Дипломная работа

Исполнительные механизмы автоматических систем

ТЭФ

2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

2.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

2.2 КЛАССИФИКАЦИЯ

2.3 КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

3.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

3.2 КЛАССИФИКАЦИЯ

3.4 КОНСТРУКЦИИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ

4. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

4.1ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

4.2 КЛАССИФИКАЦИЯ

4.3 КОНСТРУКЦИИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

3

ВВЕДЕНИЕ

В современной жизни человека механизмы и машины играют важную

роль. Они широко применяются в народном хозяйстве, промышленности,

сельском хозяйстве, специальных областях техники, медицине, космической

промышленности, быту и т.д.

С каждым днем увеличивается потребность в машинах и механизмах

для многих устройств автоматики, телемеханики, связи, промышленной

электроники, счетно-решающей и измерительной техники, предметов

повседневного спроса.

В автоматических линиях, в промышленных работах, в приборах

измерения и управления применяется большое число управляемых и

неуправляемых исполнительных механизмов.

4

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Исполнительный механизм - 1) устройство, выполняющее

непосредственно требуемую технологическую операцию;

2) механизм автоматической системы регулирования, осуществляющий

в соответствии с сигналами механическое воздействие на объект

регулирования.

Рисунок 1.1 - Классификация исполнительных механизмов

Исполнительные механизмы, применяемые в системах автоматически,

очень разнообразны. Классификация производится в первую очередь по виду

энергии, создающей усилие (момент) перемещения регулирующего органа.

Соответственно, исполнительные механизмы бывают пневматические,

гидравлические и электрические, механические и комбинированные.

По конструкции различают электродвигательные, электронные,

электромагнитные, поршневые, мембранные и комбинированные

исполнительные механизмы.

В пневматических исполнительных механизмах усилие перемещения

создается за счет давления сжатого воздуха на мембрану, поршень или

5

сильфон; давление обычно не превышает 10³ кПа. В гидравлических

исполнительных механизмах усилие перемещения создается за счет давления

жидкости на мембрану, поршень или лопасть; давление жидкости в них

находится в пределах (2,5 - 20) 10³ кПа.

Отдельный подкласс гидравлических исполнительных механизмов

составляют исполнительные механизмы с гидромуфтами.

Пневматические и гидравлические мембранные и поршневые

исполнительные механизмы подразделяются на пружинные и беспружинные

В пружинных исполнительных механизмах усилие перемещения в одном

направлении создается давлением в рабочей полости исполнительного

механизма, а в обратном направлении - силой упругости сжатой пружины. В

беспружинных исполнительных механизмах усилие перемещения в обоих

направлениях создается перепадом давления на рабочем органе механизма.

По характеру движения выходного элемента большинство

исполнительных механизмов подразделяются на: прямоходные с

поступательным движением выходного элемента, поворотные с

вращательным движением до 360° (многооборотные).

Управление исполнительными механизмами осуществляется, как

правило, через усилители мощности. Помимо того, непосредственно к

исполнительным механизмам может подводиться энергия от

дополнительного источника, т.е. используются одновременно два вида

энергии: электропневматические, электрогидравлические и

пневмогидравлические. Вид энергии управляющего сигнала может

отличаться от вида энергии, создающей усилие перемещения.

В электрических системах автоматизации и управления наиболее

широко применяются электродвигательные (электромашинные) и

электромагнитные исполнительные механизмы. Основным элементом

электромашинного исполнительного механизма является электрический

двигатель постоянного или переменного тока. Такие исполнительные

механизмы обычно называют электроприводами, т.к согласно ГОСТ

6

электропривод - это электромеханическая система, состоящая из

электродвигательного, электрического преобразовательного, механического

передаточного, управляющего и измерительного устройств, предназначенная

для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и

управлении этим движением. Электромагнитные ИМ дискретного действия

выполняются в основном на базе электромагнитов постоянного и

переменного тока и постоянных магнитов. Жесткое и упругое соединение

узлов систем осуществляют различного рода электромагнитные муфты.

ИМ должны удовлетворять следующим требованиям:

мощность их должна превосходить мощность, необходимую для

приведения в движение объекта управления или его органов во всех режимах

работы;

статические характеристики исполнительных механизмов должны быть

по возможности линейными и иметь минимальные зоны нечувствительности

(зоной нечувствительности называется зона, в пределах которой изменение

управляющего сигнала не вызывает перемещение управляемого объекта или

его органов);

как наиболее мощные функциональные звенья автоматических систем

регулирования должны обладать достаточным быстродействием;

регулирование выходной величины должно быть по возможности

простым и экономичным;

должны иметь малую мощность управления.

В качестве исполнительных механизмов в системах автоматики в

основном применяются мощные электромагнитные реле, электромагниты,

электродвигатели постоянного тока, двухфазные электродвигатели

переменного тока, электромагнитные муфты, мембранные и поршневые,

гидравлические и пневматические двигатели и др.

7

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

2.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Электрическими исполнительными (управляемыми) двигателями

автоматических систем называют двигатели, предназначенные для

преобразования электрического сигнала в угол поворота или частоту

вращения (или перемещения) вала. Такие механизмы, преобразуют энергию

электрического тока в механическую энергию с целью воздействия на объект

управления или его органы.

Исполнительные механизмы представляют собой электроприводы,

предназначенные для перемещения регулирующих органов в системах

дистанционного и автоматического управления. В настоящее время

наибольшее распространение получили асинхронные двухфазные

исполнительные двигатели, исполнительные двигатели постоянного тока с

независимым возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов,

шаговые двигатели.

Эти двигатели предназначены для различных функциональных

преобразований. В зависимости от устройства они могут работать либо в

режиме непрерывного вращения (перемещения), либо в шаговом режиме.

Электрические микродвигатели постоянного и переменного тока,

применяемые в системах автоматики, вычислительной техники и др., имеют

номинальную механическую мощность от сотых долей ватта примерно до

750 Вт.

Требования, предъявляемые к исполнительным двигателя, вытекают из

специфических условий работы исполнительных двигателей в устройствах

автоматики. Основные из них:

высокое быстродействие (малая инерционность);

возможность регулирования частоты вращения исполнительного

двигателя в широком диапазоне;

8

отсутствие самохода (явление самохода состоит в том, что двигатель

продолжает развивать вращающий момент и его ротор продолжает

вращаться при сигнале управления);

высокая линейность регулировочных и механических характеристик и

обеспечение устойчивости работы во всем рабочем диапазоне угловых

скоростей;

малый момент трения (малое напряжение трогания).

малая мощность управления при значительной механической

мощности на валу (требование вызвано ограниченной мощностью

источников сигнала управления, в основном электронных).

Немаловажным для исполнительных двигателей являются и такие

параметры, как пусковой момент, габариты, масса; КПД и cosφ имеют

второстепенное значение. Когда требуется строго постоянная частота

вращения, используются синхронные двигатели.

К основным элементам электрических исполнительных механизмов

относятся:

электродвигатель;

редуктор, понижающий число оборотов;

выходное устройство для механического сочленения с регулирующим

органом;

дополнительные устройства, обеспечивающие остановку механизма в

крайних положениях.

Выходные устройства электрических исполнительных механизмов

выполняются так, чтобы осуществить вращательное или прямолинейное

движение.

Исполнительные механизмы рассчитаны для работы при температуре

окружающей среды от - 30 до +60°С и относительной влажности 30 - 80% (по

договоренности с заводом возможно исполнение на диапазон (-50) - (+50)

°С). Механизмы имеют пылебрызгозащитное исполнение.

9

2.2 КЛАССИФИКАЦИЯ

Электрические исполнительные механизмы делятся на

электромагнитные и электродвигательные. К электромагнитным

исполнительным относятся реле, контакторы, электромагниты,

электромагнитные вентили и клапаны, электромагнитные муфты.

Основными видами электрических двигателей, изготавливаемых

промышленностью являются: синхронные, асинхронные с короткозамкнутым

или фазным ротором и электродвигатели постоянного тока с независимым,

сериесным или смешанным возбуждением, а также некоторые виды

специальных электродвигателей: коллекторные электродвигатели

переменного тока, электродвигатели с постоянными магнитами и др.

(рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Классификация микромашин общего применения

В зависимости от режима и условий работы изготовляются

электродвигатели: для длительного и повторно-кратковременного режимов

работы; для эксплуатации в нормальной и взрывоопасной среде; открытого,

защищенного или закрытого исполнения; для работы в условиях

10

тропического климата и в условиях крайнего севера; горизонтальные,

вертикальные, встроенные и др.

Механизмы с вращающимися выходными устройствами

подразделяются на однооборотные, у которых угол поворота выходного вала

менее или равен 360°, и многооборотные, у которых выходной вал совершает

более одного оборота.

Технические характеристики однооборотных исполнительных

механизмов приведены в таблице 1и 2.

Таблица 1 - Технические характеристики однооборотных

исполнительных механизмов

Тип исполнительного механизма Тип

сервопривода

Номинальный

крутящий момент

на выходном валу

в кгс · м

Время

поворота

выходного

вала на 90º в

с.

Масса в

кг. Бесконтактное

управление

Контактное

управление

МЭОБ-25/100-1

МЭОБ-25/40-1

МЭОБ-63/100-1

МЭОБ-Л-63|100-

1

МЭОК-25/100-1

МЭОК-25/40-1

МЭОК-63/100-1

МЭОК-Л-6/100-

1

РМ

РМБ

РБ

РБЛ

25

25

63 - 100

63 - 100

100

40

100

100

46

46

123

123

Таблица 2 - Технические характеристики однооборотных

исполнительных механизмов

тип

Но

ми

нал

ьн

ый

мо

мен

т

на

вы

хо

дн

ом

вал

у в

кг

∙

м

Вр

емя о

дн

ого

об

ор

ота

вы

хо

дн

ого

вал

а в с

.

Мак

сим

альн

ый

раб

оч

ий

уго

л п

ово

ро

та

вы

хо

дн

ого

вал

а в…

º

Нап

ряж

ен

ие

пи

тан

ия в

В п

ри

час

тоте

50

ГЦ

.

По

треб

ляем

ая

мо

щн

ост

ь в

В ∙

А

Габ

ари

тны

е р

азм

еры

в

мм

Ви

д у

пр

авлен

ия

Мас

са в

кг

ДР-М 1*

10; 30;

60; 90;

120

180**

220

50

240×122×

285

Контакт

ное

6

ДР-1М 240×122×

180

5

ПР-М Любой в 230×122× 6,5

11

пределах

180**

285

ПР-1М 230×122×

180

5

ИМ-2/120 2 120 120 30 243×228×

210

8

ИМТМ-4/2,5 4 2,5 350 220/380 270 450×200×

220

16

МЭК-10К/120 10 120 90; 270 127; 220 180 335×320×

435

35

МЭК-10К/360 360

МЭО-25/40К-

68

25 40

90; 240

220/380

430 490×495×

465

95

МЭО-63/40-68

63

510 635×575×

535

155

МЭО-63/100-

К-68

100 430 635×575×

535

95

МЭО-

63/250К-68

250

МЭО-

160/100К-68

160 100 510 635×575×

535

155

МЭО-

160/40К-68

40 1100

МЭО-

400/100К

400 100 750 770×640×

615

270

МЭО-

400/250К

250 400

МЭО-

1000/250К

1000 750 980×670×

50

530

МЭО-0,25 0,25 100; 250 180***

220

1 116×120×

164

Бесконта

ктное

или

контактн

ое

4,3

МЭО-0,63 0,63 180 1

МЭО-1,6/40 1,6 40

90; 240

23 234×234×

213

11

МЭО-4/100 4 100

МЭО-4/40-68 40 65 370×300×

325

26

МЭО-10/40-68

10

117 370×360×

325

30

МЭО-10/100-

68

100 64 370×300×

325

26

МЭК-10Б/120 120 110 160 335×320×

435

35

МЭО-10/250-

68

250 220 86 370×300×

325

26

12

МЭК-10Б/360 10 360

90; 140

110 160 335×320×

435

35

МЭО-25/40-68

25

40

220

320 490×495×

465

95

МЭО-25/100 100 117 370×360×

325

30

МЭО-25/250 250 64 370×300×

325

26

МЭО-63/40-68

63

40 585 635×575×

535

180

МЭО-63/100-

68

100 320 635×575×

535

95

МЭО-63/250-

68

250 120 90

МЭО-160/100-

68

160 100 585 635×575×

535

185

МЭО-160/250-

68

250 270 170

МЭО-400/250 400 250 450 855×640×

615

285

*Момент, соответствующий повороту вала на 180° за 30 с.

** Поступательное движение штока ДР-М составляет 19 мм, в ПР-М - 20 мм.

*** Полный ход прямоходной приставки 28 мм.

Электромагнитные исполнительные механизмы, основным элементом

которых является электромагнитный привод, как правило, используются для

поступательного перемещения органов управления, а электрические

двигатели - для поворотного.

