3 Статичні характеристики виконавчих механізмів та електродвигунів

3.1 Механізми

При розгляді роботи електродвигуна, який приводить до руху виконавчий механізм, слід виявити відповідність статичних характеристик двигуна статичним характеристикам виконавчого механізму.

Наприклад, для обертальних електроприводів залежність між зведеними до вала електродвигуна швидкістю та моментом опору механізму називають механічною характеристикою виконавчого механізму

де - зведена до вала електродвигуна кутова швидкість виконавчого органа механізму, ;

- зведений до вала електродвигуна статичний момент опору виконавчого органу механізму, .

Різні виконавчі механізми мають різні механічні характеристики. Усе різноманіття виконавчих механізмів можна умовно поділити на чотири групи з приблизно однаковими механічними характеристиками. Для усіх цих чотирьох груп механізмів можна записати одну загальну емпіричну залежність яка являє собою механічну характеристику механізму:

, (3.1)

де - момент статичного опору механізму на подолання тертя у рухомих частинах механізму, ;

- статичний момент опору механізму, при номінальній кутовій зведеній швидкості , ;

- показник степеня, що характеризує зміну момента опору при зміні кутової швидкості.

Величина цього показника у решті решт і є тим параметром, що суттєво впливає на вид механічної характеристики, а отже і визначає належність механізму то тієї, чи іншої групи (класу), дивись рисунок 3.1.

Рисунок 3.1 – Механічні характеристики виконавчих механізмів.

І клас. До цього класу належать усі механізми, у яких статичний момент опору не залежить від величини швидкості. Механічна характеристика таких механізмів має вигляд прямої лінії, паралельної осі ординат.

У відповідності до рівняння (3.1) показник степеня впливу швидкості на момент опору має бути . При такому значенні рівняння (3.1) буде мати вигляд

,

тобто, математично, це є пряма паралельна осі ординат, яка відступає від цієї осі на відстань .

Таку характеристику мають (відносяться до І класу) такі механізми:

- вантажопіднімальні машини;

- лебідки;

- механізми подачі верстатів;

- виконавчі органи більшості роботів й таке інше.

До першого класу також можна віднести конвейєри зі сталою масою матеріалу, що переміщується, а також більшість (з певною мірою наближення) механізмів, у яких основним моментом опору є тертя, оскільки у нормальних межах робочих швидкостей момент тертя змінюється мало. (Суттєво момент тертя збільшується при швидкостях які значно перевищують швидкість звичайних механізмів. А при швидкостях космічних і близьких до космічних, тертя стає основним чинником підвищення опору.)

ІІ клас. До другого класу належать усі механізми, у яких статичний момент опору зростає при зростанні швидкості лінійно, так звана лінійно зростаюча механічна характеристика, вона має вигляд похилої прямої. У відповідності до рівняння (3.1) показник степеня впливу швидкості на момент опору повинен дорівнювати одиниці

.

При такому значенні рівняння (3.1) буде мати вигляд

,

, (3.2)

де - стала величина.

Тобто рівняння (3.1) набуває вигляд рівняння (3.2) – класичний вигляд рівняння прямої лінії, яка не проходить через початок координат ( ). Для спрощення, у багатьох випадках можна знехтувати , особливо при малих швидкостях, тоді ця характеристика пройде через початок координат, а рівняння (3.2) набуде вигляду , тобто рівняння прямої, що проходить через початок координат.

Механізмів з такою характеристикою не багато, класичним прикладом механізму з такою характеристикою є генератор постійного струму незалежного збудження, який працює на сталий зовнішній опір.

ІІІ клас. До цього класу належать усі механізми, у яких статичний момент опору нелінійно збільшується при зростанні швидкості, тобто механічна характеристика є нелінійно зростаючою. У відповідності до рівняння (3.1) показником степеня впливу швидкості на момент опору повинно бути число більше одиниці, найчастіше

,

а у окремих випадках може бути

.

При таких значеннях рівняння (3.1) буде мати вигляд

,

, (3.3)

де - така ж сама стала величина.

Тобто рівняння (3.3) у математичному вигляді набуває характер параболи. А, наприклад, при знехтуванні моментом тертя й показникові , рівняння набуває вигляду звичайної параболи ( ).

Класичним прикладом виконавчого механізму з такою характеристикою є вентилятор. З цих причин механізми ІІІ класу ще називають механізмами з вентиляторною характеристикою. Їх чудовою властивістю є те, що при малих швидкостях – навантаження мале, з ростом швидкості опір зростає. Тобто фізично їх практично неможливо запустити до руху під навантаженням (запуск при неробочому ході).

До ІІІ-го класу, крім вентиляторів, належать механізми:

• відцентрові насоси;

• компресори;

• гребні гвинти повітряних та водяних суден;

• центрифуги;

• сепаратори;

• гіроскопи й таке інше.

Для надшвидкісних механізмів, наприклад, центрифуг, частота обертання яких сягає 100000 об/хв, коефіцієнт може сягати числа 4.

Нелінійне зростання момента опору при зростанні швидкості таких механізмів є згубним при створенні швидкісних об’єктів що рухаються у щільному середовищі (з великою в’язкістю), наприклад, у воді порівняно з повітрям. Якщо середовище при русі об’єкта у середовищі з різною в’язкістю (надводні об’єкти, середовище – вода й повітря) то для зменшення величини степеня (зменшення залежності момента опору від швидкості) використовують підводні крила, що дає підстави створити більш швидкісні надводні рухомі об’єкти (при прийнятій потужності енергетичної установки).

ІV клас. До цього класу належать усі механізми у яких статичний момент опору зменшується нелінійно при збільшенні швидкості тобто механічна характеристика є нелінійно-спадною. У відповідності до рівняння (3.1) показником степеня впливу швидкості на момент опору повинен бути число менше нуля, головним чином .

При таких значеннях рівняння (3.1) буде мати вигляд

,

, (3.4)

де - така ж сама стала величина.

Тобто рівняння (3.4) у математичному вигляді є рівнянням обернено-пропорційної залежності. А, наприклад, при знехтуванні , рівняння набуває вигляду - звичайної симетричної гіперболи.

Класичним прикладом механізмів ІV класу (з обернено-пропорційною механічною характеристикою) є механізми оброблювальних верстатів різанням (токарні, фрезерні й інші верстати). Тут чим більшою буде швидкість механізму, тим меншу слід мати подачу – менший момент опору (чистова обробка) і навпаки, чим менша буде швидкість механізму, тим більший слід мати момент опору – більшу подачу (чорнова обробка, обдирання). Аналогічними характеристиками володіють також металургійні мотавки й інше промислове обладнання.

Для відповідних значень показника степеня чотирьох класів виробничих механізмів у відповідності з рівнянням (3.1) можна одержати наочну картину подану у таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 – Якісна характеристика класів виробничих механізмів.

Клас ви­робничо­го меха­нізму	Показник ступеня у рівнянні (3.1)	Перетворення рівняння (3.1)	Аналітичний вираз рівняння (3.1) (каноніч­ний)	Назва залежності
Клас 1				Пряма паралельна осі ординат
Клас 2				Похила пряма
Клас 3				Парабола
Клас 4				Обернено-пропорцій­на залеж­ність

Слід відзначити, що у реальних умовах реальні механізми мають низку властивостей, із-за яких важко однозначно й цілком визначено віднести його до одного з чотирьох названих класів. Тому поділ на такі класи у певній мірі є умовним.