Методическое пособие 477

91

18 МУФТЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ (ЭММ)

ЭММ применяются для автоматического соединения и разъединения ведущего и ведомого валов, регулировки вращающего момента на валу и частоты вращения - все без остановки ведущего вала. ЭММ делятся на три основные группы: индукционные, электростатические и электромагнитные.

Индукционные муфты по принципу работы сходны с асинхронными двигателями с к.з. ротором. Ведущий момент через якорь передается ведомому валу через связанный с ним индуктор. В индукторе катушка возбуждения создает магнитив поток, пересекающий массивное тело якоря, при этом в якоре возникают вихревые токи, взаимодействие этих токов с полем индуктора создает силу, увлекающую индуктор за якорем. При этом для нормальной работы муфты тело якоря должно быть выполнено из стали, удовлетворяющей следующим требованиям:

1)увеличение электропроводности (для создания вихревых токов большой величины );

2)высокая магнитная проницаемость (для уменьшения магнитного сопротивления).

Механическая характеристика индукционной муфты (рисунок18.1) при различном токе возбуждения показывают, что, регулируя ток возбуждения можно плавно и в широких пределах менять частоту вращения ведомого вала и передаваемый момент.

На графике IВ - ток возбуждения ;МС - момент сопротивления, М - момент муфты; n - частота вращения; % - проценты относительно частоты при

МС =0.

При увеличении МС угловая скорость ведомого вала уменьшается. это ведет к увеличению скольжения и возрастанию тока в якоре муфты. Увеличение тока в якоре увеличивает момент, развиваемый муфтой. Однако равновесие наступает при более низкой частоте вращения. Т.о. механические характеристики муфты сильно зависят от МС, поэтому для стабилизации скорости вращения применяются специальные регулирующие устройства.

Электростатические муфты

Основа работы - взаимодействие пластин конденсатора (при подаче напряжения на обкладки между ними возникает сила притяжения

где - диэлектрическая проницаемость среды (абсолютная); S - площадь обкладок;

d - расстояние между ними; U - подаваемое напряжение;

92

Для увеличения передаваемого момента между обкладками конденсатора вставляют диски трения (фиродо). Такие муфты широко применяются в качестве электростатических тормозов.

Наибольшее распространение получили электромагнитные муфты, которые используют силы возникающие между ферромагнитными телами, пронизанными магнитным потоком.

Эти муфты получили широкое распространение вследствие следующих преимуществ:

1)передача больших М вала при небольших затратах Рупр.;

2)малое время срабатывания;

3)малые габариты;

4)удобны в эксплуатации.

Рассмотрим три вида муфт, получивших наиболее широкое распространение: фрикционные, ферропорошковые и гистерезисные.

Фрикционные муфты (рисунок 18.2)

Постоянное напряжение через подвижный щеточный контакт подается на обмотку, выполненную в виде кольца прямоугольного сечения. Подвижная часть муфты (якорь) имеет пазы и может перемещаться по шлицам ведомого вала. В обесточенном состоянии возвратная пружина отодвигает подвижную часть вправо и диски трения не соприкасаются При подаче управляющего напряжения возникает тяговое усилие, подвижная часть муфты перемещаются по ведомому валу и диски трения входят в зацепление. Результирующий момент, развиваемым муфтой:

Как видно, М сильно зависит от Ктр, который определяется материалом дисков изделия. Сталь-сталь-0,15, чугун-чугун-0,15, сталь-чугун-0,3, стальбронза 0,15.

Наибольшее применение находят металлокерамические диски на медной основе кТР=0,3 - 0,4 (со сталью) и железной основе кТР =0,3-0,4. Металлокерамика на медной основе состоит: 68% Сu, 8% олова, 7% Рв, 6% графита, 4% кремния и 7% железа. При производстве дисков порошковые

компоненты прессуются под высоким давлением, а затем спекаются при t=7008000 С.

