Назначение, классификация и характеристики объемных приводов

Лекция 1. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕМНЫХ ПРИВОДОВ Приводы - составная часть всех машин. Они приводят в движение их рабочие органы с определенной закономерностью, в большинстве случаев обеспечивают необходимую скорость движения, заданное положение (позицию) или нужную силу на рабочем органе. Объемный пневмопривод (сокращенно - объемный привод) отличается от приводов других типов наличием пневмосистемы, в которую входит один или несколько объемных пневмодвигателей (сокращенно - объемных двигателей). В объемном приводе механическая энергия передается рабочей средой (в общем случае жидкостью или газами, в пневмоприводе - только газами) под давлением. Объемный двигатель преобразовывает энергию потока рабочей среды в энергию выходного звена (штока или вала) в процессе попеременного заполнения рабочей камеры рабочей средой и вытеснения ее из рабочей камеры. Схема объемного привода машины показана на рис. 1.1. Режим работы объемного привода задает управляющий орган. Различают объемные приводы с ручным и автоматическим управлением. Ручное управление осуществляет человек-оператор, автоматическое - специальное устройство или в общем случае система управления. Управляющий сигнал х может быть механическим, электрическим, гидравлическим или пневматическим. В зависимости от задачи управления различают объемные приводы стабилизирующий, программный и следящий. В стабилизирующем скорость движения выходного звена поддерживается постоянной, в программном - изменяется по заданной программе. У следящего привода регулируемый параметр выходного звена изменяется по определенному закону в зависимости от внешнего управляющего воздействия, которое заранее неизвестно. К рабочему органу машины энергия А передается механическим узлом, который называется выходным звеном привода. По характеру движения его разделяют на объемные приводы поступательного, поворотного или вращательного движения. Между объемным двигателем и рабочим органом машины может быть дополнительно установлена механическая передача (зубчатая, рычажная, цепная и т.п.). Общую структуру объемного привода можно представить в виде четырех составных частей (рис. 1.2). Источником механической энергии в большинстве случаев служит тепловой или электрический двигатель, называемый приводящим (в общем случае известны также ручные и ножные приводы, для которых источником механической энергии служит человек). Для преобразования механической энергии приводящего двигателя в энергию потока рабочей среды под давлением в объемном приводе используют насос или компрессор. Компрессор подает под давлением сжатый газ (воздух), насос – жидкость под давлением. В некоторых случаях насос или компрессор не входят в состав объемного привода, поэтому по источнику подачи рабочей среды объемный привод разделяют на компрессорный (насосный), аккумуляторный или магистральный. В аккумуляторном пневмоприводе рабочая среда подается в объемный двигатель из пневмо- или гидроаккумулятора, заряженного от внешнего источника. В магистральном пневмоприводе рабочая среда поступает в объемный двигатель от пневмо- или гидромагистрали, не входящей в объемный привод. От объемного пневмодвигателя воздух может поступать в окружающую среду или на вход компрессора. В первом случае объемный привод называют пневмоприводом с разомкнутым потоком, во втором - с замкнутым. Гидроприводы в подавляющем большинстве являются частью замкнутых систем, т.е. от насоса жидкость подается к гидроприводу, а из него – снова к насосу. Вспомогательные устройства 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. Объемные пневмо- и гидромашины, пневмо- и гидроаппаратыаппараты соединены пневмо- и гидролиниями, представляющими собой трубы, рукава, соединения и каналы в корпусах и соединительных деталях. Наиболее важный классификационный признак объемного привода связан с типом управляющего устройства. От него зависит способ регулирования скорости; потери энергии и многие характеристики. По управляющему устройству различают объемные приводы с дроссельным, машинным и машинно-дроссельным управлением. Кроме того, выделяют объемные приводы с управлением приводящим двигателем и противодавлением. Дроссельное управление движением выходного звена осуществляется регулирующим пневмо- или гидроаппаратом. В технической литературе распространен также термин «дроссельное регулирование». Машинное управление движением применимо только к гидроприводу и выполняется регулируемым насосом, регулируемым гидромотором или обеими регулируемыми машинами. Термин установлен ГОСТ 17752-81. Управление приводящим двигателем применимо в основном к объемному гидроприводу и состоит в управлении скоростью движения выходного звена путем изменения частоты вращения приводящего двигателя. Управление противодавлением иногда осуществляют в пневмоприводе созданием противодавления на выходе двигателя. Перечисленная классификация объемных приводов показана на схеме рис. 1.3. В ней приведены только основные (устоявшиеся) классификационные признаки. При рассмотрении других признаков возникают дополнительные наименования. Например, во многих случаях важен характер управляющих сигналов, отрабатываемых объемным приводом. По источнику подачи рабочей среды Компрессорный (насосный) По циркуляции рабочей среды С разомкнутым потоком С замкнутым потоком Аккумуляторный Магистральный По характеру движения выходного звена Поступательного движения Поворотного движения Вращательного движения По управляющему устройству С дроссельным управлением С управлением противодавлением По виду управления С автоматическим управлением По задаче управления Стабилизирующий Программный С ручным управлением Следящий Рис. 1.3. Классификация объемных приводов