Электрические микродвигатели постоянного тока по конструкции и

принципу действия подразделяют на коллекторные и бесконтактные, не

имеющие скользящего контакта коллектор - щетки.

Коллекторные микродвигатели по конструкции якоря подразделяют на

три типа: с барабанным якорем, с полым немагнитным якорем и с дисковым

якорем.

Коллекторные микродвигатели с барабанным якорем бывают как

постоянного тока, так и универсальные, т.е. способные работать от сети как

13

постоянного, так и переменного тока. Последние используются только в

качестве вспомогательных микродвигателей.

2.3 КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Исполнительные двигатели постоянного тока.

В качестве исполнительных микродвигателей постоянного тока

используют коллекторные микродвигатели независимо электромагнитного

возбуждения и с возбуждением от постоянных магнитов, а также

бесконтактные с транзисторными коммутаторами.

Исполнительные микродвигатели с барабанным якорем не имеют

принципиальных конструктивных отличий от классической машины

постоянного тока. Микродвигатели с полым немагнитными дисковым

якорями и бесконтактные выпускаются промышленностью, как правило, с

возбуждением от постоянных магнитов.

Двигатели с полым немагнитным якорем.

Рисунок 2.2 - Исполнительный двигатель постоянного тока с полым

немагнитным якорем.

На рисунке 2.2 изображен микродвигатель постоянного тока с полым

14

немагнитным якорем. Особенностью конструкции является то, что для

уменьшения момента инерции якорь 2 выполняют в виде полого

пластмассового цилиндра, в который запрессована обмотка из медного

провода или на поверхности которого нанесена печатня обмотка. Полый

якорь вращается в воздушном зазоре между внешним и внутренним

статорами. Внутренний статор 3 представляет собой цилиндрический

постоянный магнит с радиальной намагниченностью, создающей поток

возбуждения. Внешний статор 1, выполненный из магнитомягкого

материала, является магнитопроводом. Напряжение на якорь подается через

щетки 5 и коллектор 4. Внешний и внутренний статоры жестко закреплены в

корпусе 6. Якорь и коллектор насажены на вал 9, который вращается в

подшипниках 8, закрепленных в подшипниковых щитах 7. Момент инерции

якоря такого двигателя значительно меньше момента инерции якоря

барабанного типа.

Двигатели постоянного тока с дисковым якорем.

Двигатели постоянного тока с дисковым якорем (рисунок 2.3)

выполняют не с цилиндрическим воздушным зазором, а с плоским.

Рисунок 2.3 - Двигатель постоянного тока с полым немагнитным

якорем

Возбуждение двигателя обеспечивается постоянными магнитами 1 с

полюсными наконечниками 4 из магнитомягкой стали, имеющими форму

15

кольцевых сегментов. Магнитный поток, создаваемый постоянными

магнитами, проходит аксиально через два воздушных зазора, немагнитный

дисковый якорь 5 с печатной обмоткой и замыкается по кольцам 2, 3 из

магнитомягкой стали, которые служат ярмом. Роль коллектора могут играть

неизолированные участки проводников, находящиеся на поверхности диска,

по которым скользят щетки 6. Якорь (рисунок 2.4) представляет собой

тонкий немагнитный диск без пазов (из керамики, текстолита, алюминия) с

печатной обмоткой. Проводники 2 печатной обмотки располагаются

радиально по обеим сторонам диска и соединяют через сквозные отверстия 3

в диске. Такое соединение выполняют автоматически одновременно с

фотохимическим нанесением обмотки. При прохождении тока по обмотке

якоря на валу двигателя создается вращающий момент, направленный в

плоскости диска якоря. Момент инерции дискового якоря значительно

меньше, чем у барабанного, что является одним из основных преимуществ

рассматриваемых двигателей.

Кроме малоинерционных двигателей с полым и дисковым якорями

имеют еще ряд преимуществ перед двигателями, имеющими барабанные

якори.

Так как в якоре отсутствуют ферромагнитные участки и поток якоря в

основном замыкается по воздуху, влияние реакции якоря незначительно.

Собственная индуктивность обмотки якоря мала, и все переходные

электрические процессы в якорной цепи протекают быстро, улучшая условия

коммутации. В магнитопроводе двигателей практически отсутствуют потери

мощности на гистерезис и вихревые токи.

Якорь двигателя не имеет зубцов, что способствует равномерному

распределению индукции в зазоре и значительному уменьшению шума. В

двигателе отсутствуют реактивные моменты связанные с пульсацией

магнитного потока в воздушном зазоре, что обеспечивает снижение

напряжения трогания.

Вследствие отсутствия радиальных сил притяжения якоря к статору,

16

уменьшения массы якоря и соответственно момента трения в подшипниках

уменьшаются механические потери двигателя и напряжения трогания.

При изготовлении таких двигателей с печатной обмоткой якоря

проводники печатной обмотки находятся в значительно лучших условиях

охлаждения, чем проводники, уложенные в пазы барабанного якоря; это

позволяет повысить плотность тока в проводниках обмотки якоря до 30-40

А/мм² и, как следствие, уменьшить габариты и массу двигателя.

Рисунок 2.4 - Дисковый якорь

Изготовление печатной обмотки якоря возможно при высокой степени

механизации.

Увеличение допустимой плотности тока в проводниках обмотки якоря

приводит к росту электрических потерь в якоре, так как сечение проводников

уменьшается, а следовательно, увеличивается сопротивление обмотки якоря.

Однако у микродвигателей с полым немагнитным и дисковым якорями к. п.

д., масса и габаритные размеры примерно одинаковы, а иногда и лучше, чем

у двигателя с барабанным якорем, так как увеличение электрических потерь

в якоре перекрывается уменьшением механических потерь в магнитопроводе.

В малоинерционных микродвигателях немагнитный зазор, состоящий

из двух магнитных зазоров и немагнитного слоя якоря, больше чем у

микродвигателей с барабанным якорем. Это приводит к необходимости

применения для постоянных магнитов магнитотвердых материалов с

17

большими максимальной удельной магнитной энергией и коэрцитивной

силой и соответственно более дорогих.

Двигатели с дисковым якорем менее долговечны, что обуславливается

главным образом быстрым износом меди печатных проводников в месте

установки щеток.

Двигатели с полым немагнитным и дисковым якорями менее надежны

при высоких температурах, вибрациях и ударах, так как вероятность

деформации у таких якорей в данных условиях больше, чем у барабанных.

Бесконтактные (бесколлекторные) двигатели постоянного тока

В последнее время в ряде областей техники нашли применение

бесконтактные (вентильные) двигатели постоянного тока.

Характерными особенностями бесконтактных микродвигателей

постоянного тока являются:

наличие силовой обмотки якоря, расположенной на статоре и

состоящей из нескольких катушек, сдвинутых относительно друг друга в

пространстве (одна катушка соответствует обмотке фазы синхронной

машины); ротор выполняют в виде постоянного магнита;

наличие бесконтактных датчиков положения оси магнитного потока

ротора по отношению к осям силовой обмотки статора (трансформаторных,

индукционных, фотоэлектрических и т.д.), которые определяют момент

коммутации тока в этих катушках;

наличие бесконтактного, чаще всего транзисторного, коммутатора,

осуществляющего коммутацию катушек силовой обмотки статора по

сигналам датчиков положения.

Датчик положения ротора содержит чувствительные и сигнальные

элементы.

Чувствительные элементы устанавливают в корпусе машины, а

сигнальные - на валу.

Полупроводниковый коммутатор находится обычно вне корпуса

машины и соединен с якорной обмоткой и датчиком кабелем.

18

Эти три фактора позволяют при устранении скользящего контакта

коллектор - щетки сохранить основную особенность машины постоянного

тока по сравнению с машинной переменного тока: частота переключения

катушек обмотки якоря определяется угловой скоростью ротора, т.е.

регулируется самой машиной. Благодаря этому бесконтактный двигатель

постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллекторного

двигателя с независимым возбуждением.

Бесконтактный двигатель постоянного тока состоит из статора 1,

который имеет двухкатушечную обмотку 2, а ротор 3 с одной парой полюсов

выполнен из постоянного магнита (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Беконтактный микродвигатель

При подаче постоянного напряжения на зажимы обмотки статора по

ней проходит ток, который при взаимодействии с магнитным потоком ротора

создает вращающий момент. Роль датчика положения ротора, т.е. оси

магнитного потока, относительно катушек обмотки статора. Выполняют два

трансформаторных датчика, вал ротора. Диск имеет вырез вдоль окружности

на дуге 180º. Выходные обмотки датчиков соединены по дифференциальной

схеме, датчик вырабатывает сигнал при перекрытии двух из трех стержней

трансформатора, т.е. при расположении датчика напротив выреза диска.

Бесконтактный двигатель постоянного тока по принципу действия

19

аналогичен коллекторной машине постоянного тока. Но роль щеточно-

коллекторной аппаратуры выполняют коммутатор и датчик положения

ротора, обеспечивающие бесконтактное переключение секций якорной

обмотки в зависимости от относительного положения якоря и индуктора.

Отсутствие контактной пары повышает надежность и срок службы

двигателя, устраняет радиопомехи и т.д. Однако наличие громоздкого

полупроводникового коммутатора, сложность конструкции, высокая

стоимость двигателя позволяют в настоящее время рекомендовать

применение бесконтактных двигателей постоянного тока лишь для

устройств, работающих в различных неблагоприятных условиях (вакуум,

колебания температур, взрывоопасные среды и т.п.). В дальнейшем с

уменьшением стоимости габаритов полупроводниковых приборов область

применения бесконтактных двигателей постоянного тока будет несомненно

расширяться.

Коллекторные двигатели.

Универсальными коллекторными двигателями называют двигатели,

которые могут работать как от сети постоянного тока. Так и от однофазной

сети переменного тока. Всю магнитную систему (статор и ротор) выполняют

шихтованной, а обмотку возбуждения - секционированной. Шихтованная

конструкция статора и ротора обусловлена тем, что при работе на

переменном токе их пронизывают переменные магнитные потоки, вызывая

значительные потери мощности. Секционирование обмотки возбуждения

вызвано необходимостью изменения числа витков обмотки возбуждения с

целью сближения рабочих характеристик при работе двигателя от осей

постоянного и переменного тока.

Универсальный коллекторный двигатель может быть выполнен как с

последовательным, так и с параллельным и независимым возбуждением

(рисунок 2.6).

20

Рисунок 2.6 - Схема коллекторного двигателя

Универсальные коллекторные двигатели широко распространены

благодаря тому, что:

работают от источников как постоянного так и переменного тока;

при работе от любого от источников позволяют просто, плавно и

широко регулировать угловую скорость ротора изменением проводимого к

двигателю напряжения и шунтированием якоря или обмотки возбуждения

активным сопротивлением;

позволяют получать на промышленной частоте весьма высокую

угловую скорость ротора, недостижимую при применении синхронных и

асинхронных двигателей промышленной частоты без повышающего

редуктора.

Синхронные электродвигатели.

Вращающий момент, развиваемый синхронным электродвигателем,

определяется упругой силой взаимодействия вращающего магнитного поля

статора и потоком ротора, вращающимся синхронно с полем статора и

отстающим от него на угол, зависящий от момента нагрузки.

Практически возможным способом изменения скорости вращения

синхронного электродвигателя является изменение частоты питающего тока.

Синхронный электродвигатель является экономичным и надежным

21

электродвигателем, его экономичность обуславливается тем, что он не

является потребителем активной мощности и имеет высокий к. п. д. Его

эксплуатационная надежность обусловлена увеличенным воздушным

зазором по сравнению с асинхронным электродвигателем и линейной

зависимостью от напряжения момента, развиваемого синхронным

электродвигателем по сравнению с квадратичной зависимостью у

асинхронного. Наиболее экономичным являются синхронные

электродвигатели большой мощности.

Синхронные электродвигатели применяются для привода механизмов,

где не требуется регулирование скорости - насосов, вентиляторов,

нагнетателей, компрессоров, преобразовательных агрегатов и др.

Редукторные двигатели (субсинхронные).

В синхронных редукторных двигателях осуществляется

электромагнитное редуцирование угловой скорости ротора по отношению к

угловой скорости первой гармоники поля статора.

Особенность конструкции и принцип действия синхронных

редукторных двигателей изображены на рисунке 2.7

Рисунок 2.7 - Схема синхронного редукторного двигателя

Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали. Статор

выполнен в виде кольца и имеет зубцы и пазы на внутренней поверхности.

Ротор выполнен в виде диска и имеет зубцы и пазы на внешней поверхности.

Число зубцов статора и ротора различны. Причем число зубцов ротора

больше, чем число зубцов статора. На статоре уложена обмотка,

22

предназначенная для питания от трехфазной или однофазной сети и

создающая магнитное поле.

Двигатели с катящимся ротором.

В синхронных двигателях с катящимся ротором редуцирование

угловой скорости ротора по отношению к угловой скорости магнитного поля

объясняется тем, что ротор расположен эксцентрично в расточке статора и

имеет возможность катиться вдоль окружности статора. Основной

электромагнитны вращающий момент создается за счет сил одностороннего

магнитного притяжения ротора к статору несимметричным вращающимся

магнитным полем.

