КИПиА. Контрольно_измерительные_приборы_и_автоматика_ЛЕКЦИИ. Курс лекций по направлению контрольноизмерительные приборы и автоматика
 Скачать 6 Mb.
|
|
Гидродвигатели Преобразование энергии потока жидкости в механическую энергию и перемещение выходного звена (вала, штока) происходит в гидродвигателе. Различают гидродвигатели с поступательным движением выходного звена, поворотные с ограниченным углом поворота выходного звена и гидродвигатели с неограниченным вращательным движением выходного звена (гидромоторы). Их основные двигатели представлены в таблице 4. Таблица 4. Основные типы гидродвигателей, их назначение Двигатели Схема двигателя Область применения 1. Гидроцилиндры: Силовые *одностороннего Подъемники и механизмы, в которых движение в одну из сторон производится под 200 действия действием внешних сил или собственного веса *одностороннего действия с пружинным возвратом Зажимные, фиксирующие, переключающие и другие устройства *двустороннего действия с односторонним штоком Транспортирующие, погрузочно-разгрузочные, зажимные и другие устройства *двустороннего действия с двусторонним штоком Устройства с требованиями равенства развиваемых усилий в обе стороны или управления конечными выключателями с нерабочей стороны штока *сдвоенные (одно- или двустороннего действия) Зажимные устройства с ограничением радиального размера цилиндров *телескопические Устройства со значительной величиной перемещения рабочего органа при ограниченном осевом размере цилиндра в исходном положении *диафрагменный Устройства зажимные, фиксирующие и другие с ограниченной величиной перемещения Моментные *возвратно- поворотного движения Применяются для периодических возвратно- поступательных движений на углы менее 300º 201 *с кривошипно- шатунным механизмом Применяются для высоких давлений; имеют большие габариты *лопастные Применяются при низких давлениях 2. Гидромоторы С неподвижным блоком *аксиально- поршневые Имеют особо малый момент инерции вращающих частей, большую приемистость; угол наклона шайбы не превышает 20º *радиально- поршневые Имеют большой диаметр бока и большой момент инерции; их удобно встраивать в плоские узлы *лопастные Имеют малый момент инерции вращающихся частей, но КПД низкий Постоянной производительности *шестеренные Просты, надежны, развивают давление до 100 кГ/см 2 *лопастные Производительность от 5 до 200 л/мин; рабочее давление – 202 60–70 кГ/см 2 ; применяют в гидравлических системах металлорежущих станков Переменной производительности *радиально- поршневые Производительность от 50 до 400 л/мин; рабочее давление 100–200 кГ/см 2 ; имеют большой вес на единицу мощности *аксиально- поршневые Для работы в системах дистанционного управления; снабжены устройствами гидроавтоматики; обеспечивают возможность регулировании расходов Гидромоторы Из большого количества гидромоторов для средств автоматизации применяются в основном аксиально-поршневые, радиально-поршневые и лопастные. Величина вращающего момента гидромотора с постоянным рабочим объемом, развиваемая на его валу, не зависит от скорости вращения вала и может быть рассчитана по формулам: М = 0,159*Δpqη М = q уд *Δpη где Δp – перепад давления, создаваемый нагрузкой. Наибольший вращающий момент, который может быть получен от гидромотора данного размера, зависит от принятого для него максимально допустимого давления. На рисунке 6.23 показан аксиально-поршневой гидромотор с неподвижным блоком, наклонной шайбой и дисковым распределением. 