Тема 2. Приводы машин и оборудования

2.1. Общие понятия о приводе, классификация, кинематика, область применения

Привод машин – это силовое устройство, сообщающее машине энергию, необходимую для работы. В привод обычно входит источник энергии, передаточный механизм и органы управления. Различают тепловой, электрический, пневматический, гидравлический и другие двигатели и приводы. В приводах используют также нетрадиционные источники (солнечные батареи, энергию ветра), которые перспективны как природоохранные источники.

Привод встраивается в стационарные машины (станки, прокатные станы и другое оборудование), устанавливается на движущихся рабочих машинах, применяется на различных транспортных средствах (автомобили, локомотивы и т. п.).

В качестве стационарного наиболее часто используется электропривод, в котором источником механической энергии является электродвигатель. На передвижных рабочих и транспортных машинах преимущественно применяют тепловые двигатели с непосредственной механической и электрической передачей.

Ведущая роль принадлежит двигателям внутреннего сгорания, которые устанавливают на автомобилях, тепловозах, судах; газовым турбинам – на самолётах, газотурбовозах; ядерным силовым установкам – на ледоколах, подводных лодках. Электропривод получил широкое применение и в коммунальных бытовых машинах (швейных, кухонных, стиральных), инструменте (рубанки, дрели).

Распространены также гидравлический и пневматический приводы (например, в ручных машинах), где источником энергии является жидкость под давлением или подаваемый компрессором сжатый воздух. Объединение электрического привода с машиной позволило создать станки-автоматы, а затем автоматические линии. Автоматизация управления приводом машин позволяет осуществлять регулирование скорости по заданной программе, перераспределение нагрузки, дистанционное включение и отключение, точную остановку или реверсирование движения. Автоматизация привода увеличивает надёжность, повышает производительность работы машин в целом, улучшает условия труда.

Таким образом, привод – это энергосиловое устройство, приводящее в движение машину или механизм. Источником энергии служит двигатель (тепловой, электрический, пневматический, гидравлический и др.) или устройство, отдающее заранее накопленную механическую энергию (пружинный, инерционный, гиревой механизм и др.). В некоторых случаях привод реализуется за счёт мускульной силы (например, в ручных лебёдках, в некоторых счётных, бытовых и других механизмах и машинах - швейных машинах, велосипедах).

Классификация приводов

По характеру распределения энергии различают групповой, индивидуальный и многодвигательный привод. В групповом приводе движение от одного двигателя передаётся группе рабочих машин или механизмов через одну или несколько трансмиссий. Вследствие технического несовершенства групповой привод почти полностью вытеснен индивидуальным приводом, в котором каждая рабочая машина имеет собственный двигатель с передачей. Такой привод позволяет работать при наиболее выгодной частоте вращения, производить быстрый пуск машины и  торможение, осуществлять реверсирование.

В многодвигательном приводе отдельные рабочие органы машины приводятся в движение самостоятельным двигателем через свою систему передач. Такой привод позволяет получать компактную конструкцию машины, применять автоматическое управление; он используется в сложных металлорежущих станках, прокатных станах, подъёмно-транспортных машинах и др.

По назначению приводы машин разделяют на стационарный, т. е. установленный неподвижно на раме или фундаменте; передвижной, используемый на движущихся рабочих машинах; транспортный, применяемый для различных транспортных средств.

В качестве стационарного привода наиболее распространён электропривод, в котором источником механической энергии является электродвигатель; на передвижных рабочих и транспортных машинах используются главным образом тепловые двигатели с непосредственной механической или электрической передачей. В производстве применяются гидропривод машин, а также пневматический привод, в котором энергия вырабатываемого компрессором сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию пневмодвигателями.

Развитие различных систем приводов связано с созданием и совершенствованием двигателей. Уже первые паровые машины (Дж. Уатта, И. И. Ползунова и др.) потребовали применения передач и механизмов управления, которые в комплексе с паровым двигателем позволили получить экономичный, постоянно действующий источник механической энергии, не зависящий от природных условий. В процессе дальнейшего развития приводов были созданы паровые и гидравлические турбины и двигатели внутреннего сгорания. С конца 19 - начала 20 в.в. эти двигатели, объединённые с системами механических передач, стали основным типом приводов транспортных и рабочих машин - автомобилей, самолётов, тракторов, экскаваторов и др.

В начале 20 в. в приводах машин производственного назначения широкое применение получили двигатели электрические (сначала постоянного тока, а затем трёхфазные асинхронные двигатели, имеющие высокий кпд, надёжные в эксплуатации, экономичные). Переход к обслуживанию машин (особенно станков, кузнечно-прессового и др. оборудования) индивидуальным и многодвигательным приводам позволил располагать рабочие машины в необходимой последовательности и подготовить условия для развития в промышленности массового производства.