Металлокерамические диски имеют довольно высокую рабочую температуру (до 2000 С) работают плавно, без заеданий, толщина их невелика,

93

необходимо только обеспечить min перенос (доп.0,02-0,03 мм). Коэффициент практически выполняется 0,3-0,8.

Удельное давление определяется износом поверхностей трения и для металлокерамики 0,8-0,9 Мпа, сталей 0,6-0,4 МПа. Магнитопровод обычно выполняется из магнитомягкого материала (армко), а для быстродействующих - из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью. Для

неответственных муфт с большим часто применяют сталь и чугун (дешево).

В процессе пуска момент, передаваемый муфтой возрастает, т.к. необходимо кроме статического момента нагрузки передать механический момент. При этом пробуксовка должна быть минимальной, т.к. диски могут нагреться и выйти из строя. Момент, передаваемый в режиме пуска,

учитывается коэффициентом запаса: Мпуск=Мк.з., где кз зависит от характера нагрузки: металлорежущие станки кз=1,25-2,5;

краны кз=3-5; центробежные насосы кз=2-3; мельницы, дробилки кз=4,0; воздуходувки кз=1,2-2,0.

Для передачи большого Мпуск нецелесообразно увеличение Dн ,т.к. при этом сильно возрастают габариты муфты, а применяют многодисковые муфты

(рисунок 18.3).

Момент, передаваемый такой муфтой

где n - общее число дисков, Мп -момент пары дисков.

Основные параметры муфт рассчитываются из условия небольшого зазора между магнитом и якорем и возможности применения формулы Максвелла. Тогда

где В– индукция в зазоре;

Sэм - удвоенная площадь полюса.

Откуда

Далее расчет магнитной цепи и катушки ведется по ранее приведенной методике.

На базе электромагнитной муфты находят широкое применение электромагнитные тормоза. У них пружина создает давление на диски в обесточенном состоянии, обеспечивая надежное торможение. При подаче напряжения тяговое усилие электромагнита преодолевает силу пружины и торможение прекращается.

Обобщенное уравнение превращения кинетической энергии (для торможения) в тепло позволяет рассчитать параметры электромагнитного

94

тормоза с точки зрения нагрева. Температура нагрева определяет максимальное число включений допускаемых муфтой.

где I-момент инерции движущихся частей; w0 –начальная угловая скорость;

Мтр - момент трения; тр - угол торможения;

n - число дисков;

с - удельная теплоемкость дисков; m-масса дисков;

доп - допустимая температура материала дисков;

0 - температура окружающей среды.

Недостаток муфт – скользящие контакты. Сейчас разработана муфта с неподвижной катушкой, у которой магнитный поток проходит через ферромагнитные вращающиеся части ведущего и ведомого валов, но момент, передаваемый муфтой, намного ниже, чем у контактной. Находят применение и реверсивные (через паразитную шестерню) муфты.

Динамика муфты.

Различают три этапа включения муфты:

1 - с момента подачи напряжения до момента соприкосновения дисков. Длительность этого этапа, время трогания и время движения определяется только параметрами самой муфты и находится аналогично динамике электромагнитов;

2 – с момента соприкосновения до момента проскальзывания. Для определения времени этого этапа решается уравнение движения ведущих и ведомых частей

где I1 ,I2 - моменты инерции ведущей и ведомой частей передачи; w1 ,w2 - угловые скорости ведущей и ведомой частей;

Мд - момент развиваемый электродвигателем; Мтр - момент трения в муфте; Мн - момент нагрузки на ведомой части.

Введя скорость скольжения wс=w1–w2, из системы уравнений получим:

Решение уравнения возможно только при известных в динамике Мд,

Мтр, Мн. Вообще, Мд=f(w1) является функцией скорости w1, Мтр=f(Fуд,kтр); M\н=f(w2 ,t), но для упрощения решения зависимости Мд, Мтр, Мн

96

c - относительная проницаемость смеси; 0 - проницаемость вакуума;

R – радиус кольца;

L – длина муфты;

Fтр.уд. - удельное усилие, создаваемое магнитным потоком.