203 Рисунок 6.23. Аксиально-поршневой гидромотор с неподвижным блоком Жидкость, нагнетаемая через штуцер 2, попадает в цилиндры через окна в торце блока 6. Жидкость воздействует на поршни 4, которые давят на шайбу подшипника 5. Благодаря наклону оси подшипника к оси вала 7 возникает тангенциальная сила, вращающая вал и перемещающая распределительный диск 3 за счет эксцентричности пальца 1. Одновременно с этим цилиндры, окна которых соединены с полостью 8, сообщаются со сливом. И поршни, перемещаясь, выталкивают отработавшую жидкость в сливную полость 8. По мере вращения вала диск соединяет все новые и новые цилиндры с полостью нагнетания, а другие – со сливной полостью 8. Гидромоторы этого типа имеют особо малый момент инерции вращающихся частей и, следовательно, большую приемистость, однако для обеспечения высокого объемного КПД требуют малых зазоров и высокой точности изготовления распределительного диска и сопряженных с ним деталей. Тангенциальная сила, действующая на поршень, может вызвать него защемление, поэтому обычно угол наклона шайбы не превышает 20º. В конструкции аксиально–поршневого гидромотора типа МГ-15 с вращающимся блоком, наклонной шайбой и торцовым распределением устранены некоторые недостатки описанного выше гидромотора, но получен несколько больший момент инерции вращающихся частей. Применение блока из двух частей обеспечивает его самоустановку и разгрузку торцовой опорной поверхности от радиальных и тангенциальных сил. Приведенные выше гидромоторы не могут использоваться как насосы. Работающие на самовсасывание, так как их поршни не соединены с наклонной шайбой и при вращении вала не могут перемещаться. Они могут работать в качестве насоса лишь при условии подпора в линии всасывания. Распределение жидкости и принцип действия аксиально–поршневого гидромотора 204 типа ПМ с наклонным блоком цилиндров, торцевым распределением и двойным не силовым карданом аналогичны предыдущим гидромоторам. Рисунок 6.24. Аксиально-поршневой гидромотор с наклонным блоком В этой конструкции гидромоторов (рис. 6.24) наклон блока может быть увеличен до 30º, что ведет к повышению КПД и увеличению рабочего объема при тех же диаметрах блока и цилиндров. В тихоходных гидромоторах этот угол может быть увеличен до 45º. Шарнирная связь поршней с валом позволяет использовать гидромотор в качестве насоса постоянной производительности с самовсасыванием. Радиально–поршневые гидромоторы по своей схеме аналогичны радиально- поршневым насосам. В гидромоторах только принимаются меры для уменьшения потерь на трение. Кроме того, радиально-поршневые гидромоторы могут быть многоходовыми, т. е. за один оборот вала их поршень может совершать несколько рабочих ходов. На рисунке 6.25 показана схема четырехходового радиально-поршневого гидромотора с цапфенным распределителем. Рисунок 6.25. Схема четырехходового радиально–поршневого гидромотора При нагнетании жидкости в отверстия 1, 2, 3 и 4 неподвижной цапфы создается 205 момент, вращающий звездообразный блок цилиндров и вал по часовой стрелке. Этот тип гидромоторов имеет больший диаметр бока, чем предыдущие, а следовательно, и больший момент инерции. Гидромоторы такого типа удобно встраиваются в плоские узлы. Многоходовые радиально-поршневые гидромоторы тихоходны, имеют большой рабочий объем и вследствие этого развивают большой момент на валу. Такие гидромоторы часто называют высокомоментными. Так как передаточное число объемной гидропередачи i выражается через рабочие объемы насоса q н и гидромотора q м , то м н q q i Благодаря большому q м можно осуществить гидравлическую редукцию, т. е. путем подбора рабочих объемов получить малые обороты на валу без применения механического редуктора. Гидромоторы всех указанных типов могут выполняться регулируемыми путем изменения угла наклона шайбы, блока или экцентрициента (для одноходовых). Лопастные гидромоторы двойного действия типа МГ–16 аналогичны по схеме лопастным насосам, но в отличии от них имеют принудительный поджим лопаток к профилю статора коромыслообразными пружинами, поджим торцового диска для компенсации износа и золотник для обеспечения прижима лопастей к статору и торцового диска к ротору при изменении направления подачи жидкости в гидромотор. Эти гидромоторы компактны. Имеют малый момент инерции вращающихся частей. Вследствие чего направление вращения вала можно изменять за тысячные доли секунды (до 0,002 сек), но из–за наличия больших поверхностей трения и трудностей уплотнения торцов общий и объемный к. п. д. у них более низкий, чем у поршневых гидромоторов. В таблице 5 приведены основные параметры некоторых гидромоторов. 