КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
Электромагнитные муфты Как было указано выше, в некоторых автоматических системах применяются электромагнитные муфты. Последние, являясь промежуточными элементами между приводным двигателем и ведомым валом и обладая переменным скольжением, позволяют регулировать частоту вращения выходного вала системы. Значение скольжения зависит от управляющего напряжения, поступающего на вход электромагнитной муфты с предыдущего элемента системы. Следует отметить, что энергия, затрачиваемая в цепи управления муфты, незначительна по сравнению с энергией, передаваемой ведомому валу от двигателя. Небольшие массы муфты не требуют большого по мощности управляющего сигнала, вследствие чего их быстродействие значительно выше, чем у реверсивных двигателей. В зависимости от способа создания переменного скольжения электромагнитные муфты можно разделить на два основных типа: муфты трения; муфты скольжения. 187 У муфт первого типа вращающий момент на выходном валу создается путем трения, а у муфт второго типа вращающий момент возникает в результате взаимодействия токов, возникающих в якоре, с вращающимся магнитным потоком индуктора. В свою очередь муфты трения бывают двух видов: муфты сухого трения; муфты вязкого трения. Муфта сухого трения представляет собой устройство, которое связывает ведомый вал с валом приводного двигателя за счет поджатия электромагнитом фрикционного элемента. При выключении электромагнита ведомый вал и вал приводного двигателя разобщаются. В качестве примера представлена схема реверсивной муфты сухого трения (рис. 6.13). Рисунок 6.13. Муфта сухого трения Шестерни 2 и 3 вращаются с постоянной скоростью от приводного электродвигателя 1. Управление осуществляется при помощи электромагнитов 6 и 13, на обмотки 5 и 12 которых поступают сигналы от управляющего устройства. При включении электромагнита 13 его якорь 11 поджимает фрикционный диск 15 к торцу шестерни 2. Шестерня 10 жестко связана с якорем 1 электромагнита и фрикционным диском 15, поэтому вращение ведущего вала 16 приводного двигателя 1 через шестерню 2, фрикционный диск 5 и шестерню 0 передается к выходному (ведомому) валу 9. При отключении электромагнита 13 диск 15 отводится от шестерни 2 пружиной 14. Для вращения ведомого вала 9 в обратную сторону необходимо подать управляющий сигнал на обмотку 5 электромагнита 6. Под действием магнитного потока, создаваемого обмоткой 5, якорь втягивается и фрикционный диск 4 поджимается к торцу шестерни 3. В этом случае вращение шестерни 3 через фрикционный диск 4 и шестерню 8 передается на 188 выходной вал 9, который будет вращаться в обратную сторону. Фрикционные диски 4 и 15 изготавливаются из стали, чугуна, бронзы, пластмассы, фибры и других материалов. Достоинством электромагнитных муфт сухого трения является малая мощность управления, а основным недостатком – неплавный характер изменения частоты вращения ведомого вала. Принцип действия муфт вязкого трения (иначе называемых порошковыми или магнитно–эмульсионными) основан на эффекте сцепления двух поверхностей, разделенных зазором с ферромагнитным наполнителем, который изменяет свою вязкость под действием магнитного потока. Если ферромагнитный наполнитель поместить в магнитное поле, то сцепление между частицами увеличивается и они лишаются относительной подвижности. Наполнитель, помещенный между поверхностями ведущей и ведомой частей муфты, может осуществлять между ними связь при создании магнитного поля путем пропускания электрического тока через обмотку электромагнита, расположенного соответствующим образом. Ферромагнитный наполнитель представляет собой смесь ферромагнитного материала и смазывающей среды и обычно называется ферромагнитной суспензией. Последние могут быть выполнены на твердой и жидкой основе. В качестве ферромагнитного материала, который является основным элементом суспензии, применяется карбонильное железо с размерами частиц от 0,5 до 50 мкм. Суспензии на твердой основе выполняют в виде смеси порошка карбонильного железа с тальком, графитом, окисью цинка. Для суспензий на жидкой основе применяется жидкость, имеющая малую