Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

424

Таким образом, каждому положению плунжера катушки датчика соответствует определенное положение плунжера катушки вторичного прибора. С осью реверсивного двигателя, кроме плунжера, соединяются также записывающие и показывающие устройства прибора.

10.5. Усилительные и исполнительные устройства

Исполнительное устройство системы регулирования – это устройство, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной информацией. Эти устройства состоят из двух основных блоков (исполнительного механизма и регулирующего органа), могут оснащаться дополнительными блоками.

В системах автоматического регулирования исполнительный механизм предназначен для перемещения затвора регулирующего органа, который воздействует на процесс путем изменения пропускной способности.

Основные исполнительные механизмы – беспружинные мембранные, пружинные мембранные, поршневые пружинные; поворотные, многооборотные, прямоходные; пневматические, гидравлические, электрические.

В зависимости от вида используемой энергии и конструктивных особенностей исполнительные механизмы классифицируются на: пневматические, электрические, гидравлические, электропневматические, электрогидравлические, пневмогидравлические, мембранные, поршневые, мембранные гидравлические, поршневые гидравлические. В зависимости от конструктивных особенностей регулирующих органов исполнительные устройства классифицируются следующим образом: заслоночное, односедельное, двухседельное, трехходовое, шланговое.

Электрические исполнительные механизмы. К наиболее широко распро-

страненным электрическим исполнительным механизмам относятся электродвигатель и соленоидный исполнительный механизм.

Двухпозиционный двигатель ДР (рис.10.34, а) состоит из однофазного асинхронного электродвигателя 5 и шестеренчатого редуктора 1, находящихся в общем литом кожухе. Выходной вал редуктора через шайбу 2 может обеспечить поворот регулирующего органа (например, задвижки) на 180°, а через шток 3 можно одновременно осуществить возвратно-поступательное движение другого рабочего органа.

Частота вращения выходного вала зависит от сочетания шестерен в редукторе, которое выбирают при накладке системы. Выключатель 4, расположенный на конце выходного вала, позволяет осуществить двухпозиционное регулирование. Схема его включения показана на рис. 10.34, б. Когда значение регулируемой величины находится в заданных пределах, контакты 6 и 7 управляющего прибора (например, реле) разомкнуты. Пока движок 4 замыкает внутреннее контактное кольцо 3, к которому подключена обмотка статора, и наружное контактное кольцо 8, двигатель и движок 4 вращаются (например, по часо-

425

вой стрелке). Достигнув кольцевого выключателя 1, движок 4 соскакивает с наружного кольца и размыкает цепь. Двигатель останавливается.

Рис.10. 34. Исполнительный двухпозиционный двигатель (а) и схема его включения (б): 1– редуктор; 2– выходной вал; 3– шток; 4– выключатель; 5– электродвигатель

Изменение регулируемого параметра приводит к замыканию контакта 7. Двигатель включается движок поворачивается и снова входит в контакт с наружным кольцом, но уже с нижней его половиной. Регулирующий орган перемещается, пока движок 4 не дойдет до другого концевого выключателя 2. Теперь включение двигателя произойдет только при замыкании контакта 6, т. е, когда параметр достигнет своего нижнего предела, Таким образом, выходной вал делает полуоборот и останавливается, а рабочий орган замыкает при этом то одно, то другое крайнее положение. Скорость выходного вала зависит от передаточного числа.

Исполнительный механизм с двигателем ПР (рис.10.35) (пропорциональное регулирование) по конструкции близок к двигателю ДР. Возможность пропорционального регулирования достигается здесь установкой на одном валу двух электродвигателей. Один из них вращает вал в одном направлении, другой – в противоположном. Кроме того, на выходном валу наряду с концевым выключателем имеется реостат 4, который используется для обратной связи в схеме, обеспечивающей пропорциональное регулирование. В этой схеме, кроме двигателя ПР, имеется балансовое реле БР-2 (катушки 9 и 10 и сердечник 8 с контактами 11 и 12) и управляющий прибор, который пропорционально изменению регулируемого параметра перемещает движок 6 по реохорду 7. Пропорциональное регулирование осуществляется следующим образом. В начальном состоянии вентиль находится в среднем положении (открытие его соответствует средней нагрузке).