206 Таблица 5. Гидромоторы Т ип г идро м ото ра Р аб очи й об ъ ем , см 3 /о б М акс им ал ьн ая ск оро ст ь вра щен ия ва л а, об /м ин М ин им ал ьн ая ск оро ст ь вр ащен ия ва л а, об /м ин Н ом ин ал ьн ое да вл ен ие , к Г/с м ² В ра ща ю щий м ом ен т при но м ин ал ьн ом да вл ен ии , кГ м О бщий КП Д О бъ ем ны й КП Д М ом ен т ин ерци и вра ща ю щих ся ча ст ей , кГ ∙см ∙се к² В ес б ез жидко ст и, кг П рим еч ани е МГ151 МГ152 Мг153а МГ154а МГ155а 8 18 35 70 140 2400 2100 1800 1500 1300 16 8 4 2 1 50 0,6 1,25 2,5 5 10 0,80 0,95 0,97 0,98 0,98 0,98 0,004 0,011 0,035 0,075 0,25 4,5 7 12 20 40 Мин им ал ьн ая с ко ро сть по лу чен а пр и др осс ел ир ован ии ж идк ост и на вых оде. К ПД дан ы дл я ско ро сти вр ащени я вал а 10 00 о б/ м ин пр и но м ин ал ьн ом дав лен ии Ги др ом от ор до пу скает пер егр узку п о дав ле ни ю МГ16–13 МГ16–14 МГ16–15А МГ16–15 МГ16–16а 35 70 100 140 200 2200 1800 1800 1500 1500 300 50 2 5 7,5 10 15 0,50 0,55 0,60 0,64 0,68 0,75 0,80 0,85 0,88 0,90 0,002 0,013 0,013 0,07 0,07 10 24 24 86 86 К ПД дан ы дл я ско ро сти вр ащени я вал а 10 00 о б/ м ин пр и но м ин ал ьн ом дав лен ии . Мгно вен но е по выше ни е дав ле ни я до пу ск ае тся до 6 5 кГ/см ² 207 IIМ № 0,5 IIМ № 1,5 IIМ № 2,5 IIМ № 2,5а IIМ № 5 IIМ № 10 IIМ № 20 IIМ № 30 IIМ № 50 3 9 16 32 71 142 251 501 790 2950 2950 2950 1440 1440 1440 1440 980 980 3 3 3 1,5 1,5 1,5 1,5 1 1 100 0,42 1,2 2,1 4,2 10,5 21 37 74 117 0,83 0,83 0,83 0,83 0,91 0,91 0,92 0,92 0,93 0,97 0,0009 0,004 0,009 0,02 0,056 0,175 0,415 1,50 3,74 1,2 4,6 7 14,7 29 52,4 79 121 200 К ПД дл я м акси м ал ьн ой ско ро сти вр аще ни я ва ла пр и но рм ал ьн ом дав ле ни и. Ма кс им ал ьн ое до пу сти м ое кр ат ко вр ем ен но е дав ле ни е – 16 0 кГ/см ². Мин им ал ьн ые о бо ро ты пр и рабо те от р егу ли ру ем ого нас оса т ого ж е но м ер а. В ги др ом от ор ах с I IМ № 5 в ес дан с кл ап ан но й ко ро бк ой Находят также широкое применение так называемые шаговые гидромоторы, осуществляющие дискретное вращение вала за один цикл подачи в него жидкости. На рисунке 6.26 показана схема действия такого гидромотора. Рисунок 6.26. Схема действия шагового гидромотора Масло от насоса поступает в полость Н поворотного золотника 3 и при его вращении – последовательно в полости А, Б и В. Когда одна из полостей (полость А) соединена с полостью Н, две другие соединены с баком (на фигуре не показано). При вращении золотника поршни 1, 2 и 3 последовательно оказываются под давлением и через торцовый кулачок, развертка которого показана на фигуре, вращают вал гидромотора. 208 Переключение подачи жидкости из полости А в полость Б вызывает поворот вала на ⅓ шага кулачка t к . Шаговые гидромоторы находят применение в системах, требующих малые, но точно фиксированные перемещения. Механизмы исполнительные гидравлические поршневые типа, предназначены для управления рабочими органами возвратно-поступательного или поворотного (с углом 90º) движения. Исполнительные механизмы выполнены по блочно-модульному принципу и могут быть укомплектованы следующими дополнительными блоками: устройствами, реализующими пропорциональный закон перемещения выходного звена механизма, с гидравлическим, пневматическим