вязкость и химически стойкая относительно железа (керосин, машинное масло, хлористый бензол, специальные масла). Упрощенная схема порошковой муфты изображена на рисунке 6.14. Рисунок 6.14. Порошковая муфта сухого трения 189 Ведущая 2 и ведомая 4 части представляют собой стальные диски, насаженные на ведущий и ведомый валы. Управляющая обмотка 3 уложена в корпусе 1. Промежуток между ведущим 2 и ведомым 4 дисками заполнен ферромагнитной массой 6. Для предотвращения вытекания ферромагнитной массы муфта имеет уплотнения 5 и 7. При отсутствии тока в обмотке управления 3 передаваемый момент от ведущего вала к ведомому очень мал и определяется вязким трением ферромагнитной массы. При протекании тока по обмотке управления возникает магнитное поле. В результате этого частицы железа намагничиваются и появляются силы сцепления между частицами и поверхностями дисков 2 и 4. В этом случае от ведущего вала к ведомому передается значительный момент. Изменением тока в обмотке 3 можно управлять силами сцепления, а следовательно, можно регулировать частоту вращения ведомого вала. Существует много разновидностей конструкций порошковых муфт, и все они, как правило, имеют плавную зависимость передаваемого момента от тока в управляющей обмотке. Это свойство делает удобным применением таких муфт в автоматических системах регулирования. Основными достоинствами порошковых муфт являются: малая потребляемая мощность сигнала управления, хорошие динамические свойства, проявляющиеся при большом значении максимального ускорения ведомого вала, отсутствие толчков при плавном изменении управляющего сигнала. К основным недостаткам можно отнести возможность оседания ферромагнитных частиц и значительная масса, приходящаяся на единицу мощности. В муфтах скольжения так же, как и в муфтах трения, магнитное поле создается постоянным током. Однако по принципу действия эти муфты ближе к асинхронным двигателям. Схема муфты скольжения приведена на рисунке 6.15. Рисунок 6.15. Схема муфты скольжения 190 Муфта скольжения представляет собой две несвязанные между собой механически вращающиеся части – индуктор и якорь 4. Индуктор 2 закрепляется на ведущем валу 1 приводного двигателя и выполняется в виде системы полюсов, на которых расположена обмотка 3. Она питается от источника постоянного тока через контактные кольца 6. Якорь 4 муфты может быть выполнен в виде короткозамкнутой обмотки («беличьего колеса»), полого стакана или в форме массивного ротора. При вращении индуктора 2 его магнитного поле пересекает якорь 4 и индуктирует в нем токи, взаимодействие которых с магнитным полем индуктора создает вращающий момент, передаваемый на ведомый вал 5. Таким образом, за счет магнитной связи ведущая часть (индуктор) муфты увлекает за собой ведомую (якорь). Частота вращения ведомой части муфты обычно меньше, чем частота вращения ведомой части муфты обычно меньше, чем частота магнитного поля. Если скорости якоря и индуктора равны, то вращающий момент, передаваемый муфтой от ведущего вала 1 к ведомому 5, равен нулю. От асинхронного двигателя, а также от муфт трения муфты скольжения выгодно отличаются тем, что их вращающие моменты и частота вращения легко поддаются регулированию путем изменения тока возбуждения индуктора. 6.3. Гидравлические исполнительные механизмы Энергию движения жидкости используют для приведения в движении механизмов машин, перемещение выходного звена (вала, штока), перемещение орудий в дорожных и строительных машинах. В машинах легкой промышленности, при регулировании газовых, гидравлических и паровых турбин и др. Гидравлические исполнительные устройства преобразуют энергию давления жидкости в механическую энергию перемещения или вращения. Рабочим телом в гидравлических системах является жидкость. Основными и наиболее распространенными параметрами, характеризующими состояние жидкости, является давление, температура и удельный объем (плотность). К основным параметрам гидравлических устройств относятся рабочий объем, максимальная скорость вращения вала, номинальное давление. Вращающий момент при номинальном давлении, общий КПД, объемный КПД, момент инерции вращающихся частей, вес