Движок 5 находится в центре реостата 4, а управляющий прибор настраивают на заданное значение регулируемого параметра, и движок 6 находится в центре реохорда 7. Ток с клеммы 3 идет на движок 6 и раздваивается. Поскольку сопротивление в левой цепи равно сопротивлению в правой, то сила тока в

426

катушках .9 и 10 одинакова. Сердечник 8 балансового реле находится в нейтральном положении, контакты 11 и 12 разомкнуты, двигатель стоит.

1 – двигателя; 2,15, – катушки катушках 9 и 10 снова станет одинаковым, и 4- реостаты рехорда; 5, 6 −движки серчник 8 реле, разомкнув контакт 12 займет ней-

реле; 13− концевой выключатель; орган займет новое положение, отклонившись 14− контакты концевого выклю- от среднего пропорционально изменению регули-

чателя руемой величины.

При отклонении регулируемой величины в другую сторону движок 6 переместится по реохорду 7 вправо, катушка реле 10 притянет сердечник 8 и замкнет контакт 11.

Ток пойдет в правый двигатель (катушка 15), и вал будет вращаться в противоположном направлении, пока реостат обратной связи снова не восстановит равновесие.

При повороте вала от среднего положения на заданный угол (от 0 до 180° в зависимости от регулировки) концевой выключатель разрывает левый или правый контакт 14 и останавливает двигатель.

Соленоидные (электромагнитные) вентили СВ служат для преобразования электрического импульса в двухпозиционное перемещение клапана: при наличии напряжения в электромагнитной катушке клапан открыт, при отсутствии напряжения закрыт.

Для открытия клапанов большого диаметра требуется сравнительно большое усилие. Чтобы уменьшить мощность (и соответственно габариты) электромагнита, в конструкции СВ обычно имеется гидравлический усилитель.

По принципу действия различают поршневые и мембранные (СВМ) соленоидные вентили. На рис. 10.36, а приведена схема поршневого соленоидного вентиля. При отсутствии тока управляющий клапан 5 перекрывает центральное отверстие в поршне-клапане 6. Поступающая жидкость через калиброванное отверстие в поршне-клапане 6 или по специальной канавке, имеющейся на его

427

наружной поверхности, попадает в полость над поршнем 6. Давление жидкости и вес клапана обеспечивают плотное его закрытие. При появлении тока в катушке 1 сердечник 2 втягивается в катушку и, ударяя по корончатой гайке 4, поднимает разгрузочный (управляющий) клапан 5.

Рис.10.36. Схемы поршневого (а): 1– катушка; сердечник; 3– трубка; 4– гайка; 5– равляющий клапан; 6– поршень; 7– седло; 8– винт; б) мембранного соленоидного

вентиля: 1– мембрана; 2– щель; 3– основной клапан; 4– отверстия; 5–пружина; 6– управляющий клапан

Жидкость из верхней полости поршня 6 стекает через центральное отверстие, и давление ее падает. Под действием силы электромагнита и давления жидкости, поступающей снизу (поскольку верхняя площадь кольцевой выточки поршня больше площади перекрываемого отверстия), поршень перемещается вверх до полного открытия. Катушка 1 отделена от жидкостной полости трубкой 3 из немагнитного материала. Винт 8 служит для принудительного открытия клапана. Для лучшего уплотнения в основном клапане предусмотрена резиновая прокладка, которая прилегает к латунному седлу 7. Центральное отверстие в поршне не должно быть намного больше калиброванного отверстия (или площади сечения продольной канавки), иначе клапан будет очень быстро закрываться (менее чем за 0,3 с), и произойдет недопустимое повышение давления в трубопроводе до вентиля [свыше (16…20)∙105 Н/м2], что может вызвать гидравлический удар и разрыв трубопровода.

В мембранном соленоидном вентиле камера над основным клапаном (рис. 10.36, б) отделена от напорной линии мембраной 1 из прорезиненной ткани. Поступающая жидкость, проходя через фильтрующую щель 2 и отверстие 4, заполняет полость над мембраной. Давление ее и сила пружины 5 закрывают основной клапан 3. При включении катушки управляющий клапан 6 поднимается, жидкость вытекает из полости над мембраной по вертикальному каналу в основном клапане и давление ее падает. Тогда давление поступающей жидкости на мембрану снизу преодолевает силу пружины 5 и открывает клапан.