Конструкция реальных двигателей с катящимся ротором определяется

методом получения несимметричного вращающегося поя, устройством

поверхностей обкатывания и механизма передачи несоосного вращения

ротора. Конструктивная схема двигателя с катящимся ротором изображена

на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Схема двигателя с катящимся ротором

В корпусе 1 закреплены сердечник статора 2, постоянные магниты 4 и

направляющие статора 9. Статор не отличается по конструкции от статора

классической асинхронной машины, и его двухполюсные обмотки 3

предназначены для создания симметрично вращающегося потока.

Постоянные магниты имеют радиальную намагниченность и создают

униполярный поток подмагничивания. Направляющие статора имеют

гладкую или зубчатую поверхности. Ротор двигателя монтируют на полой

23

втулке 7, которая одновременно служит магнитопроводом для потока

подмагничивания. Основной сердечник 5 ротора собирают из листовой

электротехнической стали; он не имеет обмоток. Кольцевые сердечники 6,

набранные из листовой электротехнической стали, уменьшают магнитное

сопротивление на пути потока подмагничивания. Катки 8 ротора имеют

гладкую или зубчатую поверхности. Их наружный диаметр несколько

больше диаметра ротора, что предохраняет поверхности ротора и статора от

непосредственного соприкосновения и износа. Внутри полой втулки

размещают кинематический механизм передачи несоосного вращения

ротора.

Недостатками конструкции двигателей с катящимся ротором в том, что

механизм передачи вращения довольно сложный, это связано со

специфическим несоосным вращением ротора. Центробежные силы,

возникающие за счет вращения центра ротора относительно центра статора,

вызывают вибрации, шумы, неравномерность мгновенной угловой скорости

ротора.

Волновые двигатели.

Синхронные волновые двигатели представляют собой конструктивное

объединение электрической машины и волновой зубчатой передачи.

Особенность конструкции таких двигателей заключается в том, что они

имеют гибкий, деформирующийся в радиальном направлении ротор,

непосредственно на поверхности которого крепится гибкий зубчатый венец

волновой передачи.

Электромашинная часть волнового двигателя создает вращающий

момент и является электромагнитным генератором механических волн

деформации для волновой передачи.

Конструкция и принцип действия синхронного волнового двигателя

изображен на рисунке 2.9.

24

Рисунок 2.9 - Схема синхронного волнового реактивного двигателя с

радиально-осевым замыканием магнитного потока

В корпусе 1 укреплены П-образные ферромагнитные сердечники 2

статора. На сердечниках расположены сосредоточенные катушки 3,

образующие двух - или трехфазную обмотку переменного тока,

предназначенную для создания в воздушном зазоре вращающегося

магнитного поля. Жесткий зубчатый венец 8 волновой передачи закреплен на

внутренней поверхности статора. Ротор 4 представляет собой гибкий

тонкостенный стакан, выполненный из металла или пластмассы и

укрепленный на выходном валу 9. На внешней поверхности ротора крепится

гибкий зубчатый венец 7 волновой передачи. Внутренний магнитопровод

состоит из отдельных ферромагнитных секторов 5, которые могут

перемещаться в радиальном направлении и деформировать ротор. К

внутренней поверхности ротора они прижимаются центрирующими

эластичными кольцами 6.

Низкая угловая скорость, большой вращающий момент и высокие

динамические показатели волновых двигателей и двигателей с катящимся

ротором способствуют их применению для привода различных точных

механизмов (нониусы копировальных станков, часовые устройства и др.), а

также в электромеханических манипуляторах систем дистанционного

управления (вакуумные, радиационные установки и др.).

Синхронные шаговые двигатели.

Шаговыми двигателями называют электромеханические устройства,

25

преобразующие электрические сигналы в дискретные угловые перемещения

вала.

В качестве шаговых используют двигатели, имеющие не более двух

устойчивых угловых положений ротора в пределах оборота.

Шаговые двигатели можно подразделить на три основные

конструктивные группы:

Двигатели с постоянными магнитами (активного типа).

Статор двигателей активного типа имеет явно выраженные полюсы, на

которых располагают обмотки управления. Число пар полюсов каждой из

обмоток управления равно числу пар полюсов ротора.

Наибольшее распространение получили шаговые двигатели активного

типа с ротором в виде "звездочки" постоянных магнитов литой или

составной конструкции.

Реактивные и индуктивные.

В конструкции реактивных и индуктивных шаговых двигателей с

целью уменьшения шага используют принцип электромагнитного

редуцирования скорости.

В реактивных двигателях статор и ротор набирают из листовой

электротехнической стали.

Принцип действия всех типов шаговых двигателей состоит в

следующем. С помощью электронного коммутатора вырабатываются

импульсы напряжения, которые подаются на обмотки управления,

расположенные на статоре шагового двигателя. В зависимости от

последовательности возбуждения обмотку управления происходит то или

иное дискретное изменение магнитного поля в рабочем зазоре машины. При

угловом перемещении оси магнитного поля обмоток управления шагового

двигателя его ротор дискретно поворачивается вслед за магнитным полем.

Закон поворота ротора определятся последовательностью, скважностью и

частотой управляющих импульсов, а также типом и конструктивными

параметрами шагового двигателя.

26

Это можно пояснить на примере простейшего m-фазного двигателя с

массивным (невозбужденным) двухполюсным ротором (рисунок 2.10),

управляемого однополярными импульсами.

Рисунок 2.10 - К принципу действия шагового двигателя с пассивным

ротором

При однополярном питании обмоток напряжение изменяется от нуля

до + U. Если импульс подана фазу 1, то ось ротора займет положение,

совпадающее с осью этой фазы (рисунок 2.10, а). При снятии напряжения с

фазы 1 и одновременной подачей импульса на фазу 2 ротор повернется

(сделает шаг) на угол θш = 2π/m и займет положение совпадающее с осью

фазы 2, и т.д. Таким образом, если питать однополярными импульсами

отдельно каждую обмотку m-фазного шагового двигателя с пассивным

ротором, то двигатель будет иметь m устойчивых состояний.

Если фазы шагового двигателя питать группами, содержащими четное

количество фаз, то ротор будет занимать положения, совпадающие с

линиями, проходящими между осями средних фаз группы. Например, при

одновременной подаче импульсов на фазы 1, 2 ротор займет положение,

соответствующее рис.9, б. При снятии напряжения с фазы 1 и одновременной

подаче импульса на фазу 3 ротор сделает шаг θш = 2π/m и т.д. Количество

устойчивых положений ротора при таком способе управления также равно m.

Оба рассмотренных способа управления называются симметричными,

так как поочередно включается одинаковое количество фаз.

27

При несимметричном управлении, т.е. при поочередном включении

неравных по количеству групп фаз, число устойчивых состояний равно 2m.

Действительно, если коммутатор подает импульсы на фазы по закону 1; 1-2;

2; 2-3; 3; …, то сначала ротор займет положение рисунок 2.10, а, затем

сделает шаг θш = π/m и займет положение рисунок 2.10, б и т.д.

При активном (возбужденном) роторе шагового двигателя

используется и двухполярная коммутация, когда на фазу может быть подано

напряжение +U или -U.

В таблице 3 приведены основные технические данные шаговых

двигателей.

Таблица 3 - Шаговые двигатели

Тип

двигателя

m θш Мmax Мном Jном

иг

Jр fпр

max

fпр,

ном

I U

РШД-24

РШД-25

РШД-10

РШД-11

РШД-20

РШД-21

РШД-15

РШД-16

РШД-30

РШД-32

РШД-35

ЭШД-32

ЭШД-26

ЭШД-201

ЭШД-21

ЭШД-27

ЭШД-31

ДШ-0,025А

ДШ-0,04А

ДШ-0,1А

ДШ-0,25А

ДШ-0,4А

ДШ-1А

ДШ-4А

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

2

2

2

2

2

2

4

4

4

4

4

4

4

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

22,5

22,5

22,5

22,5

22,5

22,5

22,5

22,5

18

18

22,5

22,5

22,5

0,4

1,0

1,4

3,5

10

16

18

38

400

100

38

1,8

10

65

80

180

300

2,0

3,5

8,0

15

21

60

160

0,1

0,25

0,55

1,1

2,5

4,0

6,0

10,0

100

25

16

1,0

4,0

20

30,6

60

100

0,25

0,4

1,0

2,5

4,0

10

40

0,32

0,63

8,0

8,0

5,0

8,0

9,0

16

390

55

27,3

0,415

1,2

63

120

120

370

2,5

3,5

19

58

125

420

1370

-

2,5

3,5

19

58

125

420

1370

3900

3,0

3,0

3,0

6,8

20

30

50

-

50

500

400

300

250

200

160

100

400

400

380

300

320

300

280

1000

1200

400

300

850

870

750

570

250

390

550

600

700

300

160

280

200

450

350

300

250

200

150

100

-

0,45

0,35

0,6

0,75

1,5

2,7

4,1

5,0

0,165

0,325

0,165

0,44

0,37

1,4

2,0

24

24

27

27

27

24

24

24

24

24

24

24

24

24

48

48

48

27

27

27

27

27

27

27

28

ДШ-6А

ШДА-1

ШДА-1А

ШДА-1ФК

ШДА-2А

ШДА-3

ШДА-4А

ШДА-5А

ШДА-6

ШДА-6А

ШДР-7Ф

ШДР-231

ШДР-581

ШДР-523

ШДР-711

ШДР-721

ШДР-5

ШД-10/100

ШД-1С

ШД-1Б

ШД-1ЕМ

ШД-1А

ШД-3С

ШДА-3-1

ШДАз-2

ШДА-3-3

ШДА3-4

ШДА3-5

ШДА-3-6

ШД-2

ШД-75/300

ШД-300/300

ШДР-

50/1800

ШД-5

ШД-4

ШД-4Б

ШД-6А

ДШМ-16-4

ДШМ-16-8

ДШИ-72-3

ДШИ-360-8

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

2

4

2

4

3

3

3

3

3

3

3

3

3

4

3

3

3

4

4

4

4

4

22,5

22,5

22,5

22,5

22,5

22,5

22,5

22,5

22,5

22,5

22,5

9

9

3

3

3

2,14

15

15

15

15

15

15

15

5

15

15

15

15

16,0

3,0

3,0

3,0

1,5

1,5

3,0

1,0

22,5

22,5

5,0

1,0

260

1,5

1,5

1,5

2,6

7,0

16

28

41

41

75

1,25

5,4

16

12

19

6,0

0,5

1,0

2,0

1,4

7,5

17

2,0

4,0

10

25

50

100

150

3,0

6,0

8,0

10

50

40

50

2,8

40

2,2

56

60

0,4

0,4

0,3

1,0

2,5

6,0

10

16

16

20

0,4

1,6

4,0

4,0

6,0

2,0

0,1

0,4

0,4

0,4

1,2

2,5

0,1

0,4

1,0

4,0

6,0

10

30

0,75

3,0

0,75

5,0

25

20

20

1,0

16

0,4

16

3900

3,0

3,0

3,0

6,8

20

30

50

100

100

150

0,4

5,0

45

15

22

50

2,0

0,5

0,5

0,5

15

20

1,0

3,0

7,0

25

60

125

50

10

30

20

50

10

160

160

1,0

60

0,16

100

97

97

150

0,83

3,1

2,8

15

21,5

25

5,0

14

14

3,0

45

100

2,5

6,5

16

47

130

280

300

3,0

20

100

55

310

160

210

260

260

230

1500

1500

1500

1100

1100

1100

1400

1000

1000

1600

80

210

210

200

150

130

125

120

120

120

100

700

600

600

600

600

400

100

100

200

250

150

100

600

450

350

150

150

100

200

300

300

1000

1200

800

800

430

230

1000

550

1,65

3,25

1,7

0,35

1.0

1,0

1,75

2.5

0,8

0,075

0,085

0,1

0,11

0,11

0, 19

0,32

0,5

0,65

1,0

0,45

1,9

8,3

0,3

0,75

1,5

2,0

2,6

2,6

2,4

1,9

7,0

0,74

4,8

27

28

14

28

14

28

14

14

28

14

60

28

28

28

14

14

28

14

27

25

15

25

24

27

27

27

27

27

27

12

24

24

27

27

27

27

27

27

27

27

27

29

Примечание. θш - градусах; Мmax, Мном - в 210 Н ∙ м; Jр, Jном иг - в

710 кг ∙ м²; fпр max, fпр, ном - в герцах; I - ток шагового двигателя в режиме

фиксированной стоянки в амперах; U - в вольтах.