без жидкости. Гидравлические исполнительные механизмы входят в состав гидроприводов и состоят из двух основных частей – гидродвигателя и управляющего устройства. В 191 зависимости от вида последнего, они разделяются на три типа: с дроссельным управлением; с объемным (гидростатическим) управлением; со струйным управлением. Исполнительные механизмы с дроссельным управлением Гидравлические исполнительные механизмы с дроссельным регулированием работают при постоянном давлении рабочей жидкости. В качестве управляющих устройств используются главным образом золотниковые пары, в некоторых случаях, преимущественно в маломощных механизмах, – дроссели «сопло – заслонка». В зависимости от числа управляющих дросселей гидравлические исполнительные механизмы разделяются на однощелевые, двухщелевые и четырехщелевые (рис. 6.16). Рисунок 6.16. Схемы устройства гидравлических исполнительных механизмов с дроссельным управлением: а – однокромочный; б – двухкромочный; в – четырехкромочный; Р 0 – давление в напорной магистрали; р сл – давление слива; х – перемещение золотника; v – скорость перемещения поршня силового цилиндра Перемещение поршня каждого из представленных на рисунке механизмов происходит за счет изменения площади поперечного сечения окон золотника, определяемого его смещением со среднего (нейтрального) положения. Существуют три варианта конструктивного выполнения золотниковых пар. В первом варианте ширина рабочего пояска золотника превышает ширину канавки или отверстия во втулке, так что при среднем положении золотниковой пары отсутствует 192 проток рабочей жидкости (золотник с перекрытием); во втором – перекрытие равно нулю, так что рабочие кромки золотника, находящегося в среднем положении, совпадают с рабочими кромками втулки (идеальный золотник); в третьем варианте золотниковая пара имеет начальные осевые зазоры, а вместе с тем и проток рабочей жидкости. Применение золотников с перекрытием понижает чувствительность исполнительного механизма. Однако перекрытия могут быть полезны, если необходимо отфильтровать случайные колебания золотника или когда для уменьшения силы сухого трения золотник подвергается принудительной продольной вибрации (осциллированию) в пределах осевых перекрытий. Золотники с небольшим начальным осевым зазором, не превышающим радиального, существенно повышают чувствительность механизма. При увеличении начального осевого зазора чувствительность падает. Одновременно возрастает позиционная ошибка при движении нагруженного поршня и непроизводительно увеличивает расход жидкости. На рисунке 6.17 приведены скоростная, силовая и внешняя характеристика исполнительного четырехкромочного механизма, представленного на рисунке 6.16в. Рисунок 6.17. Характеристика гидравлического исполнительного механизма с дроссельным управлением: а – скоростная; б – силовая; в – внешняя Характеристики построены в безразмерных координатах для идеального золотника. На рисунке обозначены: безразмерная скорость поршня – max 193 безразмерное перемещение золотника – отношение перепада давления на поршне, создаваемого нагрузкой, к давлению питания – Особенность исполнительных гидравлических механизмов с дроссельным управлением заключается в том, что вся энергия жидкости при отсутствии внешней нагрузки расходуется на преодоление гидравлических сопротивлениях в окнах золотника и, следовательно, превращается в тепло. В связи с этим гидравлические исполнительные механизмы с дроссельным управлением имеют низкий КПД. Преодоление механизмом внешней нагрузки осуществляется за счет уменьшения энергии гидравлических потерь, а следовательно, и перепада давлений на окнах золотника. При этом скорость движения исполнительного двигателя уменьшается. Исполнительные механизмы с дроссельным управлением работают, как правило, от насоса постоянной производительности и при постоянном давлении питания, поддерживаемого переливными клапанами. В ряде случаев для повышения общего КПД механизмы питаются от насоса регулируемой производительности, работающих совместно с гидравлическими аккумуляторами. Основным преимуществом гидравлических исполнительных механизмов с дроссельным