Гидравлические и пневматические исполнительные механизмы. Широкое место в строительных машинах занимают гидравлические и пневматические исполнительные механизмы. В гидравлических, пневматических, а также сме-

428

шанных системах автоматического регулирования в качестве исполнительных элементов широко используются гидравлические или пневматические сер- вомоторы—силовые элементы, преобразующие энергию потока жидкости или газа (воздуха) в механическую энергию перемещения поршня, поворота лопасти или вращения выходного вала.

Гидравлические и пневматические сервомоторы просты по конструкции, весьма надежны в работе. Они отличаются небольшими размерами, долговечностью и наряду с этим обеспечивают весьма большие перестановочные усилия, небольшой инерционностью, так как масса их подвижных частей мала. Полоса пропускания частот гидравлических и пневматических сервомоторов достаточно велика. В этих сервомоторах легко достигается любое изменение скорости их перемещения — от нулевой до максимальной расчетной. Благодаря перечисленным свойствам рассматриваемые сервомоторы весьма удобны для использования в системах автоматического регулирования. Из гидравлических сервомоторов наиболее распространены поршневые, лопастные и роторные. Поршневые исполнительные элементы представляют собой сервомоторы с поступательно движущимся поршнем, лопастные сервомоторы являются исполнительными элементами с поворотным поршнем (лопастью), а сервомоторы роторного типа осуществляют непрерывное вращение выходного вала. Поршневой сервомотор (рис. 10.37) состоит из цилиндра 1, поршня 2, крышки 3 и штока 4.

Рис. 10.37. Поршневой сервомотор 1− цилиндр; 2 − поршень; 3 − крышка; 4 − шток

При подаче жидкости под давлением в левую часть цилиндра 1 поршень со штоком перемещаются вправо, при подаче жидкости в правую часть цилиндра поршень со штоком перемещаются влево. Одна из разновидностей поршневых сервомоторов – мембранные сервомоторы, У которых поршень мембраной. Они применяются в тех случаях, когда перемещения органа управления регуляторов сравнительно невелики или требуется тщательная герметизация рабочей жидкости от окружающей среды. Сервомоторы с поворотным поршнем (рис.10.38) вследствие больших технологических трудностей и утечек рабочей жидкости менее распространены, чем сервомоторы с поступательно движущимся поршнем.

429

В существующих конструкциях сервомоторов с одной лопастью предельный угол поворота выходного вала обычно не превышает 300°, а в сервомоторах с двумя лопастями – 340°.

Рис. 10. 38. Поворотный однолопастный сервомотор: 1–цилиндр; 2– крышка; 3– лопасть

Для преобразования энергии потока рабочей жидкости во вращательное движение используются роторные сермоторы.

С целью бесступенчатого регулирования скорости нагрузки между сервомотором и нагрузкой устанавливаются гидравлические бесступенчатые преобразователи скорости вращения — муфты с объемным управлением ( рис. 10.39) или дроссельные механизмы.

Рис. 10.39. Схемы гидромуфт: а) − радиальная; б) − аксиальная; в) − лопастная

При объемном регулировании применяется насос переменной производительности, при плавном изменении давления происходит плавное изменение частоты вращения вала гидромотора или движения штока гидроцилиндра. Такой способ регулирования обеспечивает наивысший коэффициент полезного действия в широком диапазоне регулирования. При дроссельном регулировании жидкость, подаваемая насосом, разделяется на два потока: первый поступает в гидромотор (гидроцилиндр), второй возвращается в бак. Этот способ регулирования неэкономичен, так как насос постоянно работает при полной нагрузке; применяется он лишь в гидроприводах малой мощности.

Основным элементом гидропривода является насос, который может быть шестеренчатым, лопастным, аксиальноили радиально-плунжерным. Наиболее распространены шестеренчатые насосы, простые по конструкции, надежные в работе и пригодные для использования в режиме гидромотора.

430

На рис. 10.40 изображена принципиальная схема гидравлического исполнительного устройства с объемным управлением. Частота вращения вала сервомотора регулируется изменением рабочего объема гидронасоса. Изменение объема насоса при постоянной частоте вращения его вала приводит к изменению подачи насоса на один оборот, т. е. к изменению производительности насоса.