или электрическим унифицированным входным сигналом (позиционерами с гидравлическим или электрическим сигналом); датчиком положения с электрическим выходным сигналом, пропорциональным положению выходного звена механизма; гидравлическим блокировочным устройством, фиксирующим положение выходного звена механизма при снятии командного сигнала или при аварийном падении давления масла в системе; блоком концевых выключателей, обеспечивающими переключение электрических контактов при достижении выходным звеном механизма крайних положений; гидравлическим переключающим устройством для системы ручного управления от отдельного источника маслоснабжения. Исполнительный механизм без дополнительных блоков состоит из гидроцилиндра и узлов крепления его к фундаментной плате и регулирующему органу. Гидроцилиндр имеет демпферное устройство, обеспечивающее дросселирование потока масла и соответственно снижение скорости движения поршня при приближении его к крайним положениям (так называемая безударная посадка поршня на упоры). Поршень и место вывода штока уплотнены резиновыми О–образными кольцами. Механизмы с первым вариантом крепления имеют на глухой крышке цилиндра и на головке штока подвижные опоры в виде шаровых подшипников, что позволяет механизму в процессе работы поворачиваться на некоторый угол (это необходимо, например, при управлении неполноповоротными регулирующими органами), механизмы со вторым вариантом крепления имеют кронштейн для жесткого крепления цилиндра на фундаментной плите. Внешний вид исполнительных механизмов без дополнительных блоков изображен 209 на рисунке 6.27. Рисунок 6.27. Внешний вид исполнительных механизмов типа МГП без дополнительных блоков Схема исполнительного механизма, укомплектованного гидравлическим (пневмогидравлическим) позиционером, блокировочным и переключающим устройствами, а также блоком концевых выключателей, изображена на рисунке 6.28. Управляющий гидравлический (пневматический сигнал подается на входное устройство (мембранный чувствительный элемент) 4, нажимная игла которого предается на рычаг 3 усилие, пропорциональное входному сигналу. На рычаге производится сравнение этого усилия с усилием. Развиваемой пружиной обратной связи 2, и в случае неравенства этих усилий перемещаются рычаг 3 и заслонка 7 управляющей пары сопл блока управления, создавая перепад давлений в междроссельных камерах а и б. Под действием этого перепада перемещается золотник 5, соединяя одну из полостей гидроцилиндра 1 с напорной, а другую – со сливной магистралью. Одновременно смещается заслонка 6 обратной связи, выравнивая давления в междроссельных камерах и таким образом ограничивая перемещение золотника, определяющее скорость движения поршня гидроцилиндра. При перемещении поршня гидроцилиндра изменяется натяжение пружины обратной связи 2, благодаря чему уравновешивается усилие, развиваемое чувствительным элементом. При этом заслонки 7 и 6, а также золотник 5 устанавливаются в средние положения и перемещение поршня всегда устанавливается в положение, пропорциональное входному сигналу. 210 Рисунок 6.28. Схема исполнительного механизма, комплектованного гидравлическим (пневматическим) позиционером, блокировочным устройством и блоком концевых выключателей Переключающее устройство 8 систему ручного управления представляет собой пять конусных клапанов, управляемых вручную кулачковым валиком. При положении А рукоятки управления переключающего устройства (Автоматическое управление) все клапаны этого устройства закрыты, и при наличии нормального давления в напорной магистрали р пит это давление, поступая через постоянный дроссель в систему управления блокировочного устройства, обеспечивает открытие его клапанов и, следовательно, нормальное управление гидроцилиндром при помощи