управлением является высокое быстродействие, обусловленное малым перемещением золотника и большим коэффициентом усиления по давлению. Их применение целесообразно в тех случаях, когда поток жидкости, поступающий в золотник, должен развивать мощность 0,2…10 КВт. Гидравлические исполнительные механизмы со струйным управлением На рисунке 6.18 представлена схема устройства гидравлического механизма со струйным управлением, где х – перемещение конической насадки струйной трубки, ω – угловая скорость поворота (реверсируемого) выходного вала. max Q Q Q o p p p 194 Рисунок 6.18. Схема устройства гидравлического механизма со струйным управлением При симметричном расположении насадки струйной трубки относительно приемных отверстий количество поступающей в них жидкости одинаково. Поэтому поршень находится в покое. При повороте трубки соотношение количества жидкости изменится, а вместе с тем начнется движение поршня. Недостатком механизмов со струйным управлением является постоянный расход жидкости через насадку трубки. Поэтому их КПД ниже, чем у механизмов с дроссельным управлением. Применение гидравлических исполнительных механизмов со струйным управлением целесообразно в сравнительно маломощных системах. Часто такие механизмы используются в качестве управляющих устройств более мощных механизмов дроссельного или объемного управления. Преимуществом гидравлических механизмов со струйным управлением является их высокая надежность, обусловленная отсутствием малых зазоров во всем гидравлическом тракте. Гидравлические исполнительные механизмы с объемным управлением Гидравлические исполнительные механизмы с объемным регулированием управляются за счет изменения производительности насоса, подающего рабочую жидкость в гидравлический двигатель с вращательным движением. В качестве рабочей жидкости применяют нефтяные масла, синтетические жидкости, спиртоглицериновая смесь и др. Управляющими устройствами в этих механизмах (рис. 6.19) служат насосы переменной производительности, имеющие возможность реверса потока жидкости. 195 Рисунок 6.19. Устройство гидравлического исполнительного механизма с объемным управлением Наибольшее распространение получили насосы с аксиальным и радиальным расположением цилиндров. В обоих случаях регулирование производительности осуществляется за счет изменения рабочего хода поршней. Для надежной работы исполнительных механизмов, имеющих замкнутую цепь циркуляции рабочей жидкости, обычно используют дополнительные насосы подкачки. Эти насосы необходимы для предупреждения возникновения кавитационных режимов в гидравлических магистралях при реверсах выходного вала гидромотора. Известны две конструктивные разновидности гидравлических исполнительных механизмов с объемным управлением: совмещенный вариант, в котором управляющий насос, гидромотор, насос подкачки и вспомогательные клапаны выполняются в виде единого агрегата; раздельный, в котором гидромотор представляет самостоятельную конструкцию, расположенную на некотором расстоянии от насоса. Особенностью гидравлических механизмов с объемным управлением является то, что большая часть потребляемой ими энергии расходуется на преодоление внешней нагрузки. Поэтому они имеют высокий КПД и жесткие внешние характеристики (рис. 6.20). 196 Рисунок 6.20. Характеристика гидравлического исполнительного механизма с объемным управлением: а – скоростная в безразмерных координатах; б – силовая; в – внешняя Недостатком механизмов с объемным управлением является сравнительно низкое быстродействие, обусловленное значительным временем полного изменения производительности насоса. Применение таких механизмов целесообразно в тех случаях, когда потребная выходная мощность превышает 2 КВт. Верхний предел выходной мощности практически не ограничен. Результирующий вращающий момент, создаваемый на валу гидропривода, определяется как средний суммарный момент за один оборот вала по формуле: вс н c ср p p zRd 4 sin 2 где z – число цилиндров; R – радиус диска; γ c – средний угол наклона диска сервомотора; d – диаметр поршня; p Н – давление на стороне нагнетания; p ВС – давление на стороне всасывания. Полный КПД гидропривода