Рис. 10.40. Принципиальная схема гидравлического исполнительного устройства: 1−гидронасос;2−управляющее устройство;3−электродвигатель;4−предохранительные

клапаны;5− сервомотор; 6− редуктор; 7− нагрузка; 8 − шестеренчатый насос; 9 − редукционный клапан; 10 − подпиточные клапаны

Обычно объемное регулирование гидронасоса применяется при постоянном рабочем объеме сервомотора, соответствующем максимальному крутящему моменту. Частота вращения вала сервомотора регулируется изменением рабочего объема гидронасоса. Изменение объема насоса при постоянной частоте вращения его вала приводит к изменению подачи насоса на один оборот, т. е. к изменению производительности насоса. Обычно объемное регулирование гидронасоса применяется при постоянном рабочем объеме сервомотора, соответствующем максимальному крутящему моменту.

При постоянном рабочем объеме и постоянной нагрузке на его валу частота вращения вала сервомотора пропорциональна производительности гидронасоса. Направление вращения вала определяется направлением потока жидкости. Пневматические исполнительные устройства применяются реже гидравлических. По принципу действия они практически сходны. На рис. 10.41 изображены общая схема и механизм поворота исполнительного устройства бурильного молотка — перфоратора. Под действием сжатого воздуха, поступающего в верхнюю часть цилиндра 1, поршень-ударник 2 наносит резкий удар по хвостовику 3 бура, в результате чего коронка 9 ударяется по породе и углубляется в нее на незначительную глубину. При холостом ходе сжатый воздух поступает в нижнюю полость цилиндра и поднимает поршень-ударник.

431

Рис. 10. 41. Бурильный молоток (перфоратор)

а – общая схема; б – механизм поворота; 1– цилиндр; 2 – поршень-ударник; 3– хвостовик бура; 4 – храповая букса; 5 – стержень; 6 – собачка; 7 – поворотная букса; 8 – шлицы хвостовика; 9 – коронка бура

Изменение направления подачи воздуха производится с помощью золотникового устройства. Механизм поворота состоит из храповой буксы 4, стержня 5 со спиральными канавками поршня 2, закрепленного на стержне, и поворотной буксы 7. Шлицы 8 хвостовика стержня 5 входят в шлицованное отверстие поворотной буксы 7. При рабочем ходе поршня-ударника 2 (вниз) поворачивается (по стрелке) храповая букса 4. Этому способствуют винтовые канавки на стержне 5. При холостом ходе поршня храповая букса, упираясь в собачки 6, остается неподвижной и заставляет проворачиваться стержень 5, а вместе с ним

иповоротную буксу 4 с буром. Бур состоит из хвостовика 3, коронки 9 и соединяющего их стержня. Буры обычно изготовляются из шестигранной стали, имеющей внутренний продольный канал, по которому подается воздух (вода) для продувки (промывки) шпура.

Электромашинные и тиристорные усилители. Под электромашинным уси-

лителем (ЭМУ) обычно понимается электрическая машина, получающая слабый электрический входной сигнал (или сумму сигналов) и повторяющая этот сигнал на выходе со значительным усилением его мощности за счет энергии, получаемой от приводного двигателя, питающегося от постороннего источника электрической энергии.

Из многочисленных разновидностей электромашинных усилителей (ЭМУ) наибольшее распространение имеют два типа, а именно ЭМУ поперечного поля

иЭМУ с самовозбуждением.

ЭМУ поперечного поля представляет собой генератор постоянного тока, имеющий на якоре обмотку, типичную для машин постоянного тока. Его шихтованная магнитная система выполняется с явно и неявно выраженными полюсами. На коллекторе расположены две пары щеток; а-а и б-б (рис. 10.42). Поперечные щетки бб замкнуты накоротко. ЭМУ является двухкаскадным усилителем. Первым каскадом считается его часть от обмотки управления ОУ1 до короткозамкнутых щеток б-б, а вторым – от щеток б-б до выхода. При появлении даже малого потока Фа, созданного обмоткой ОУ1,в цепи короткозамкнутых щеток возникает значительный ток iб,, так как сопротивление этой цепи

432

мало. Ток iб создает значительный поперечный поток ЭМУ Фб, который наводит э д с в выходной цепи Евых.

