(В.4)
	А
	П

и не зависит в рабочем процессе от параметров насоса. То есть, аналогично электрическим двигателям, обладающим свойством саморегулирования (потребляемый из сети ток определяется нагрузкой), свойство саморегулирования присуще и гидродвигателям, у которых с ростом нагрузки растет давление р.

В рассматриваемом случае производительность насоса QН равна расходу жидкости в гидродвигателе:

QН QГД АП ,			(В.5)
где υ – скорость течения жидкости.
Из уравнения (В.5) следует:
	QН	.	(В.6)
	А
	П

Соотношение (В.6) показывает, что подобно двигателю постоянного тока независимого возбуждения (ДПТНВ), скорость которого определяется величиной приложенного к якорю напряжения, в гидродвигателе скорость пропорциональна расходу жидкости.

Отсюда можно провести аналогию между давлением и силой тока, между расходом и напряжением.