золотника 5, т. е. работу исполнительного механизма в описанном выше автоматическом режиме. Если в силу каких-либо причин давление в напорной магистрали р пит опустится ниже установленного (например, при аварийном отключении маслонасоса), то упадет давление в системе блокировочного управления, и его клапаны плотно закроются, зафиксировав находящиеся в полостях гидроцилиндра объемы масла и осуществив, таким образом, гидравлическую фиксацию его положения. Совершенно аналогично будет обеспечена гидравлическая фиксация положения исполнительного механизма и при переводе рукоятки управления переключающего устройства в положение С (ручное управление – Стоп), когда система управления блокировочного устройства соединится через соответствующий клапан переключающего устройства со сливной магистралью. Необходимо отметить, что при этом обеспечивается фиксация механизма независимо от положения золотника 5, т. е. независимо от входного сигнала. При установке рукоятки управления переключающего устройства в положение Б 211 (ручное управление – Больше) или М (ручное управление – Меньше) клапаны блокировочного устройства остаются закрытыми, и одновременно обеспечивается возможность перемещения поршня исполнительного механизма в ту или другую сторону независимо от подводимого к позиционеру входного сигнала путем подвода к полостям механизма масла через соответствующие клапаны переключающегося устройства. При этом источником энергии, осуществляющей перемещение исполнительного механизма, является подводимое к переключающему устройству масло под давлением р ручн (это давление может создаваться любым специальным насосом с ручным или механическим приводом либо отбираться от основной напорной магистрали). Блок концевых выключателей 10 представляет собой смонтированные в одном корпусе два микропереключателя, срабатывающие от воздействия соответствующих подвижных элементов механизма при достижении его поршнем одного или другого крайних положений. Внешний вид описанного исполнительного механизма со вторым вариантом крепления изображен на рисунке 6.29. Рисунок 6.29. Внешний вид исполнительного механизма, укомплектованного гидравлическим (пневмогидравлическим) позиционером, блокировочным устройством и блоком концевых выключателей На гидроцилиндре 3 с соответствующими узлами крепления 6 и 7 установлен кинематический узел 4, включающий в себя две телескопически соединенные трубы, внутри которых расположена пружина обратной связи. На кинематическом узле закреплено блокировочное устройство 2 (а в случае отсутствия этого устройства в комплекте механизма – имеющая те же габаритные и присоединительные размеры промежуточная плата) на котором установлен закрытый кожухом 1 узел гидроусилителя со входным устройством. На передней крышке гидроцилиндра установлении блок концевых выключателей 5. Все внутренние гидравлические соединения гидроусилителя и входного устройства с блокировочным устройством (промежуточной платой) выполнены 212 методом стыкового монтажа, все штуцеры внешних соединений размещены на блокировочном устройстве (промежуточной плате). Переключающее устройство системы ручного управления монтируется отдельно от механизма в удобном для доступа месте и соединяется с механизмом гидравлическими линиями. Схема исполнительного механизма с электрогидравлическим позиционером изображена на рисунке 6.30. Рисунок 6.30. Схема исполнительного механизма, укомплектованного электрогидравлическим позиционером На смонтированном на гидроцилиндре 3 кинематическом узле 4 установлен датчик положения 5 выходного звена механизма. Датчик положения 5 выполнен на базе серийного индуктивного датчика типа ПД-5, якорь которого кинематически связан с пружинным делителем перемещений, образованным пружиной обратной связи кинематического