выражается формулой: η = ηv×ηг×ηнм×ηс где ηv – объемный КПД, характеризующий объемные потери; 197 ηг – гидравлический КПД, учитывающий потери давления; ηнм – механический КПД насоса; ηс – механический КПД сервомотора. Передаточная функция гидравлического исполнительного элемента роторного типа с учетом сжимаемости жидкости в первом приближении будет иметь вид: 1 2 2 2 s г T s T s k s W c zRd T sin 4 2 E VJ 8 sin 2 c y zRd k V JE max max 0 2 sin 4 x Q zRd k x H c г где V – объем жидкости в гидроприводе; J – приведенный момент инерции сервомотора и нагрузки; E – коэффициент упругости жидкости; k y – коэффициент утечки; x – управляющее воздействие (угол наклона диска, величина эксцентрициента и др.); 0 x H Q – определяется по статической характеристике насоса. По движению выходного вала гидродвигатели делятся на гидродвигатели возвратно- поступательного движения (поршневые двигатели) и гидродвигатели вращательного движения или гидромоторы (применяются в гидравлических исполнительных устройствах с объемным регулированием). Основные конструктивные схемы поршневых двигателей показаны на рисунке 6.21. 198 Рисунок 6.21. Схемы поршневых двигателей: а – простого действия; б – двойного действия В поршневом двигателе простого действия (рис. 6.21а) движение поршня 2 вправо производится усилием давления Р рабочей жидкости, подводимой в полость силового цилиндра 3 через штуцер 1. Движение поршня влево осуществляется за счет усилия пружины 4. При этом жидкость из полости силового цилиндра 3 отводится через штуцер 1. Шток 5 с одной стороны жестко связан с поршнем 2, а с другой стороны – объектом управления или с его органами. В гидроцилиндре двойного действия (рис. 6.22) движение поршня 2 в ту или другую сторону осуществляется усилием давления Р рабочей жидкости. Рисунок 6.22. Схема поршневого двигателя с шатунно-кривошипным механизмом При подаче жидкости в полость силового цилиндра через штуцер 1 поршень 2 со штоком 5 перемещается вправо и через штуцер 4 осуществляется слив жидкости (на рисунке показано сплошными стрелками). Для перемещения поршня влево жидкость подается через штуцер 4, а слив ее осуществляется через штуцер 1 (на рисунке показано пунктирными стрелками). В приведенных конструкциях поршневых двигателей ход поршня обычно не превышает 3500 мм. В поршневых двигателях поступательное движение поршня 2 может быть преобразовано во вращательное движение вала 7 с помощью шатунно-кривошипного механизма, состоящего из тяг 4 и 5. В этом случае, как правило, используются поршневые двигатели двойного действия. Принцип работы такого поршневого двигателя состоит в следующем. При подаче жидкости в полость силового цилиндра 3 через штуцер 1 199 поршень 2 перемещается вправо, например, на расстояние l. В этом случае поршень 2 и тяга 4 и 5 шатунно-кривошипного механизма занимают положение, показанное на рисунке пунктиром. Вал 7 поворачивается на угол α. Через штуцер 6 поршень 2 перемещается влево и через тяги 4 и 5 шатунно-кривошипного механизма осуществляет вращение вала 7. Диаметры цилиндров и ходы поршневых исполнительных механизмов общепромышленного назначения относительно невелики. Гидроцилиндры же большого диаметра (150 с и более), равно как и цилиндры с большим ходом поршня, являются, как правило, устройствами не общепромышленного, а специального назначения и обычно встраиваются в автоматизируемый агрегат, являясь неотъемлемой частью. Гидромоторы и другие гидравлические устройства вращательного движения (многооборотные) в качестве гидравлических исполнительных механизмов применяются относительно редко. Основными достоинствами гидравлических двигателей является то, что они допускают значительные кратковременные перегрузки (до 5…7-кратных), характеризуются большими выходными моментами или усилиями при малых габаритах и могут обеспечить угловые ускорения свыше 20000 рад/с 2 К существенным недостаткам можно отнести большую массу, значительную мощность управления, а также трудности ликвидации повреждений. Поэтому гидравлические исполнительные устройства чаще всего применяют в системах, где необходимо кратковременно развивать значительные усилия и моменты. |