Коэффициент управления порошковой муфты (отношение передаваемой мощности к мощности электромагнита) значительно увеличен из-за резкого увеличения проводимости воздушного зазора, заполненного смесью (что позволяет уменьшить необходимую МДС обмотки).

Если положить, что магнитное сопротивление кольца и электромагнита равно нулю и с=const, то

где Iw – М.Д.С. электромагнита.

В действительности из-за насыщения магнитной цепи при больших МДС

М=f(I) близка к линейной, а не квадратичной (рисунок 18.5).

Характеристики муфты в статическом режиме

В первом квадранте: механическая характеристика и нагрузки в функции частоты вращения. Во втором: зависимость момента, передаваемого муфтой, от

тока возбуждения. Если I<I1, момент, передаваемый муфтой, меньше момента нагрузки (при w2=0) и ведомый вал неподвижен. При Ix>1 муфта развивает момент Мa и w2 (скорость двигателя при этом w1). Мощность, отдаваемая двигателем Рд=Мaw, а мощность, передаваемая в нагрузку Рн=Мaw2. Потери мощности равны их разности и пропорциональны заштрихованной части. Они наряду с мощностью в обмотке определяют температурный режим муфты. При I2 - жесткое соединение, w=wmax , М= Мmax, а потери Рп=0.

Для расчета температуры муфты определяют Рп,max, сопоставляя ее с охлаждающей поверхностью таким образом, чтобы ее температура не

превосходила пред=80-1200С, т.е. из условия

где Кн- коэффициент муфты.

При работе муфты на зерна кроме электромагнитных сил Fэм действуют центробежные силы Fц , пропорциональные квадрату угловой скорости. Для оценки влияния Fц вводится коэффициент управления Ку=Fц/Fэм, который увеличивается с ростом R, и уменьшается с ростом В. Даже при очень больших В=1,8 Тл Ку достигает 0,4, если частота вращения 3000 об/мин, а затем приближается к 1 и муфта теряет управление.

97

Поэтому эти муфты применяются только на частоты вращения до 3000 об/мин.

По сравнению с фрикционными ферропорошковые муфты имеют в 10 раз большее быстродействие (т.к. нет подвижного якоря). Изменение момента во

времени для линейной части характеристики М(i) определяется законом роста тока. Поэтому в схемах автоматики порошковая муфта является инерционным звеном первого порядка. Преимуществом является отсутствие изнашивающихся дисков (но абразивная пыль).

Порошковые муфты применяются для получения высокого быстродействия, большой частоты вращения, плавного регулирования скорости.

Гистерезисные муфты.

Выполняются в виде индуктора с постоянными магнитами или электромагнитами. Электромагнитный вариант дает возможность управления муфтой, но имеет существенный недостаток – наличие контактных колец. Муфты с постоянными магнитами обладают высокой надежностью, но регулирование передаваемого момента затруднено. Конструкция муфты с постоянными магнитами приведена на рисунке 18.6. Постоянные магниты укреплены в магнитопроводе, связанным с ведущим валом. На оси ведомого вала размещены кольца из материала, имеющего большие потери на гистерезис (активный слой). Шихтованная структура активного слоя устраняет вихревые токи и возникающий асинхронный вращающий момент. Взаимодействие магнитов с магнитами, возникающими в гистерезисном слое, создает

вращающий момент, передаваемый муфтой Мг .

где Pг – удельные потери от гистерезиса за один цикл;

f1=pw1/2- частота перемагничивания, зависящая от частоты вращения приводного двигателя w, и числа пар полюсов муфты р;

Vг – объем активного слоя.