Асинхронные исполнительные двигатели

Самые распространенные исполнительные двигатели - переменного

тока. На статоре у них расположены две распределенные обмотки,

пространственно смещенные на электрический угол 90°: обмотка

возбуждения f и обмотка управления y. Обмотка возбуждения постоянно

подключена к сети переменного тока, на обмотку управления подается

управляющий сигнал. Для создания в рабочем зазоре исполнительного

двигателя вращающего магнитного поля необходим сдвиг во времени фаз

токов обмоток f и y. Максимум мощности, развиваемой исполнительным

двигателем, соответствует равенству МДС Fy=Ff и сдвигу токов Ii и Iy на

90°. Сдвиг токов (напряжений) может осуществляться с помощью

фазодвигающих устройств (ФСУ), фазовозвращателей (ФВ), конденсаторов.

Асинхронные двигатели классифицируют по двум направлениям:

по их применению, схемам включения, конструктивным особенностям

и способам управления.

по виду асимметрии статора: электрической, пространственной,

магнитной.

Схемы включения исполнительных двигателей зависят от источника

питания и числа фаз. В большинстве следящих систем источником питания

является источник напряжения, иногда используется источник тока; имеются

случаи смешанного питания. По числу фаз источника питания двигатели

разделяют на трехфазные, двухфазные и однофазные - конденсаторные.

Конденсаторные двигатели имеют две обмотки6 возбуждения и управления.

Оси которых смещены в пространстве чаще всего на электрический угол 90º.

Способы управления исполнительными двигателями связаны с

изменением управляющего сигнала (напряжения или тока по величине, фазе

или частоте - соответственно амплитуде, фазовое или частотное управление),

30

так и с поворотом осей обмоток относительно друг друга (пространственное

управление). Применяется также симметричное регулирование -

одновременное изменение напряжения на обеих обмотках статора;

подмагничивание магнитной цепи машины постоянным током; управление

импульсное или широтно-импульсное - импульсами прямоугольной формы с

регулируемой длительностью; комбинированные способы управления и др.

Классификация по виду асимметрии удобна для теоретического

исследования асинхронны исполнительных двигателей. Машин

несимметричных как по принципу действия, так и по своему устройству. От

вида и степени асимметрии зависит характер поля в машине.

По конструктивному исполнению асинхронные исполнительны

двигатели можно разделить на три типа: двигатели с полым немагнитным

ротором; двигатели с обычным ротором, имеющим короткозамкнутую

обмотку в виде беличьей клетки; двигатели с полым ферромагнитным

ротором и др.

Таблица 4 - Конструктивные схемы исполнительных двигателей

№ п/п Схема Особенности схемы

1

Обмотка на внешнем статоре; ротор

"беличья клетка".

2

Обмотка на внешнем статоре; ротор полый

из немагнитного материала, имеется

внутренний магнитопровод.

31

3

Обмотка на внутреннем статоре, ротор

полый из немагнитного материала, имеется

внешний магнитопровод.

4

Обмотки на внешнем и внутреннем

статорах; ротор полый из ферромагнитного

материала.

5

Обмотки на внешнем статоре; ротор полый

из ферромагнитного материала.

6

Обмотка на внутреннем статоре; ротор

полый из ферромагнитного материала.

7

Обмотка на внешнем статоре; два

рационально расположенных ротора;

полый немагнитный и "беличья клетка" с

вентилятором.

32

У двигателей первого типа ротор выполняется в виде тонкостенного

полого стакана. Применение полого ротора существенно уменьшает

инерционность двигателя и момент трения на валу.

У двигателей второго типа ротор выполнен в виде "беличьей клетки",

образованной несколькими продольными проводниками, замкнутыми

накоротко в торцевой части поперечными кольцами.

У двигателей третьего типа полый ротор выполняется из

ферромагнитного материала, поэтому инерционность двигателя повышается.

Двигатели с полым немагнитным ротором

Конструктивная принципиальная схема двигателя с полым

немагнитным ротором представлена на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Двигатель с полым немагнитным ротором

Внутри корпуса 1 находится внешний статор. Его пакет 2 набирается из

изолированных листов электротехнической стали. В пазах пакета 2

расположены обмотки 3 (управления и возбуждения). Оси МДС обмоток

сдвинуты в пространстве на электрический угол 90°. Вал 4 двигателя

крепится в корпусе с помощью подшипниковых щитов, 6,. С валом жестко

связан полый ротор 7, представляющий собой тонкостенный стакан из

немагнитного материала. Внутренний статор 8, набранный из листов

электротехнической стали, закреплен на наружной поверхности полого

цилиндра, являющегося частью одного из подшипниковых щитов.

Назначение внутреннего статора в этой конструктивной схеме - уменьшение

немагнитного рабочего зазора.

33

Конструктивная схема двигателя с полым ротором может несколько

отличаться от рисунка 2.11 Например, обмотки возбуждения и управления

располагаются на внутреннем статоре, а внешний статор пазов не имеет.

Иногда одна обмотка расположена на внешнем, а другая - на внутреннем

статоре.

Принцип действии двигателя с полым немагнитным ротором основан

на взаимодействии вращающегося магнитного поля, созданного токами,

протекающими по обмоткам статора, с вихревыми токами, которые

наводятся в полом роторе этим вращающемся полем. В результате этого

взаимодействия возникает вращающий момент, направленный в сторону

вращения поля.

Частота вращения магнитного поля (синхронная частота) постоянна и

определяется выражением:

p

fnc

60 ,

где f - частота питающего напряжения;

р - число пар полюсов обмотки статора.

В результате взаимодействия вращающего магнитного поля с

вихревыми токами, наводимыми в стенках ротора этим же вращающем

полем, в электродвигателе создается вращающий момент, увлекающий ротор

в сторону вращения магнитного поля. Так как токи ротора являются

следствием пересечения его вращающимся полем, то электромагнитный

вращающий момент асинхронного двигателя может создаваться только при

условии, когда ротор его вращается несколько медленнее вращающегося

поля. При этом вращение ротора тем медленнее, чем больше механическая

нагрузка на валу двигателя. Во время холостого хода двигателя, когда его

вращающий момент преодолевает лишь незначительный тормозящий момент

от механических потерь на трение в подшипниках и ротора о воздух, ротор

34

вращается почти синхронно с вращающимся полем и токи в стенках ротора

незначительны. В случае механической нагрузки на валу двигателя ротор

отстает от вращающегося поля больше, чем при холостом ходе. При этом

условии токи в стенках ротора возрастут и их взаимодействие с

вращающимся полем обеспечит необходимый вращающийся момент

двигателя.

Несмотря на наличие двух статоров немагнитный зазор на пути

магнитных потоков, создаваемых токами обмоток, в двигателях с полым

немагнитным ротором довольно велик. У большинства двигателей он

находится в пределах 0,5 - 1,5 мм. Дело в том, что немагнитный зазор

состоит не только из двух воздушных зазоров (между ротором и двумя

статорами), но и из толщины стакана немагнитного ротора. Это приводит к

увеличению намагничивающего тока и электрических потерь в обмотках и

снижению cosφ и к. п. д. Следствием этих недостатков является увеличение

габаритов и массы двигателя.

С другой стороны, полый немагнитный ротор обладает большим

активным и весьма малым индуктивным сопротивлением, что повышает

качество механических и регулировочных характеристик двигателя. У

большинства двигателей М0,5*=0,05÷0,15.

Полый тонкостенный ротор из легких алюминиевых сплавов имеет

малый момент инерции, что при большом пусковом моменте обеспечивает

довольно высокое быстродействие.

Поскольку ротор немагнитный, то радиальные силы тяжения ротора к

статору отсутствуют даже при больших эксцентриситетах ротора, что

способствует уменьшению сигнала трогания.

Равномерность рабочего зазора, обеспечиваемая беспазовым ротором,

повышает плавность и бесшумность хода, а также постоянство пускового

момента независимо от углового положения ротора.

Основные технические характеристики приведены в таблице 5.

35

Таблица 5 - Исполнительные двигатели с полым ротором

Тип ИД f, Гц Uf, В Uy,

ном, В

p Тм,

мс

η% Uтр/Uу,

ном

Mк/Mном g* r/Вт Рр,

ном,

Вт

АДП-023А

АДП-023

АДП-120

АДП-123

АДП-123Б

АДП-024Б

АДП-124А

АДП-124Б

АДП-262

АДП-263

АДП-263а

АДП-362

АДП-363

АДП-363А

ЭМ-0,2М

ЭМ-0,5М

ЭМ-1М

ЭМ-2М

ЭМ-4М

ЭМ-8М

ЭМ-15М

ЭМ-25М

ЭМ-50М

ЭМ-0,5

ЭМ-1

ЭМ-2

ЭМ-2-12

ЭМ-4

ЭМ-8

ЭМ15

ЭМ-25

ДИД-0,1ТА

ДИД-0,6ТА

ДИД-1ТА

ДИД-2ТА

ДИД-3ТА

ДИД-5ТА

400

500

500

500

500

1000

1000

1000

50

500

500

50

500

500

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

40

110

110

110

110

40

40

110

110

110

36

110

110

36

115

115

115

115

115

115

115

115

115

115

115

115

115

115

115

115

115

36

36

36

36

36

36

110

110

110

110

110

40

110

110

125

125

275

120

120

245

60

60

60

60

60

80

80

80

80

115

115

115

50

115

50

50

50

30

30

30

30

30

30

2

3

3

3

2

3

4

3

1

3

3

1

3

3

4

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

4

2

4

3

3

3

1

1

1

1

2

3

39

24

87

64

87

33

72

61

5

27

27

6

51

51

20

15

15

20

25

30

35

40

50

25

30

35

40

45

45

50

100

140

10

80

55

25

75

15

8

7,5

15

24,5

12

11,8

23

19,2

32

33

29

4

38

2.1

3.4

4,3

8.2

10.5

19

21

23

42

3

13

18

20

23

20

25

18

20

20

0,027

0,027

0,023

0,023

0,023

0,025

0,018

0,018

0,024

0,048

0,022

0,017

0,050

0,024

0,017

0,017

0.017

0.017

0,017

0,017

0.017

0,017

0,017

0,017

0.017

0,017

0,02

0,013

0,02

0,02

0,02

0,017

0,017

0,017

0,017

0,017

0,017

1,15

1,67

1,72

1,5

1,2

2,0

1,85

1,58

1,8

1,35

1,5

1,8

1,23

1,33

2,0

2,0

1,75

2,0

1,84

1,6

1,62

1,55

1,33

2,0

2,03

2,13

1,44

1,67

1,61

1,87

1,31

1,86

2,0

1,95

1,89

1,8

1,84

75

142,8

270,8

119,6

61,1

73,3

65,4

36,7

168,4

66,7

64,8

136,8

77,14

58,7

444

385

254

138

125

83,5

76,5

58,8

55,2

520

300

275

150

212,5

156,5

103,5

108

250

100

110

80

116,7

144

4,0

2,1

2,4

4,6

9,0

4.5

5.35

15

9,5

24,0

24,7

19

35

46

0,36

0,65

1,18

2,9

4,4

9,0

16,4

28

49

0,5

1

2

2

4

8

15

25

0,1

0,6

1

2

3

5

36

ДИД-10ТА

ДИД-1А

ДИД-2А

ДИД-3А

ДИДДИД-5А

ДИД-0,6Т4

ДИД-1Т4

ДИД-2Т4

И6762-037

И6762-038

И6762-050

И6762-059

ИД-1

ИД-1Д

ИД-1ДГ

ИД-9

ДАД2-350/50

ДАД6-50/400

ДАД8-

300/400

ДАД8-

500/400

ДАД19-

200/400

4400

400

400

400

400

1000

1000

1000

427

427

427

50

200

200

250

50

50

400

400

400

400

36

36

36

36

36

36

36

36

110

110

220

220

15

15

22

220

127

110

110

220

110

30

30

30

30

30

30

30

30

110

100

200

120

15

15

22

110

15

110

110

220

110

2

1

1

2

3

2

2

2

2

1

2

1

1

1

1

1

1

3

4

4

6

120

80

55

35

90

160

100

65

70

30

60

60

224

224

280

21,5

43

45

33

5

120

25

7

13

20

0,017

0,017

0,017

0,017

0,017

0,017

0,017

0,017

0.027

0,027

0,015

0,012

0,017

0,017

0,011

0,009

0,0026

0,005

0,009

0,0025

0,006

1,87

1,36

1,6

1,82

1,44

1,58

1,56

2,0

3,1

2,2

4,3

16,4

1,59

1,59

1,46

1,65

1,8

2,0

1,6

1,95

1,69

111,1

110

80

140

160

120

110

94

293

143

369

250

648

744

601

267

80

90

46,6

28

66

9

1

2

2,%

4,5

0,5

1,0

1,7

2,7

5,6

2,3

10

1,48

1,48

1,83

9,0

350

50

300

500

200

Двигатели с ротором типа "беличья клетка".

Широкое применение в схемах автоматики нашли и исполнительные

двигатели с ротором, имеющим обычную обмотку типа беличья клетка.

Достоинства и недостатки исполнительных двигателей этого типа в

сравнении с исполнительные двигатели с полым немагнитным ротором

определяются двумя обстоятельствами.