Рис. 10.42. Схема электромашинного усилителя: а) − схема усилителя; б, в) − характеристики усилителя

Ток выходной цепи Iя создает поток реакции якоря по продольной оси, уменьшающий поток Фа. Для ослабления действия реакции якоря по продольной оси в усилителе размещается компенсационная обмотка КО, действие которой может быть большим или меньшим в зависимости от положения ползуна реостата.

ЭМУ с самовозбуждением представляет собой генератор постоянного тока, который в отличие от обычного имеет обмотку самовозбуждения, подключенную к якорю, и одну или несколько обмоток управления. По существу обмотка самовозбуждения выполняет функцию положительной обратной связи по напряжению.

Такой усилитель может иметь значительно большие коэффициенты усиления по мощности, напряжению и току, чем обычный генератор (коэффициент усиления по мощности обычно возрастает в 5…15 раз),

Тиристор — управляемый полупроводниковый вентиль, имеет четырехслойную кремниевую структуру типа р-п-р-п (рис. 10. 43) с двумя крайними и двумя внутренними областями.

Частота вращения вала сервомотора регулируется изменением рабочего объема гидронасоса. Изменение объема насоса при постоянной частоте вращения его вала приводит к изменению подачи насоса на один оборот, т. е. к изменению производительности насоса.

Рис.10.43. Управляемый вентиль Внешние выводы присоединяются к двум крайним и одной внутренней базовой области. Если на анод (внешний р-слой) подан потенциал положительный относительно катода (внешний n-слой), то при приложении между анодом и катодом тиристора положительного напряжения через прибор начинает протекать слабый ток. При подаче на цепь управляющего электрода положительного потенциала общий ток, проходящий через управляемый полупроводниковый вентиль, возрастает вследствие эффекта

433

транзисторного усиления и небольшая мощность, затраченная в цепи «управляющий электрод—катод», изменяет во много раз мощность в цепи анода.

Свойства и характеристики управляемых кремниевых вентилей-тиристоров позволяют создавать качественно новые системы управления электрическим приводом постоянного и переменного тока. Тиристорный привод имеет следующие преимущества: бесступенчатое регулирование, незначительную мощность управления, постоянную готовность к включению, возможность работать при вибрации, тряске, ударах. Применение тиристорных преобразователейусилителей обеспечивает плавность пусковых режимов, улучшение работы механической части, повышение КПД, снижение веса и габаритов аппаратуры, что имеет существенное значение для самоходных машин. Используя тиристорный привод, можно осуществить быстрый переход от автономного источника питания к питания от сети строительной площадки.

Пневматические и гидравлические усилители Применяемые в технике пневмо- и гидроусилители разделяются на два основных класса: дроссельные усилители и струйные. Пневмоусилители и особенно гидроусилители отличаются большим коэффициентом усиления, надежностью, простотой и компактностью конструкции, благодаря чему они широко применяются в технике автоматического регулирования. На рис. 10.44, а показан усилитель с золотниковым управляющим элементом. Рабочая жидкость под давлением Р1 (несколько атмосфер) поступает в управляющий золотник через трубку 1. Трубки 2 сообщаются с внешней средой, через них происходит слив рабочей жидкости. При нейтральном положении поршня золотника окна 4 перекрыты, и давление жидкости в верхней и нижней камерах механизма одинаковое.

Если же поршень 3 переместится вверх, то верхнее окно 4 приоткроется, и в верхнюю камеру цилиндра механизма 5 начнет поступать жидкость, подводимая к золотнику под давлением Р1.

Рис. 10.44. Гидравлические и пневматические усилители а) − усилитель с золотниковым управляющим элементом; б) − усилитель со струйной

трубкой; в) − усилитель с соплом и заслонкой; 1, 2 − трубки; 3 − поршень золотникового устройства; 4 −окно; 5 − поршень рабочего механизма; 6 − струйная трубка; 7−приемные канна

лы; 8 − поршень рабочего механизма; 9 − сопло; 10 − заслонка; 11 − дроссель; 12 − исполнительное устройство