Таким образом, момент, развиваемый муфтой, не зависит от частоты

вращения. Если момент нагрузки Мн MГ, то скорость ведомой части увеличится до скорости ведомого вала. В этом режиме можно считать, что активный слой становится постоянным магнитом, вращающимся синхронно с полем.

При Мн MГ, муфта переходит в асинхронный режим. На рисунке изображена зависимость скольжения гистерезисной муфты от момента нагрузки. При ММ ведомый вал вращается с синхронной скоростью (s=0, кривая 1). Если момент нагрузки превысит гистерезисный момент, то ведомый вал вращается со скольжением (кривая 2), однако, момент, передаваемый муфтой, остается постоянным, равным MГ. Если активный слой выполнен цельнометаллическим, то, кроме MГ, появляется асинхронный момент Mа

98

(кривая 3), который пропорционален скольжению М=MГ+Mа maxs. При этом момент, передаваемый муфтой, возрастает, но становится зависимым от скорости ведомого вала, рисунок 18.7.

Большим достоинством муфты с шихтованным активным слоем является постоянство передаваемого момента, при изменении нагрузки Mн (поломки механизма, неполадки) на уровне Mг. Т.о. гистерезисная муфта защищает двигатель от перегрузок. Постоянный момент муфты обеспечивает быстрый разгон нагрузки.

Гистерезисная муфта удобна и для быстрой остановки привода. Здесь ведомая часть делается неподвижной и для торможения двигатель отключается, а включается электромагнитный индуктор муфты. Постоянный тормозной момент муфты обеспечивает быструю остановку механизма. Гистерезисные муфты широко применяются также в тех случаях, когда необходимо передать момент в среду с агрессивным веществом, находящимся под высоким давлением. В этом случае применяются муфты с аксиальным рабочим зазором. Ведущая часть с индуктором отделена не магнитной стенкой от ведомой части с активным слоем в виде колец.

99

19 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Для схем автоматики применяется “память”, “время” и др. Память – выполняется на триггерах (рисунок 19.1).

Для двух выходов: один находится всегда в состоянии 0, а другой – 1. При подаче сигнала на А на выходе Q появляется 1, а на выходе Q – 0. Эта информация будет сохраняться до тех пор, пока не будет подан сигнал на вход В. Вторичная подача сигнала на А не меняет состояние триггера. Входы А и В могут быть объединены. Тогда при подаче первого импульса триггер запоминает информацию, а при подаче второго - возвращается в исходное состояние. Это триггер со счетным входом (рисунок 19.1).

Перед рассмотрением работы триггера рассмотрим работу потенциальноимпульсной ячейки (рисунок 19.2а).

При подаче 1 на вход 1 на выходе 4 появляется импульс, равный заряду iзарR1; D - закрыт, а на выходе 3 сигнал отсутствует. После снятия сигнала с выхода 1 С разряжается на R. D - открывается и на выходе 3 появляется положительный импульс. Т.е. такая ячейка служит для превращения длительных сигналов 0-1 в соответствующие импульсы.

Триггер (рисунок 19.2б) работает так: пусть Т1 открыт, а Т2 закрыт, тогда на 8-1, а на 7-0. При большой отрицательный потенциал с коллектора Т2

подается через R3 на базу Т1 и обеспечивает его надежное открытие. Т.к. Т1 открыт, то за счет +Uсм (через R7, R4, T1) создается положительный потенциал на базе Т2, обеспечивающий его надежное закрытие. Т.к. к катоду D2 приложен “+”, а к аноду “-“ (через R8, R10), то D2 закрыт. К катоду D1 приложен “-“, а к аноду 0, т.е. D1 открыт. При подаче 1 на входе 1 происходит заряд С1 через R5, T1 (полярность указана на рисунке 19.2б). Однако на базу Т1 сигнал не поступает (рисунок 19.2а). После подачи 0 на вход нижняя обкладка С1, соединяется с нулевой шиной, а верхняя, имеющая положительный потенциал подается на базу Т1 , и он закрывается. При этом отрицательный потенциал с коллектора Т1 подается на базу Т2 и он открывается. При этом D1 закрывается, а D2 открывается. Т.к. D1 закрыт, то при повторной подаче сигнала на вход 1 Тр не меняет своего состояния. Если же теперь подать и снять сигнал на вход 2, то Т2 закроется, а Т1 откроется и Тр. вернется в исходное состояние. Наличие D1 и D2 обеспечивает нормальную работу при объединении входов 1 и 2. При первом сигнале закрывается Т1, а при втором Т2. R3=R4=R1=R2 - небольшой величины, что обеспечивает стабильность параметров триггера.