Первое - момент инерции ротора обычного типа во много раз больше

момента инерции полого немагнитного ротора, что при прочих равных

условиях определяет его меньшее быстродействие.

Второе обстоятельство - возможность получить рабочий зазор в

исполнительных двигателях с ротором обычного типа меньше, чем в

исполнительных двигателях с полым немагнитным ротором, позволяет

37

снизить намагничивающий ток, электрические потери в обмотках управления

и возбуждения и тем самым повысить cosφ и КПД.

Однако при воздушных зазорах 0,15 - 0,25 мм, что имеет место в

исполнительных двигателях традиционной конструкции, выигрыш в КПД

оказывается небольшим. Это объясняется тем, что индуктивное

сопротивление рассеяния роторной обмотки типа "беличья клетка", стержни

которой окружены сталью, много больше индуктивного сопротивления

рассеяния полого немагнитного ротора, находящегося в воздухе. Поэтому

для обеспечения критического скольжения Sкр > 1. которое уменьшается с

ростом индуктивного сопротивления и увеличивается с ростом активного

сопротивления ротора, приходится идти на значительное увеличение

последнего по сравнению с исполнительным двигателем с полым

немагнитным ротором. Рост же активного сопротивления ротора приводит к

увеличению электрических потерь в роторной обмотке, что определяет малое

увеличение КПД при указанных выше рабочих зазорах.

Уменьшение воздушного зазора до 0,03 - 0,05 мм стало возможным при

появлении двигателей "сквозной" конструкции. Их особенностью является

равенство внутреннего диаметра статора и диаметра расточки под

подшипники в подшипниковых щитах. Поэтому шлифовка этих размеров

может производиться в двигателе с установленными подшипниковыми

щитами, что существенно уменьшает воздушный зазор. При зазоре же 0,03 -

0,05 мм КПД двигателя с ротором обычного типа уже заметно выше, чем

двигателя с полым немагнитным ротором.

К недостаткам исполнительных двигателей с ротором обычного типа

следует отнести сравнительно большой сигнал трогания, что объясняется

силами одностороннего магнитного притяжения ротора к статору из-за

наличия на роторе ферромагнитных масс.

Давая сравнительную оценку двух типов по быстродействию, следует

отметить, что у двигателей "сквозной" конструкции за счет уменьшения

диаметра ротора при одновременном увеличении его длины удалось

38

получить для малых номинальных мощностей постоянную времени Тм даже

меньше, чем у исполнительных двигателях с полым немагнитным ротором.

Исследования показывают, что при диаметре корпуса Dк < 40÷60 мм

исполнительные двигатели с ротором типа "беличья клетка" превосходят

исполнительные двигатели с полым немагнитным ротором. При Dк > 60÷80

мм быстродействие выше у исполнительных двигателей с полым

немагнитным ротором.

Основные технические данные даны в таблице 6.

Таблица 6 - Исполнительные двигатели с ротором типа "беличья

клетка"

Тип ИД f, Гц Uf, В Uy,

ном, В

nном,

об/ми

н

Тм, мс η% Uтр/Uу

, ном

Mк/Mн

ом

g* r/Вт Рр,

ном,

Вт

ДКМ 1-6

ДКМ2,5-6

ДКМ6-6

ДКМ16-6

ДКМ40-6

ДКМ1,6-8

ДКМ4-8

ДКМ10-8

ДКМ25-8

ДКМ60-8

ДКМ0,16-

12

ДКМ0,4-12

ДКМ1-12

ДКМ2,5-12

ДКМ6-12

ДКМ16-12

ДКМ100-

12

ДКМ0,25-

24

ДКМ0,6-24

ДКМ1,6-24

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

-

35

35

115

115

115

115

115

24

40

40

40

40

40

40

40

-

35

36

36

36

36

80

80

24

24

24

24

24

24

24

24

3300

3000

3000

3600

4200

4400

4000

4000

4800

5400

9600

9600

9600

10800

12000

14000

19000

2400

25

44

41

100

190

23

44

53

140

230

15

20

25

30

40

50

350

49

66

72

100

175

270

-

7

16

20

20

20

7

18

22

20

20

-

0,084

0,084

0,084

0,084

0,084

0,037

0,037

0,042

0,042

0,042

0,042

0,042

0,025

0,042

0,042

2,0

2,0

2,0

1,65

1,4

2,0

2,0

2,0

1.52

1,42

1,4

1,36

1,8

1,61

1,48

1,5

1,17

1,8

2,0

2,0

2,0

2,0

2,0

250

188

146

125

100

156

177

88

84

67

250

200

130

100

78

55

40

160

133

81

62

47

35

1,0

2,5

6

16

40

1,6

4

10

25

60

0,16

0,4

1,0

2,5

6

16

100

0,25

0,6

1,6

4

10

25

39

ДКМ4-24

ДКМ10-24

ДКМ25-24

ДКМ60-24

АДИ-20

АДИ-25

АДИ-32

АДИ40

АДИ50

АД-20

АД-25

АД-32

АД-40

АД-50

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

400

40

40

24

24

3800

4200

2850

2700

660

13

30

20

20

20

7

18

22

20

20

0,042

0,042

1,41

2,17

1,6

1,92

1,88

1,74

35

200

162

123

191

191

100

82

76

96

128

60

0,3

0,8

1,7

2,2

3,3

0,3

0,9

1,7

2,5

3,5

Двигатели с ферромагнитными роторами.

В некоторых схемах автоматики находят применение двигатели с

ферромагнитными роторами. Их статоры не отличаются от статоров

двухфазных асинхронных машин, а роторы представляют собой

ферромагнитные полые цилиндры. Достоинством таких двигателей является

высокая линейность его механических и регулировочных характеристик.

Однако низкие энергетические показатели и относительно большие

постоянные времени Тм существенно ограничивают область применения

исполнительные двигатели с ферромагнитным ротором.

Электромагнитные исполнительные механизмы.

Исполнительные механизмы с электромагнитным приводом

представляет собой совокупность электромагнита и перемещаемой им

механической нагрузки (заслонки, задвижки, клапана, вентиля и т.д.). Они

делятся на две группы.

В устройствах первой группы электромагнит рассчитан на длительное

пропускание рабочего тока. Такие устройства состоят из электромагнита,

который при срабатывании втягивает шток органа управления и возвратной

пружины. Отпускание происходит под действием возвратной пружины при

отключении электромагнита.

40

В устройствах второй группы магнит не рассчитан на длительное

пропускание рабочего тока. В этом случае кроме основного электромагнита

имеется вспомогательный электромагнит, с помощью которого

осуществляется управление основным электромагнитом.

Такая конструкция позволяет резко уменьшить габариты

электромагнитов, так как они работают в кратковременном режиме и,

следовательно, плотность тока может быть резко увеличена. Таким образом,

для создания одной и той же МДС у катушки, работающей в

кратковременном режиме, число витков значительно меньше, чем у катушки,

работающей в длительном режиме.

Электромагниты могут быть подразделены:

по роду тока - на электромагниты постоянного и переменного тока.

Электромагниты постоянного тока применяются для быстрого перемещения

подвижных элементов станков, грузозахватных приспособлений, размыкания

тормозов механизмов и т.д. Они предназначаются для кратковременной

работы и способны развивать значительные усилия. Электромагниты

переменного тока, как правило, развивают меньшие мощности, поэтому они

используются в маломощных цепях;

по способу действия - на удерживающие и притягивающие. К

удерживающим магнитам относятся, например, электромагнитные плиты

плоскошлифовальных станков, служащие для магнитного закрепления

обрабатываемых деталей. Притягивающие электромагниты служат для

сообщения определенного движения подвижным частям;

по значению хода якоря - на длинноходовые и короткоходовые. У

длинноходовых магнитов ход якоря достигает150 мм, а у короткоходовых - 2

- 4,5 мм;

по характеру движения якоря - на электромагниты с поступательным

движением якоря и с поворотным якорем;

по способу включения - на электромагниты с параллельным и

последовательным включением обмотки в питающую сеть.

41

Конструкции электромагнитов весьма разнообразны, но всегда

основными частями электромагнита являются неподвижный стальной

магнитопровод с расположенной на нем обмоткой и подвижный якорь. При

подключении катушки электромагнита к источнику питания возникает

магнитный поток, который создает электромагнитное усилие, вызывающее

притяжение или поворот якоря.

В качестве электромагнитов с плавным перемещением подвижной

части обычно применяются электромагниты с поворотным якорем. Эти

электромагниты по своему устройству близки к электромагнитному реле.

Электромагниты широко применяются в электропневматических и

электрогидравлических исполнительных устройствах, в которых

электромагнит перемещает распределительный золотник, подключая ту или

иную полость рабочего цилиндра к источнику высокого давления, либо

открывает вспомогательные клапаны с той же целью.

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 и муфты скольжения.

42

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 и муфты вязкого трения.

Электромагнитные муфты сухого трения (фрикционные)

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 (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - 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,

43

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 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.

Муфты вязкого трения.

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

44

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 рис.7.

Рисунок 2.13 - Порошковая муфта сухого трения

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

45

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.

Муфты скольжения.

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

рис.8.

Рисунок 2.14 - Схема муфты скольжения

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

46

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.

47

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.

48

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

49

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.

50

Характеристики построены в безразмерных координатах для

идеального золотника. На рисунке обозначены: max

- безразмерная

скорость поршняmaxQ

QQ - безразмерное перемещение золотника;

∆op

pp

- 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

51

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; ω -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

52

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

53

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

54

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:

вснc

ср ppzRd

4

sin2 ,

где z - число цилиндров; R - радиус диска; γc - 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:

η = ηvηгηнмηс,

где ηv - объемный к. п. д., характеризующий объемные потери; ηг -

гидравлический к. п. д., учитывающий потери давления; ηнм - механический

к. п. д. насоса; ηс - механический к. п. д. сервомотора.

Передаточная функция гидравлического исполнительного элемента

роторного типа с учетом сжимаемости жидкости в первом приближении

будет иметь вид:

1222

s

г

TsTs

ksW

,

czRdT

sin

42

E

VJ;

55

8

sin2

cy zRdk

V

JE;

max

max

0

2 sin

4

x

Q

zRdk

x

H

c

г

,

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.); 0

x

HQ - 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

56

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

57

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/с².

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).

58

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

Устройства зажимные,

фиксирующие и другие с

ограниченной величиной

перемещения.

Моментные

*возвратно-поворотного

движения

Применяются для

периодических возвратно-

поступательных движений на

углы менее 300º.

59

*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 к. п. д. низкий.

Постоянной

производительности

*шестеренные

Просты, надежны, развивают

давление до 100 кГ/см².

*лопастные

Производительность от 5 до

200 л/мин; рабочее давление -

60-70 кГ/см²; применяют в

гидравлических системах

металлорежущих станков.

60

Переменной

производительности

*радиально-поршневые

Производительность от 50 до

400 л/мин; рабочее давление

100-200 кГ/см²; имеют

большой вес на единицу

мощности.

*аксиально-поршневые

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 = 0,159Δpqη, или М = qудΔpη,

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 3.8 показан аксиально-поршневой

гидромотор с неподвижным блоком, наклонной шайбой и дисковым

распределением.

61

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 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

62

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).

Рисунок 3.9 - Аксиально-поршневой гидромотор с наклонным блоком

В этой конструкции гидромоторов наклон блока может быть увеличен

до 30º, что ведет к повышению к. п. д. 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 3.10 показана схема четырехходового радиально-

63

поршневого гидромотора с цапфенным распределителем.

Рисунок 3.10 - Схема четырехходового радиально-поршневого

гидромотора

При нагнетании жидкости отверстия 1, 2, 3 и 4 неподвижной цапфы

создается 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 qн и гидромотора qм, то

м

н

q

qi .

Благодаря большому qм (когда qм " qн) 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

64

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 8 приведены основные параметры некоторых гидромоторов.

Таблица 8 - Гидромоторы.

Тип

гидро

мотора

Раб

оч

ий

об

ъем

, см

³/о

б

Мак

сим

аль

ная

ско

ро

сть в

ращ

ени

я

вал

а, о

б/м

ин

М

ин

им

аль

ная

ско

ро

сть в

ращ

ени

я

вал

а, о

б/м

ин

Н

ом

ин

аль

но

е д

авлен

ие,

кГ

/см

²

Вр

ащаю

щи

й м

ом

ент

пр

и

но

ми

нальн

ом

дав

лен

ии

,

кГ

м

Об

щи

й к

. п

. д

.

Об

ъем

ны

й к

. п

. д

.

Мо

мен

т и

нер

ци

и

вр

ащаю

щи

хся

час

тей

,

кГ

∙см

∙сек

²

Вес

без

жи

дко

сти

, кг

Примечание

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

0,8

0

0,9

5

0,9

7

0,9

8

0,9

8

0,9

8

0,004

0,011

0,035

0,075

0,25

4,5

7

12

20

40

Ми

ни

мал

ьн

ая с

ко

ро

сть п

олу

чен

а п

ри

др

осс

ели

ро

ван

ии

жи

дко

сти

на

вы

хо

де.К

.