Объединение электропривода с машиной-орудием позволило, как было указано выше, создать станки-автоматы, а затем автоматические системы машин и перейти к управлению производством с помощью средств вычислительной техники. Электропривод получил также широкое применение в коммунальном и бытовом обслуживании (швейные, стиральные, кухонные машины, электробритвы и т.д.).

В приводах транспортных машин ведущая роль сохраняется за двигателями внутреннего сгорания (в автомобилях, тепловозах, теплоходах), газовыми турбинами (в самолётах, газотурбовозах), ядерными силовыми установками (на подводных лодках, ледоколах, военных кораблях). В начале 70-х гг. 20 в. около 80% суммарной мощности всех существующих двигателей приходилось на долю транспортных.

Для обеспечения сложных по режиму условий работы используются комбинированные приводы, например паровые турбины устанавливаются совместно с тепловыми двигателями или газовыми турбинами, гидропривод комбинируется с электроприводом и т.д. (гидроэлектропривод, газотурбогидропривод и др.).

Мощность привода определяется возможностями примененного в нём двигателя. Диапазон мощностей приводов современных машин очень широк: от десятков мВт (приводы гребных винтов, мощных насосов, вентиляторов аэрогидродинамических труб) до долей Вт (микропривод электрических часов).

Использование передаточных механизмов в приводах машин обусловлено рядом конструктивно-эксплуатационных факторов:

- по условиям компоновки, габаритов, техники безопасности двигатель не всегда возможно непосредственно соединить с исполнительным механизмом;

- требуемые скорости машины обычно не совпадают с оптимальной частотой вращения двигателя;

- в большинстве технологических и транспортных машин необходимо обеспечить регулирование скоростей и возможность работы с большими моментами при малых скоростях (регулирование же скорости двигателя не всегда возможно и экономично);

- двигатели предназначены главным образом для равномерного вращательного движения, а рабочие органы машин осуществляют часто поступательное, винтовое и др. виды движений, а также движение с заданным законом изменения скоростей и т.д.

В приводах машин передачи выполняют с постоянным или регулируемым передаточным отношением. Наиболее часто в приводах используются:

- механизмы, сохраняющие постоянное передаточное отношение (редукторы и мультипликаторы, которые соответственно понижают и повышают частоту вращения);

- коробки передач (скоростей), позволяющие ступенчато изменять частоту вращения;

- вариаторы, обеспечивающие бесступенчатое регулирование числа оборотов и оптимальный скоростной режим;

- различные открытые передачи (ременные, цепные, зубчатые и др.).

Кроме механических передач, в приводах машин используются электрические, гидравлические и др. передачи. Применяется также так называемый встроенный привод, целиком смонтированный в рабочем органе машины (электробарабаны ленточных конвейеров и грузоподъёмных машин, приводные ролики роликовых конвейеров). Аппаратура управления приводов служит для пуска, остановки, изменения направления вращения, регулирования скорости, торможения, защиты двигателей и механизмов машин от перегрузок и повреждений и т.д.

Системы управления приводов могут быть ручными, полуавтоматическими и автоматическими. При ручной системе все операции управления осуществляются аппаратами, непосредственно воздействующими на силовую цепь двигателя (рубильники, контроллеры, реостаты и др.) или на систему его питания, зажигания и т.д. При полуавтоматическом управлении непосредственное воздействие оказывается на специальные командоаппараты (кнопки, педали, командо-контроллеры, путевые и конечные выключатели и др.). Контакты командоаппаратов через вспомогательные цепи реле и контакторов переключают силовые цепи двигателей без непосредственного участия человека. При автоматическом управлении начальный импульс для включения привода посылается механическим или электрическим реле или иными аппаратами (датчиками). В дальнейшем автоматическая работа системы поддерживается и контролируется электрическими, механическими, гидравлическими или др. аппаратами (регуляторами, распределителями, фото- и термоэлементами, логическими, программными, телевизионными устройствами и т.д.).

Автоматизация управления приводов позволяет осуществлять регулирование скорости при заданной программе, регулирование ускорения и замедления, перераспределение нагрузки между приводами, точную остановку или реверс всех или отдельных приводов, защиту от перегрузки и т.п. Применение автоматизации (даже частичной) увеличивает надёжность и точность работы привода, повышает производительность машин в целом, позволяет управлять приводом на расстоянии.

В ряде случаев автоматизация приводов диктуется условиями безопасности труда (нежелательностью пребывания людей в токсичной или пыльной среде, при работе с радиоактивными материалами и т.п.).

Автоматизация управления приводов даёт возможность перейти от индивидуального управления рабочими машинами к автоматическому управлению производственными агрегатами участками, цехами.