Т.к. после подачи команды на вход идет заряд С1 через R5, то число срабатываний триггера на одну секунду не превышает 5000. Для повышения частоты срабатывания до 15000, R5, R8 шунтируют диодами D4, D5.

Элемент времени.

Простейший элемент времени – RС- цепочка Т-301. Для создания больших выдержек служит элемент Т-303 (рисунок 19.3).

100

При отсутствии сигнала на входе Т находится в насыщенном состоянии, т.к. к его базе приложен – Uк через R7. Т.к. Т1 закрыт, то – Uк приложен и к

базе Т3 (через R5, R13, R14). Т3 насыщен и на выходе – 0. С1 заряжается до Uк (т.к. R5<<R13+R14) с указанной на рисунке 19.3. Полярностью. Т3 выполняет

роль элемента ИЛИ - НЕ с двумя резисторными входами R9 и R13+R14.

При подаче на вход сигнала Т1 открывается, происходит перезарядка С1 на обратную полярность (показано в скобках). Эта перезарядка идет от + к – по отношению к базе Т2 по закону:

t

где Т=С1*R7.

Через 0,7Т потенциал базы падает до нуля, а затем до –Uк. Под воздействием +Uб2 Т2 запирается и находится в запертом состоянии до тех пор, пока Uб2 не станет равным нулю. В это время Т3 находится в насыщении за счет iб3 (определяется R8, R9).

После открытия Т2, Т3 запирается +Uсм. На выходе появляется сигнал, который будет держаться до тез пор, пока есть сигнал на входах 1, 2, 3. После снятия входного сигнала Т1 закрывается + Uсм, следовательно, открывается Т3 (через R13, R14) и выходной сигнал пропадает. С1 заряжается через R.5 Т.к. R5<R7, то время заряда С1 значительно меньше времени выдержки. Для правильной работы повторный импульс на вход следует подавать не ранее, чем через (3 - 4)R5С1=(3-4)Т3. В противном случае С1 не будет успевать заряжаться до Uк.

В полной схеме Т-303 для увеличения Ку вместо одного Т2 используются два транзистора, при этом выдержка времени от 1 до 10с (R7<150кОм). Для получения большей выдержки (до 100с) применяются Т-304.

Если Т2 находится в насыщении, то при подаче входного сигнала возможен случай, когда Т1 откроется раньше, чем закроется Т2. При этом на выходе схемы может появиться напряжение – т.е. ложный сигнал. Конденсатор С2 предотвращает появление такого ложного сигнала.

Свойством долговременного запоминания логической информации обладают и ферромагнитные сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. Запоминающее устройство выполняют в виде матрицы, состоящей из отдельных ячеек. Каждая ячейка, запоминающая один бит информации, представляет собой тороидальный сердечник с несколькими одновитковыми обмотками в виде шин, которые пронизывают сердечник (рисунок 19.4а). Это упрощает технологию изготовления и позволяет создать запоминающие устройства из нескольких тысяч сердечников. Для выделения конкретного сердечника из массива всей матрицы используют две шины, расположенные во взаимно перпендикулярных направлениях X,Y. Эти же шины служат одновременно и для фиксации сердечников на плате. Каждый элемент памяти должен быть задан номером строки – Х и столбца – Y, т.е. выбором