п.

д.

дан

ы д

ля с

ко

ро

сти

вр

ащ

ени

я в

ала

10

00

об

/ми

н п

ри

но

ми

нальн

ом

дав

лен

ии

.

Ги

др

ом

ото

р д

оп

уск

ает

пер

егр

узк

у п

о

дав

лен

ию

65

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

0,5

0

0,5

5

0,6

0

0,6

4

0,6

8

0,7

5

0,8

0

0,8

5

0,8

8

0,9

0

0,002

0,013

0,013

0,07

0,07

10

24

24

86

86

К.

п.

д.

дан

ы д

ля с

ко

ро

сти

вр

ащен

ия в

ала

10

00

об

/ми

н п

ри

но

ми

нальн

ом

дав

лен

ии

.

Мгн

овен

но

е п

овы

шен

ие

дав

лен

ия

до

пу

скае

тся д

о 6

5 к

Г/с

м²

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

0,8

3

0,8

3

0,8

3

0,8

3

0,9

1

0,9

1

0,9

2

0,9

2

0,9

3

0,9

7

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.

п.

д.

для м

акси

мал

ьн

ой

ско

ро

сти

вр

ащен

ия в

ала

пр

и н

ор

мал

ьн

ом

дав

лен

ии

. М

акси

мал

ьн

ое

до

пу

сти

мо

е кр

атко

вр

емен

но

е д

авлен

ие

16

0

кГ

/см

². М

ин

им

альн

ые

об

ор

оты

пр

и р

або

те о

т р

егу

ли

ру

емо

го н

асо

са т

ого

же

но

мер

а. В

ги

др

ом

ото

рах

с I

IМ №

5 в

ес д

ан с

клап

анн

ой

ко

ро

бко

й.

Находят также широкое применение так называемые шаговые

гидромоторы, осуществляющие дискретное вращение вала за один цикл

подачи в него жидкости.

На рис.24 показана схема действия такого гидромотора.

66

Рисунок 24 - 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

9полость 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.

Переключение подачи жидкости из полости А в полость Б вызывает поворот

вала на ⅓ шага кулачка tк. 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;

67

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 на рисунке 3.12.

68

Рисунок 3.12 - 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 3.13.

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 сопл обратной связи, выравнивая

давления в 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

69

поршня всегда устанавливается в положение, пропорциональное входному

сигналу.

Схематически изображенное на рис.18 блокировочное устройство 9

состоит из двух конусных клапанов с эластичными уплотнениями и не

изображенной на схеме системы настройки падения давления в системе

управления блокировочным устройством, при которой происходит закрытие

этих клапанов.

Рисунок 3.13 - 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 рпит 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.

70

Если в силу каких-либо причин давление в напорной магистрали рпит

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 (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 рручн (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.

71

Внешний вид описанного исполнительного механизма со вторым

вариантом крепления изображен на рисунке 3.14.

Рисунок 3.14 - 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 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 3.15.

72

Рисунок 3.15 - 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 электрическому сигналу.

Электронные блоки ПН-2 и УН-М-2, а также электрогидроусилитель

73

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 мм²/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 9.

Таблица 9 - технические данные механизмов, зависящие от диаметра

поршня

Диаметр поршня, мм 63 80 125

Ход поршня, мм

Усилие, развиваемое механизмом при

перепаде давлений на поршне 15 МПа, кН,

не менее

Порог чувствительности механизмов, не

оснащенных позиционерами,%давления

питания:

при давлении 1 МПа

при давлении 16 МПа

25,40, 63, 100

32 500

6

4

63, 100, 200

53 000

5

3

200, 400

130 000

4

2

74

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

ненагруженного механизма (при максимальном давлении) не мене 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 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 90º, - не менее 3 ГЦ.

У установленного на механизме датчика положения пределы

изменения входного сигнала 1÷0÷1 В, порог чувствительности - не более

0,5%, основная допускаемая погрешность ±1,5%.

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.

75

Силовые гидроцилиндры.

Силовые цилиндры по своим схемам и конструкциям очень

разнообразны. В зависимости от выполняемых операций они могут быть

одностороннего и двустороннего действия, т.е. совершать работу под

действием жидкости при движении поршня или плунжера только в одном

или в двух направлениях. В первом случае поршень возвращается в исходное

положение благодаря собственному весу или под действием пружины.

Гидроцилиндры могут быть с выходом штока или плунжера только в

одну сторону - цилиндры с односторонним штоком, или в обе стороны -

цилиндры с двусторонним штоком. Гидроцилиндры могут также иметь

несколько штоков или плунжеров, расположенных один в другом так, что

общий ход их будет больше длины корпуса - это телескопические цилиндры.

На рисунке 3.16 приведены схемы некоторых цилиндров, а на рисунке

3.17 показан пример конструкции цилиндра.

76

Рисунок 3.16 - Схема силовых цилиндров

Рисунок 3.17 - Пример конструкции силового гидроцилиндра

Уплотнение поршня чаще всего выполняется поршневыми кольцами,

но может быть выполнено и с применением различных манжет. Шток

уплотняется манжетами, сальниковой набивкой или круглыми резиновыми

кольцами.

Усилие R, получаемое на штоке цилиндра, в общем виде

R = p1f1 - p2f2 - Rmp,

где p1 и p2 - давление в напорной и сливной полостях цилиндра;

f1 и f2 - эффективные (рабочие) площади поршня;

Rmp - суммарное усилие трения поршня и штока в местах уплотнения.

77

Скорость v перемещения поршня определяется количеством жидкости

Q, поступающей в цилиндр в единицу времени (при отсутствии объемных

потерь - утечек через уплотнения и перетечек между полостями):

f

Qv .

Так как в цилиндрах с односторонним штоком справа и слева от

поршня эффективные площади неодинаковы, то скорости поршня в эти

стороны, при одинаковых подачах жидкости, будут различны. Для получения

равных скоростей перемещения поршня в обоих направлениях при одной и

той же подаче жидкости применяются цилиндры с односторонним штоком,

площадь сечения которого в 2 раза меньше площади поперечного сечения

поршня (D² = 2d²). Такие цилиндры иногда называют дифференциальными.

Для перемещения поршня вправо (рисунок 3.18) обе полости цилиндра

соединяют между собой и подключают к насосу. Жидкость из штоковой

полости возвращается обратно в цилиндр.

Рисунок 3.18 - Включение дифференциального силового цилиндра

Скорость перемещения поршня при этом в обе стороны будет

определяться выражением

78

2

40

d

Qv

,

где v в м/мин; Q в л/мин; d в см.

Создаваемое усилие (без учета трения) 4

2dpR

, т.е. меньшее, чем

можно получить. Если подавать жидкость в поршневую полость. В

последнем случае

4

2DpR

.

При небольших перемещениях широко применяются мембранные или

диафрагменные силовые цилиндры (рисунок 3.19).

Рисунок 3.19 - Диафрагменный силовой цилиндр

Их положительным свойством является практическое отсутствие

перетечек между полостями, дешевизна, простота изготовления и малый вес.

Величина развиваемого усилия у этих цилиндров уменьшается по ходу штока

(прогибу диафрагмы) и зависит от материала и конструкции диафрагмы. В

связи с этим в зависимости от материала и формы диафрагмы ход штока

практически колеблется в пределах 0,15-0,25 диаметра диафрагмы.

Моментные гидроцилиндры.

79

Схемы моментных гидроцилиндров показаны на рисунке 3.20.

Рисунок 3.20 - Схемы моментных гидроцилиндров

Эти цилиндры применяются для периодических возвратно-поворотных

движений на углы практически меньшие 300º. Уплотнение поворотной

лопасти по торцу и радиусу значительно сложнее уплотнения цилиндров. Это

затрудняет применение таких конструкций для работы при высоких

давлениях.

Рабочий объем моментных гидроцилиндров с лопастью

80

b

zrrq

360

2

1

2

2 ,

где r2 и r1 - наибольший и наименьший радиусы лопасти;

z - число лопастей;

b - ширина лопасти;

φ - полный угол поворота лопасти (вала).

Вращающий момент на валу цилиндра

bz

rrpM

2

2

1

2

2 .

Угловая скорость ω лопасти при постоянной подаче Qи отсутствии

утечек:

2

1

2

2

2

rrb

Q

.

Для высоких давлений применяются моментные гидроцилиндры с

кривошипно-шатунным механизмом. Они имеют большие габариты по

сравнению с лопастными, но уплотнение поршня у них может быть

выполнено более надежно. Угол поворота вала связан с подачей в него

рабочей жидкости более сложной зависимостью. В крайних положениях

поршня скорость поворота вала уменьшается при неизменной подачи

жидкости. Наличие рычага на валу за счет радиуса его крепления.

81

4. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

4.1ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Рабочим телом в пневматических устройств является сжатый воздух

представляющий собой смесь азота, кислород (по объему примерно 78 и

21%соответственно) и других газов, содержащихся в небольшом

количестве (аргон, углекислый газ и др.), а также водяного пара.

Пневматические исполнительные механизмы работают на сжатом

воздухе, газе низкого давления 1 - 1,5 МПа. В качестве последнего могут

быть использованы отработанные газы реактивного двигателя или

специального газогенератора.

Отличие пневматических устройств от гидравлических обусловлены

различиями в свойствах газа и рабочей жидкости. Сжимаемость газа

оказывает значительное влияние на быстродействие системы, особенно при

значительной нагрузке или при значительных ускорениях.

К основным параметрам пневматических устройств относятся

условный проход, лиапазон давления, расходная характеристика, параметры

управляющего воздействия, параметры выхода, утечки, время срабатывания,

допускаемая частота включений, показатели надежности, размер, масса.

Исполнительный механизм в пневматической системе автоматического

регулирования должен отвечать следующим основным требованиям:

развивать переустановочное усилие, достаточное для преодоления

реакции (сопротивления) рабочих частей регулирующего органа на всем

диапазоне перемещения при наихудших допустимых условиях эксплуатации;

обладать детектирующим действием, т.е. передавать воздействие

только в одном направлении - от регулятора (регулирующего устройства) к

регулирующему органу и регулируемому объекту;

чувствительность, гистерезис и люфт исполнительного механизма

должны быть соизмеримы со значениями аналогичных показателей других

82

звеньев контура регулирования (датчика, регулирующего устройства и др.);

скорость перемещения выходного звена исполнительного механизма

при номинальной нагрузке должна соответствовать (быть равной или

больше) скорости разгона регулируемого объекта;

конструкция должна содержать дополнительные устройства, такие как

ручной привод местного управления регулирующим органом, местный

указатель положения рабочих частей регулирующего органа, тормоз,

стопорящий выходное звено в достигнутом положении при исчезновении

давления питающего воздуха.

В пневмодвигателях энергия сжатого воздуха преобразуется в энергию

движения выходного звена. Они предназначены для приведения в движение

рабочих органов машин, выполнения различных вспомогательных операций

и пр.

4.2 КЛАССИФИКАЦИЯ

В пневмодвигателях энергия сжатого воздуха преобразуется в энергию

движения выходного звена. Они предназначены для приведения в движение

рабочих органов машин, выполнения различных вспомогательных операций

и пр.

Различают пневмодвигатели с поступательным движением выходного

звена; пневмодвигатели с неограниченным углом поворота выходного звена;

пневмодвигатели с неограниченным вращательным движением выходного

звена (пневмомоторы). К первым относятся поршневые, сильфонные,

камерные, шланговые и мембранные пневмодвигатели различных

конструкций, ко вторым - такие же, но с лопастным рабочим элементом.

Наибольшее распространение получили поршневые пневмодвигатели,

которые называют также пневдоцилиндрами.

Различают двухпозиционные и многопозиционные двигатели.

Поворотные пневмодвигатели могут быть поршневыми и

83

пластинчатыми.

Пневмомоторы по конструктивным признакам разделяют на

поршневые, мембранные, пластинчатые, винтовые и турбинные.

Поршневые пневматические исполнительные механизмы так же, как и

гидравлические, имеют силовой цилиндр с поршнем и дроссельное

устройство.

Мембранные пневматические исполнительные устройства могут быть

одностороннего и двойного действия. В устройствах одностороннего

действия движение мембраны в одном направлении производится усилием

возрастающего давления газа, а в противоположном - усилием пружины. В

устройствах двойного действия движение мембраны в обе стороны

осуществляется усилием возрастающего давления газа.

Таблица 10 - Основные типы пневмодвигателей, их назначение и

области применения

Двигатели Схема двигателя Область применения

1. Пневмодвигатели с

поступательным движением

выходного звена:

Поршневые

(пневмоцилиндры):

*одностороннего действия

Подъемники и механизмы в

которых движение в одну из

сторон производится по

действием внешних сил или

собственного веса. Величина

перемещений до (8-10) D и

усилий до 30 кН.

* одностороннего действия с

пружинным возвратом

Зажимные, фиксирующие,

переключающие и другие

устройства. Величина

перемещений до (0,8-1,5) D и

усилий 0,04-6 кН.

