1.4. Математическое описание процессов гидромеханического преобразования

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

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:

Единица измерения расхода в системе СИ – м3/с.

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

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

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

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:

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.