узла 4 и специальной жесткой пружиной. Входящей в состав датчика положения. Таким образом, с датчика положения. Таким образом. с датчика 5 снимается электрический сигнал в виде переменного напряжении, пропорциональной положению исполнительного механизма. Этот сигнал преобразуется преобразователем напряжения 7 типа ПН-2 в нормированный токовый сигнал, который подается в качестве электрического сигнала обратной связи на электронный усилитель 6 типа УН-М-2, где сравнивается с входным токовым сигналом. Выработанный усилителем УН-М-2 электрический сигнал небаланса поступает на вход электрогидравлического усилителя 2 типа ПЭГ-ПМ, который, осуществляя подачу масла в соответствующую полость гидроцилиндра 3, обеспечивает его установку в положение, пропорциональное входному 213 электрическому сигналу. Электронные блоки ПН-2 и УН-М-2, а также электрогидроусилитель ПЭГ-ПМ устанавливаются отдельно от гидроцилиндра, причем электрогидроусилитель в зависимости от условий заказа может быть смонтирован на монтажной плате 1 либо на блокировочном устройстве, аналогичном описанному выше. При необходимости исполнительный механизм может быть укомплектован не изображенными на рисунке датчиком концевых положений и переключающим устройством системы ручного управления. Рабочей жидкостью механизмов типа МГП являются минеральные масла вязкостью 7…70 мм 2 /с в рабочем диапазоне температур (от 5 до 70ºС). Тонкость фильтрации масла должна быть не хуже 40 мкм для механизмов без позиционеров и 0 мкм для механизмов с позиционерами. Давление питания (рабочее давление) – не более 16 и не менее 1 МПа для механизмов с позиционерами и 0,4 МПА для механизмов без позиционеров (предназначенных для управления органами типа открыто-закрыто). Давление питания системы управления механизмов с позиционерами – от 1 до 6,3 МПа при этом если рабочее давление превышает 6,3 МПа, то давление питания системы управления должно быть 6,3 МПа. Технические данные механизмов, зависящие от диаметра поршня, приведены в таблице 6. Таблица 6. Технические данные механизмов, зависящие от диаметра поршня У механизмов, оснащенных гидравлическими и пневмогидравлическими позиционерами, пределы изменения гидравлического входного сигнала 0,1…0,3 МПа и пневматического 0,02…0,1 МПа, порог чувствительности – не более 1%, основная допускаемая погрешность ± 1,5%, максимальная скорость перемещения штока 214 ненагруженного механизма (при максимальном давлении) не менее 100 мм/с, перерегулирование ненагруженного механизма при 50%-ном скачкообразном изменении входного сигнала – не более 10%. У механизмов, оснащенных электрогидравлическими позиционерами, пределы изменения входного токового сигнала постоянного тока минус 5–0–плюс 5 или минус 10– 0–плюс 10 или 0…10 В при входном сопротивлении 8,2 ± 0,2 МОм. Количество регулируемых электрических входов – два, нерегулируемых – один. Порог чувствительности – не более 0,5%, основная допускаемая погрешность ± 2,5%, максимальная скорость перемещения штока ненагруженного механизма – не менее 100мм/с, частота синусоидального входного сигнала с амплитудой 5% максимальной, соответствующая сдвигу фаз на 90є, – не менее 3 ГЦ. У блока концевых выключателей номинальное напряжение коммутируемой цепи (при омической нагрузке) для цепей переменного тока 3…30 В и для цепей переменного тока (частотой 50 Гц) 3…250 В, разрывная мощность контактов – соответственно не более 70 и 300 Вт. Время срабатывания (закрытия клапанов) блокировочного устройства при снятии гидравлического управляющего сигнала – не более 0,2 с. В отдельных случаях для систем автоматизации технологических процессов в качестве гидравлических исполнительных механизмов используют гидроцилиндры и гидромоторы, выпускаемые промышленностью для систем силового привода. |