Исполнительные механизмы автоматических систем

3. Гидравлические исполнительные механизмы

3.1 Общие сведения

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 к. п. д., объемный к. п. д., момент инерции вращающихся частей, вес без жидкости.

3.2 Классификация

Гидравлические исполнительные механизмы входят в состав гидроприводов и состоят из двух основных частей: гидродвигателя и управляющего устройства. В зависимости от вида последнего, они разделяются на три типа: с дроссельным, с объемным (гидростатическим) и со струйным управлением.

3.4 Конструкции гидравлических исполнительных механизмов

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 одно-, двух - и четырехщелевые (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Схемы устройства гидравлических исполнительных механизмов с дроссельным управлением: а -однокромочный; б - двухкромочный; в - четырехкромочный; ро - давление в напорной магистрали; рсл - 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 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 3.2 приведены скоростная, силовая и внешняя характеристика исполнительного четырехкромочного механизма, представленного на рис.10, в.

Рисунок 3.2 - 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 - 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 к. п. д.

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 к. п. д. 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.

Рисунок 3.3 - Схема устройства гидравлического механизма со струйным управлением: х - перемещение конической насадки струйной трубки; щ -угловая скорость поворота (реверсируемого) выходного вала

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 к. п. д. 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, спирто-глицериновая смесь и др.

Управляющими устройствами в этих механизмах (рисунок 3.4) служат насосы переменной производительности, имеющие возможность реверса потока жидкости.

Рисунок 3.4 - устройства гидравлического исполнительного механизма с объемным управлением.

Наибольшее распространение нашли 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:

1) совмещенный вариант, в котором управляющий насос, гидромотор, насос подкачки и вспомогательные клапаны выполняются в виде единого агрегата, и 2) 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 к. п. д. и жесткие внешние характеристики (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - 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:

,

где z - число цилиндров; R - радиус диска; гc - средний угол наклона диска сервомотора; d - диаметр поршня; pн - давление на стороне нагнетания; pвс - давление на стороне всасывания.

Полный к. п. д. гидропривода выражается формулой:

з = зvзгзнмзс,

где зv - объемный к. п. д., характеризующий объемные потери; зг - гидравлический к. п. д., учитывающий потери давления; знм - механический к. п. д. насоса; зс - механический к. п. д. сервомотора.

Передаточная функция гидравлического исполнительного элемента роторного типа с учетом сжимаемости жидкости в первом приближении будет иметь вид:

,

;

;

,

где V- объем жидкости в гидроприводе; J - приведенный момент инерции сервомотора и нагрузки; E - коэффициент упругости жидкости; ky-коэффициент утечки; x - управляющее воздействие (угол наклона диска, величина эксцентрициента и т.д.); - 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 3.6

Рисунок 3.6 - Схемы поршневых двигателей. а - простого действия; б - двойного действия

В поршневом двигателе простого действия (рисунок 3.6, а) 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 (рисунок 3.7) движение поршня 2 в ту или другую сторону осуществляется усилием давления Р рабочей жидкости.

Рисунок 3.7 - 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 (рис.16). 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 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 б. 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/сІ.

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.

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 4 гидродвигатели с неограниченным вращательным движением выходного звена (гидромоторы).

Таблица 7 - Основные типы гидродвигателей, их назначение

Двигатели	Схема двигателя	Область применения
1. Гидроцилиндры: Силовые *одностороннего действия		Подъемники и механизмы, в которых движение в одну из сторон производится под 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

103

Устройства зажимные, фиксирующие и другие с ограниченной величиной перемещения.
Моментные *возвратно-поворотного движения		Применяются для периодических возвратно-поступательных движений на углы менее 300є.
*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 20є.
*радиально-поршневые		Имеют большой диаметр бока и большой момент инерции; их удобно встраивать в плоские узлы.
*лопастные		Имеют малый момент инерции вращающихся частей, но к. п. д. низкий.
Постоянной производительности *шестеренные		Просты, надежны, развивают давление до 100 кГ/смІ.
*лопастные		Производительность от 5 до 200 л/мин; рабочее давление - 60-70 кГ/смІ; применяют в гидравлических системах металлорежущих станков.
Переменной производительности *радиально-поршневые		Производительность от 50 до 400 л/мин; рабочее давление 100-200 кГ/смІ; имеют большой вес на единицу мощности.
	*аксиально-поршневые

103

Выпускаются 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 формуле

М = 0,159Дpqз, или М = qудДpз,

где Дp - 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 3.8 показан аксиально-поршневой гидромотор с неподвижным блоком, наклонной шайбой и дисковым распределением.

Рисунок 3.8 - 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 к. п. д. 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 20є.

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 то 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 типа ПМ с наклонным блоком цилиндров, торцевым распределением и двойным несиловым карданом аналогичны предыдущим гидромоторам (рисунке 3.9).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7