* двустороннего действия с

односторонним штоком

Транспортирующие, погрузочно-

разгрузочные, зажимные и

другие устройства. Величина

перемещений до (8-10) D и

усилий до 45 кН.

* двустороннего действия с

двусторонним штоком

Устройства с требованиями

равенства развиваемых усилий в

84

обе стороны или управления

конечными выключателями с

нерабочей стороны штока.

Величина перемещений до (8-10)

D и усилий до 30 кН.

*сдвоенные (одно - или

двустороннего действия)

Зажимные устройства с

ограничением радиального

размера цилиндров. Величина

перемещений до (0,8-1,5) D и

усилий до 60 кН.

* телескопические (одно - или

двустороннего действия)

Устройства со значительной

величиной перемещения

рабочего органа при

ограниченном осевом размере

цилиндра в исходном

положении.

Многопозиционные

пневмоцилиндры:

* двухпоршневые

Устройства позиционирования,

переключения передач и другие.

Обеспечивают несколько

фиксированных положений

рабочего органа.

*однопоршневые с

отверстиями в гильзе

* многопоршневые

* со встроенным реверсом

Прошивочные, штамповочные,

маркировочные, чеканочные и

другие устройства.

Обеспечивают высокую

скорость в одном или обоих

направлениях.

* с гибким штоком

Транспортирующие устройства

со значительными

перемещениями и требованиями

к минимальному размеру

цилиндра. Величина

перемещений до 20 D и усилий

до 45 кН. Трудно обеспечить

уплотнения гибкого штока.

Вращающиеся Зажимные устройства станков

85

пневмоцилиндры:

* одно - или двустороннего

действия (с полым и

сплошным штоком)

для обработки пруткового

материала и штучных заготовок.

* сдвоенные

То же, при необходимости

обеспечения усилий зажима

свыше 45 кН или ограничения

размера по диаметру цилиндров

Мембранные (одно - или

двустороннего действия)

Устройства зажимные,

фиксирующие и другие с

ограниченной величиной

перемещения 0,1 D для плоских

мембран с гофром. Величина

усилий до 30 кН.

Сильфонные

В датчиках и специальных

устройствах с небольшой

величиной хода и усилий.

Камерные

Для зажима деталей в

нескольких точках.

Обеспечивают постоянное

усилие зажима при изменении

размера деталей.

Шланговые

Транспортирующие устройства

со значительной величиной

перемещения (до 10 и более, при

небольших перемещаемых

массах).

2. Поворотные

пневмодвигатели:

Двухпозиционные

* поршневые

Автоматические манипуляторы

и загрузочные устройства; угол

поворота обычно до 360 (и

специальном исполнении до

1800), крутящий момент до 20

кН*м.

* шиберные

Угол поворота до 300; крутящий

момент до 500 Н*м.

Пневмомоторы:

Шестеренные

Приводы транспортеров,

лебедок, комбайнов, сверильных

86

машин в угольной и

горнорудной промышленности.

Аксиально-поршневые

Приводы ручного инструмента,

сверлильных головок и других

устройств.

Радиально-поршневые

Приводы лебедок, конвейеров и

других устройств во

взрывоопасных помещений, а

также сверлильных машин с

относительно высоким

крутящим моментом.

Мембранные

Приводы трубопроводной

арматуры клапанного типа.

Пластинчатые

Ручной инструмент,

сверлильные и резьбонарезные

головки, гайковерты и другие

устройства

Винтовые

Приводы конвейеров,

транспортеров и других машин.

Турбинные

Приводы шлифовальных

головок.

4.3 КОНСТРУКЦИИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Поршневые пневмодвигатели.

В пневмоцилиндрах происходит преобразование потенциальной

энергии сжатого воздуха в механическую энергию поршня.

87

В пневмоцилиндрах одностороннего действия давление сжатого

воздуха действует на поршень только в одном направлении, в другую

сторону поршень со штоком перемещается под действием внешних сил или

пружины (рисунок). Такие пневмоцилиндры с пружинным возвратом обычно

используют для выполнения небольших перемещений (0,8-1,5) D, так как

встроенная пружина, сжимаясь, значительно снижает усилие, развиваемое

поршнем.

Рисунок - 4.1 Пневмоцилиндры одностороннего действия

В пневмоцилиндрах двустороннего действия перемещение поршня со

штоком под действием сжатого воздуха происходит в двух

противоположных направлениях. Пневмоцилиндры этого типа нашли

наибольшее применение в промышленности. В зависимости от

предъявляемых требований их различают по конструктивным размерам и по

схемам соединения с пневматической системой и атмосферой (рисунок).

88

Рисунок 4.2 - Пневмоцилидры двустороннего действия:

а) без торможения4 б) с торможением

в) с двусторонним штоком; г) сдвоенный

Сдвоенные пневмоцилиндры используют в том случае, когда диаметр

пневмоцилиндра ограничен из-за недостатка места (используют два

цилиндра или более последовательно соединенных между собой и

работающих на один шток - в результате этого усилия сжатого воздуха,

действующего на поршни, складывается) (рисунок г). Недостатком

сдвоенных пневмоцилиндров является увеличение длины цилиндра

приблизительно в таком же соотношении, в каком увеличивается усилие.

89

Вращающиеся пневмоцилиндры применяют в качестве силового

привода патронов, оправок и других приспособлений, осуществляющих

зажим штучных заготовок и пруткового материала на токарных, токарно-

револьверных и других станках.

Эти пневмоцилиндры подразделяют на следующие типы:

одностороннего действия, двустороннего действия и сдвоенные. В

зависимости от исполнения штока вращающиеся цилиндры бывают со

сплошным или полым штоком (рисунок).

Рисунок 4.3 - Вращающиеся пневмоцилиндры:

а) со сплошным штоко; б) с полым штоком

Пневмоцилиндры с гибким штоком применяются для перемещения,

хонингования, шлифования, полирования и прочее (рисунок).

Рисунок 4.4 - Пнвмоцилиндры с гибким штоком

Пневмогидравлические цилиндры применяют для получения

стабильной скорости перемещения штока, что особенно важно в приводах

90

подач режущего инструмента станков (рисунок).

Рисунок 4.5 - Пневмогидравлические цилиндры

Ударные пневмоцилиндры (рисунок):

а) одностороннего действия4

б) со встроенным ресивером, концентрично расположенным;

в) золотниковым распределением;

г) двустороннего действия.

Рисунок 4.6 - ударные пневмоцилиндры

Мембранные исполнительные механизмы одностороннего действия.

В качестве примера на рисунке 4.7 приведена схема мембранного

исполнительного механизма одностороннего действия.

91

Рисунок 4.7 - Схема пневматического мембранного исполнительного

механизма одностороннего действия

Она состоит из корпуса 1, верхней крышки 2, которая плотно

прижимает к корпусу эластичную мембрану 3, изготовленную из прочной

прорезиненной ткани или других материалов. Под мембраной 3 расположен

металлический диск 4, опирающийся на направляющийся стакан 6.

Последний с диском 4 к мембране 3 поджимается пружиной 9. К центру

стакана 6 прикреплена тяга 8, на другом конце которой жестко закреплен

регулирующий клапан 10.

Работа мембранного исполнительного механизма заключается в

следующем. Под воздействием давления воздуха Р, подаваемого через

патрубок 5, происходит прогиб мембраны 3, который передается через тягу 8

на регулирующий клапан 10, закрывающий отверстие 12. В этом случае газ

(жидкость), имеющий давление Рвх, из полости 13 не поступает в полость 11.

При понижении давления воздуха Р в полости 7 над мембраной пружина 9

через тягу 8 на регулирующий клапан 10, закрывающий отверстие 12. В этом

случае газ (жидкость), имеющий давление Рвх, из полости 13 не поступает в

полость 11. При понижении давления воздуха Р в полости 7 над мембраной

пружина 9 через направляющий стакан 6 и диск 4 прижимает мембрану 3 к

верхней крышке 2. При этом тяга 8 и регулирующий клапан 19

перемещаются верх и открывается отверстие 12. Таким образом, в одном

направлении тяга 8 движется под действием возрастающего давления

92

воздуха Р, а в противоположном - под действием пружины 9.

Основным недостатком мембранных пневматических исполнительных

механизмов является малое применение тяги. Ограничиваемое прогибом

мембран Максимальное перемещение мембраны может достигать 40 мм.

Пневматические сервомоторы вращательного движения применяются

реже. Поршневые и лопаточные пневматические сервомоторы отличаются от

гидравлических главным образом конструкцией уплотнений поршня и

штока. В качестве уплотнителей в пневматических сервомоторах применяют

обычно резиновые, поливиниловые и другие кольца и манжеты,

закладываемые в канавки с распорными кольцами. В виду сжимаемости

рабочего агента - газа (воздуха) пневматические исполнительные элементы

без дополнительных устройств (обратные связи, порционеры) не могу

обычно обеспечить требуемой точности переустановки регулирующего

органа.

Основной характеристикой пневматического сервомотора является

скоростная характеристика, которую приближенно в зависимости от

параметров сервомотора и рабочего агента можно, не учитывая нагрузки,

определить по формуле:

2

1

1

2

kF

wxk

dt

dm

c

okoy {√ k

k 1

11

},

где o

yx

tk

; f - рабочее сечение усилителя; Fc - площадь поршня

(лопатки); x -перемещение усилителя; wko - скорость звука; k = Cp/Cv;

π1= р1/р2; р1 и р2 - давление в сервомоторе; ро - давление за

усилителем; ра - давление окружающей среды.

93

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Испытание универсального коллекторного микродвигателя.

Цель работы: сравнение пусковых, рабочих и регулировочных

характеристик универсального коллекторного двигателя при его питании

постоянным и переменным током.

Коллекторный двигатель с последовательной обмоткой возбуждения,

имеющий приблизительно одинаковые рабочие характеристики как на

постоянном, так и на однофазном переменном токе, называется

универсальным коллекторным двигателем (УКД). Такие двигатели

выпускают на относительно малые мощности и различные частоты

вращения, достигающие несколько десятков тысяч оборотов в минуту.

По конструкции рассматриваемый двигатель подобен машине

постоянного тока с последовательной обмоткой возбуждения без

дополнительных полюсов. Отличие состоит лишь в том, что не только якорь,

но и статор УКД набирается из листовой электротехнической стали. На

рисунке 1 изображен лист статора УКД.

Возможность непосредственного получения высокой частоты

вращения и ее плавного регулирования - большое достоинство коллекторных

двигателей. В связи с этим широко применяются во многих бытовых

машинах (пылесосах, швейных машинах, кофемолках, миксерах), в

электродрелях, медицинской технике, технике связи и др.

К недостаткам УКД относятся: сравнительная сложность их

эксплуатации. Повышенная шумность, особенно при высоких частотах

вращения, радиопомехи и трудность получения безыскровой коммутации на

переменном токе.

Рассмотрим вращающий момент УКД при питании постоянным и

переменным током.

При питании постоянным током

94

ФарМ /2/1 , (1.1)

где р - число пар полюсов;

а - число пар параллельных ветвей;

N - число проводников обмотки якоря;

I - ток якоря;

Ф - поток полюсов.

При питании переменным током

i = Im sin ωt и Ф = Фm sin (ωt - β),

где β - угол сдвига фаз между током и потоком полюсов,

обусловленный потерями в стали и размагничивающим действием токов в

коммуимруемых секциях. Учитывая, что

sin ωtsin (ωt - β) =0,5 t2coscos , найдем

М = МMtФаpN сртт 2coscos4/ ~. (1.2)

Формула (1.2) показывает, что вращающий момент в УКД при питании

переменным током можно представить в виде двух составляющих. Одна из

них, Мср, не зависит от времени; другая, М~, изменяется во времени с

двойной частотой (рисунок 2) по отношению к частоте питающего

напряжения. Для получения большей постоянной составляющей момента

необходимо, чтобы угол β был мал. Это достигается последовательным

соединением обмоток возбуждения и якоря.

Рисунок 2 - Зависимость вращающего момента универсального

коллекторного двигателя от времени при работе от сети переменного тока.

Электрическая схема УКД представлена на рисунке 3.

Обмотка возбуждения состоит из двух катушек, одна из которых

соединяется со щеткой положительной полярности, а другая - со щеткой

95

отрицательной полярности. Получается симметричная электрическая цепь,

обеспечивающая меньшие радиопомехи. Как видно из схемы, при работе

УКД на переменном токе напряжение подается не на всю обмотку

возбуждения, а только на часть ее. Этим достигается примерно одна и та же

частота вращения при номинальном моменте а валу и номинальных

напряжениях на постоянном и переменном токе.

Регулирование частоты вращения УКД можно осуществлять четырьмя

способами. Электрические схемы регулирования частоты вращения

представлены на рисунке 4: а - изменением напряжения, подводимого к

двигателю; б - включением активного сопротивления параллельно обмотке

возбуждения (шунтирование обмотки возбуждения); в - включением

активного сопротивления параллельно якорю (шунтирование обмотки

якоря); г - включением добавочного сопротивления последовательно с

якорем.