При этом целесообразно выделить приводы с релейным и пропорциональным управлением Сейчас интенсивно развиваются объемные приводы, управляемые дискретными (импульсными) сигналами и осуществляющие дискретное (шаговое) перемещение рабочего органа. Такие объемные приводы называют дискретными (шаговым) гидро- и пневмоприводами. Функциональные свойства объемных приводов принято оценивать по статическим и динамическим характеристикам, определяемым экспериментальным или расчетным путем. Экспериментальные данные наиболее достоверны. Однако на стадии проектирования объемного привода характеристики можно только рассчитать по уравнениям и формулам. Чтобы существенно сократить число уравнений и формул, целесообразно принять общие буквенные обозначения кинематических, динамических и инерционных величин применительно к двум основным видам движения выходного звена: поступательному (п.д.) и вращательному (в.д.): где y – обобщенное перемещение, l и φ – линейное и угловое перемещения, v – обобщенная скорость, u и Ώ – линейная и угловая скорости, Н – обобщенная динамическая величина, Р – сила, М – момент силы, m – обобщенная инерционная (гравитационная) величина, м – масса, J – момент инерции. Кроме того, обозначим через х - внешнее управляющее воздействие (механический, электрический, гидравлический или пневматический сигнал) на объемный привод. Статические характеристики отражают свойства 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 объемных приводов. Регулировочная характеристика объемного привода отражает зависимость скорости v или силы (момента силы) Н на выходном звене от управляющего воздействия х. По графику регулировочной характеристики v = Ф (х) или Н = Ф (х) оценивают линейность регулирования, зону нечувствительности и возможный гистерезис объемного привода. 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 объемного привода. Характеристика энергетических потерь (сокращенно - энергетическая характеристика) представляет собой зависимость КПД объемного привода η от скорости v (момента силы) Н на выходном звене. На графиках η = Ф(v) и η = Ф(Н) должна быть видна область эффективной эксплуатации, 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 и нагружающем воздействии. Эти характеристики отражают переходные процессы в объемных приводах и позволяют оценить быстродействие и склонность к колебаниям выходного звена при резком изменении управляющего или нагружающего воздействия. Частотные характеристики представляют собой отношения амплитуд W(ω) в функции круговой частоты и сдвиг по фазе выходного и входного сигналов ψ(ω) в функции круговой частоты ω при гармоническом движении объемного привода. Частотные характеристики позволяют в большинстве случаев косвенно оценить динамические свойства объемного привода. Однако рассчитать их по аналитическим выражениям значительно проще, чем определять временные характеристики решением дифференциальных уравнений. Конструктивное совершенство объемных приводов во многом зависит от технического уровня входящих в него пневмомашин. Чтобы оценить технический уровень объемных машин и приводов, используют различные удельные показатели, например, удельную массу γПР объемного привода, удельную работоспособность αДВ объемного двигателя: где mПР и NНОМ - полная масса и номинальная мощность объемного привода; АДВ - работа объемного двигателя за один оборот вала или полный ход штока; VДВ объем пространства, занимаемый объемным двигателем. Эффективная эксплуатация объемного привода зависит от факторов надежности, к которым относится безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость привода. Безотказность характеризуется непрерывным сохранением работоспособного состояния в течение некоторого времени или некоторой наработки. Долговечность оценивают сроком службы и ресурсом, под которыми подразумевают соответственно календарную продолжительность и наработку (в часах) от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. Сохранение значений перечисленных показателей после хранения и транспортирования называют сохраняемостью. Рассмотрим основные преимущества и недостатки объемных приводов. Гидро- и пневмоприводы по сравнению с механическими приводами больше приспособлены к автоматизации производственных процессов благодаря простоте управления, малой мощности управляющего сигнала и непосредственному соединению с гидравлическими или пневматическими управляющими устройствами. Гидро- и пневмолинии, соединяющие источник подачи рабочей среды с объемным двигателем, конструктивно проще, чем механические передачи (зубчатые, цепные, ременные), поэтому основные агрегаты объемного привода удобнее компоновать на машине. Общий недостаток объемных приводов - меньшее значение КПД (до 0,8), чем механических приводов (более 0,9). В результате высокого номинального давления жидкости объемные гидроприводы имеют наилучшие удельные показатели (γПР = 0,3‑2 кг/кВт, αДВ = 60‑200 Дж/м3). К их существенным недостаткам необходимо отнести зависимость характеристик от условий эксплуатации (температуры) и возможность наружных утечек рабочей жидкости (минерального, силиконового или другого масла). Благодаря использованию сжатого воздуха объемные пневмоприводы промышленного назначения имеют конструктивные, эксплуатационные и экологические преимущества, состоящие в простоте устройства пневмодвигателя поступательного движения, полной пожаробезопасности и в значительно меньшем загрязнении окружающей среды. Однако из-за сжимаемости рабочей среды давление у них ограничено (до 1,6 МПа) условием безопасности обслуживающего персонала. При выборе типа привода приходится учитывать не только перечисленные факторы, но и номенклатуру выпускаемых промышленностью гидро- и пневмоустройств, а также условия, в которых будет эксплуатироваться привод.