Сравнение перечисленных способов регулирования частоты вращения,

показывает. Что наиболее экономичным из них является способ

шунтирования обмотки возбуждения. Изменение частоты вращения путем

шунтирования обмотки якоря или включением добавочного сопротивления

последовательно с якорем осуществляется просто, однако эти способы

регулирования неэкономичны из-за электрических потерь в добавочных

сопротивлениях. По этой же причине неэкономичен и способ регулирования

частоты вращения изменением напряжения, подводимого к двигателю, если

оно осуществляется с помощью реостата.

Более экономичным регулирование будет в том случае, когда вместо

реостата используется автотрансформатор с плавным регулированием

напряжения. При этом частоту вращения якоря моно как повышать, так и

понижать по сравнению с номинальной. При шунтировании обмотки

возбуждения достигается только повышение частоты вращения, а при

шунтировании обмотки якоря частота вращения двигателя уменьшается по

сравнению с номинальной. Изменять частоту вращения можно и сдвигом

96

щеток с геометрической нейтрали против направления вращения якоря. На

практике этим часто пользуются для достижения частоты вращения,

возможно более близкой к заданной.

Рабочие характеристики УКД, представленные на рисунке 6,

качественно имеют один и тот же вид как на постоянном, так и на

переменном токе. Однако на постоянном токе двигатель обладает большей

перегрузочной способностью, более высоким к. п. д. и имеет меньший ток

при той же мощности. Ухудшение характеристик на переменном токе

обуславливается прежде всего появлением сдвига по фазе между

напряжением и током, потерями в стали статора, увеличением электрических

потерь за счет появления реактивной составляющей тока.

К недостаткам двигателя, работающего на переменном токе, относится

также и снижение его коэффициента мощности при уменьшении частоты

вращения.

Механические характеристики n = f (М) пересекаются в точке,

соответствующей номинальной полезной мощности. Если включать полное

число витков обмотки возбуждения, то механическая характеристика на

переменном токе сдвинется в сторону начала координат и примет вид

кривой, изображенной штриховой линией (рисунок 6). Это вызвано влиянием

индуктивного сопротивления обмотки возбуждения.

Пусковой момент УКД при работе на постоянном токе значительно

больше, чем на переменном. Уменьшение пускового момента на переменном

токе объясняется прежде всего пульсацией потока и наличием сдвига по фазе

между током и потоком. Кратность пускового тока в УКД достигает 5-7.

Регулировочные характеристики n = f (U) при М=const приведены на

рисунке 7. Регулировочные свойства УКД на постоянном токе лучше, так как

та же частота вращения достигается при меньшем напряжении.

При шунтировании обмотки якоря частота вращения УКД, как

отмечалось ранее, снижается. Это объясняется тем, что увеличивается ток

УКД, проходящий по обмотке возбуждения. Растет поток, а скорость падает,

97

так как она обратно пропорциональна потоку. Уменьшается частота

вращения УКД и при включении последовательно с якорем добавочного

активного сопротивления, так как при этом уменьшается электромагнитная

мощность за счет снижения напряжения на якоре. При шунтировании

обмотки возбуждения частота вращения растет из-за уменьшения потока

машины, вызванного снижением тока возбуждения.

Задание

Снять рабочие характеристики двигателя n, Ps, I, PR, η, в зависимости

от М при U = Uн = const на постоянном токе.

Снять рабочие характеристики двигателя n, Ps, I, PR, cos φ, η, в

зависимости от М при U = Uн = const на переменном токе.

Снять механические характеристики двигателя n = f (М) при U = Uн =

const на переменном токе: а) при шунтировании обмотки якоря; б) при

включении последовательно с якорем активного сопротивления; в) при

шунтировании обмотки возбуждения.

Снять регулировочные характеристики двигателя n = f (U) при М = Мн

= const и нормальной схеме (без внешних сопротивлений): а) на переменном

токе; б) на постоянном токе.

Измерить пусковые моменты двигателя Мк при U = Uн на переменном

и постоянном токе (схема нормальная).

Построить на одном графике рабочие характеристики двигателя при

питании постоянным и переменным током.

Построить на на одном графике механические характеристики

двигателя n = f (М) на переменном токе при различных добавочных

сопротивлениях.

Построить регулировочные характеристики двигателя n = f (U) при М =

Мн = const.

Определить отношение пускового момента Мк к номинальному Мн на

постоянном и переменном токе.

Оборудование: УКД, вольтметр, амперметр, ваттметр, моментометр,

98

тахометр, реостат, автотрансформатор.

Порядок выполнения работы

1. Записать паспортные данные двигателя (таблица1), нарисовать и

изучить электрическую схему для проведения опытов (рисунок 5).

Таблица 1 - Данные типичных УКД

Тип

двигателя

Рн,, Вт Uн. В f, Гц nн,

об/мин

Iн, А η,% соsφ G, кг

УМТ-11 5 =110

~127

50 3000 0,25

0,35

22-26 0,55-0,58 1,5

УМТ-12 10 =110

~127

50 2000 0,35

0,50

30-33 0,47-0,55 2,0

УМТ-21 25 =110

~127

50 1800 0,55

0,85

44-46

39-41

0,65-0,67 3,5

УМТ-22 55 =110

~127

50 2500 1,00

1,50

54-56

49-51

0,71-0,73 4,5

УЛ-02 10 =110

~127

=220

~220

50

8000 0,27

0,26

0,14

0,15

34

0,90

0,4

УЛ-042 50 =110

~127

=220

~220

50

8000 0,82

0,84

0,41

0,49

55

0,85

1,4

УЛ-061 180 =110

~127

=220

~220

50

8000 2,64

2,68

1,30

1,60

62

0,85

3,7

УЛ-071 400 =110

~127

=220

~220

50

8000 5,45

5,70

2,85

3,15

64

0,90

5,8

КВ-25 25 =110

~127

=220

~220

50

15000 -

0,49

0,28

50

0,90

КУВ 370 =110

~127

=220

~220

50

15000 -

4,80

2,80

68

0,94

99

Рисунок 5 - Электрическая схема для снятия характеристик

универсального коллекторного двигателя.

2. Рассчитать номинальный полезный момент двигателя, (Н·м):

Мн = 9,55РRн/nн,

где РRн - номинальная полезная мощность двигателя, Вт; nн -

номинальная частота вращения якоря, об/мин.

3. Снять рабочие характеристики на постоянном и переменном токе,

при отключенных сопротивлениях Rш. я, Rд. я, Rш. в. Измерить подводимое

к двигателю напряжение U, полезный момент на валу М, частоту вращения n,

ток I, потребляемую двигателем из сети активную мощность РS (при питании

переменным током). Потребляемая двигателем мощность РS при питании

постоянным током, полезная мощность РR, коэффициент полезного действия

η находятся расчетным путем по известным формулам РS =UI; η= РR/ РS;

РR = 0.105М n.

4. Снять механические характеристики двигателя n = f (М) при U = Uн

= const на переменном токе: а) при шунтировании обмотки якоря; б) при

включении последовательно с якорем активного сопротивления; в) при

шунтировании обмотки возбуждения.

К нормальной схеме подключаются активные сопротивления Rш. я, Rд.

я, Rш. в.

5. Снять регулировочные характеристики двигателя n = f (U) при М =

Мн = const и нормальной схеме (без внешних сопротивлений): а) на

переменном токе; б) на постоянном токе. При питании переменным током

подводимое к двигателю напряжение изменяется с помощью

автотрансформатора. При питании постоянным током напряжение

изменяется с помощью реостата, включаемого по схеме потенциометра.

Рекомендуется сначала все опыты провести на постоянном токе, а

100

затем на переменном.

6. Измерить пусковые моменты двигателя Мк при U = Uн на

переменном и постоянном токе (схема нормальная).

7. Опытные и расчетные данные занести в таблицу.

Мн, Н·м U, В I, А Мк, Н·м РS, Вт РR, Вт n, об/мин η,%

8. Построить на одном графике рабочие характеристики двигателя при

питании постоянным и переменным током.

9. Построить на одном графике механические характеристики

двигателя n = f (М) на переменном токе при различных добавочных

сопротивлениях.

10. Построить регулировочные характеристики двигателя n = f (U) при

М = Мн = const.

11. Определить отношение пускового момента Мк к номинальному Мн

на постоянном и переменном токе.

Контрольные вопросы

Укажите особенности конструкции УКД.

Перечислите основные достоинства и недостатки УКД.

Перечислите способы регулирования частоты вращения УКД.

Назовите более экономичный способ регулирования частоты вращения

УКД.

Можно ли регулировать частоту вращения УКД сдвигом щеток?

101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При автоматизации технологических процессов и оборудования часто

сталкиваются с проблемой выбора оптимальной - по заданным условиям

системы и устройства для ее реализации.

Таблица 11 - Сравнительные данные систем

Критерий сравнения Система

пневматическая гидравлическая электрическая

Общий к. п. д. силовой

системы

Редко превышает 30% Менее 70% Менее 90%

Потери энергии при

передаче

Меньше, чем в

гидравлических

Большие Наименьшие

Максимальная скорость

передачи сигнала

До 360 м/с 1000м/с 300000м/с

Скорость

исполнительных

механизмов

Высокая Ниже, чем у

пневматических и

электрических

Ниже, чем у

пневматической

Плавность перемещений

и точность останова в

любом положении

Практически не

обеспечивается без

применения

специальных устройств

Высокая и легко

регулируемая

Лучше по

сравнению с

пневматической, но

хуже, чем у

гидравлической

Удары в конце хода Сравнительно большой

удар

Практически

отсутствует

Сравнительно

большой удар

Чувствительность к

перегрузкам

исполнительных

механизмов

При значительных

перегрузках

останавливается без

поломок

При значительных

перегрузках

останавливается без

поломок, но перегрузки

вызывают повышенный

нагрев жидкости и

расход энергии.

Чувствительная.

Длительные

перегрузки выводят

из строя двигатель.

Пожаро-

взрывоопасность

Применима для работы в

пожаро - и

взрывоопасных условиях

Пожаро - и

взрывобезопасна при

использовании в

качестве рабочей среды

негорючих жидкостей

Требуется

применение

устройств в пожаро

- и взрывоопасном

исполнении, что

увеличивает

стоимость в 2-3 раза

102

Влияние запыленности и

влажности окружающей

среды

Практически не влияют

на работоспособность

Приводят к загрязнению

рабочей жидкости при

разгерметизации бака.

Требуется

периодическая замена

рабочей жидкости.

Влияет на

работоспособность.

Требуется

специальное

исполнение

аппаратуры

Влияние магнитных

полей

Не влияют на работоспособность Могут вызвать

ложные

срабатывания

Влияние

концентрирующего

излучения

Может вывести из строя устройства, содержащие

резинотехнические изделия

Вводит из строя

элементы, нарушает

свойства

изоляционных

материалов.

Накопление энергии Обеспечивается

установкой простых

емкостей

Обеспечивается

установкой достаточно

сложных и

громоздких

гидропневмоа

ккумуляторов.

Обеспечивается

установкой

громоздких

электрических

аккумуляторов.

Монтаж, демонтаж и

эксплуатация линий

передач энергии

Не вызывает трудностей.

Возвратные

трубопроводы обычно

не требуются.

Гораздо сложнее, чем у

пневмосистем, так как

при негерметичности

вытекшее масло

загрязняет рабочее

помещение и создает

опасность взрыва.

Возвратные

трубопроводы

необходимы.

Не вызывает

трудностей. Однако

имеется опасность

поражения током

при повреждении

изоляции

103

ЛИТЕРАТУРА

1. Арменский Е.В. Электрические микромашины: учебное пособие / Е.В.

Аверин, Г.Б. Фалк. - М.: Высшая школа, 1985.

2. Астахов Н.В. Испытание электрических микромашин: учебное пособие

для электротехнических специальностей спец. вузов / Н.В. Астахов, Е.М.

Лопухина, В.Т. Медведев и др. - М.: Высшая школа, 1984.

3. Герц Е.В. Пневматические устройства и системы в машиностроении. /

Е.В. Герц, А.И. Кудрявцев, О.В. Ложкин. - М.: Машиностроение, 1981.

4. Долгачев Ф.М. Основы гидравлики и гидропривод. \ Ф.Н. Долгачев, В.С.

Лейко. - М.: машиностроение, 1981.

5. Кошарский Б.Д. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие

машины. / Б.Д. Кошарский. - Ленинград: Машиностроение, 1976.

6. Крайнев А.Ф. Словарь - справочник по механизмам. / А. Ф Крайнев. М.:

машиностроение, 1987.

7. Кожевников С.М. Механизмы: справочное пособие. / С.М. Кожевников и

др. - М.: Просвящение, 1976.

8. Москаленко В.А. Механизмы. / В.А. Москаленко. - М.: Просвещение,

1963.

9. Раковский М.Е. Приборостроение и средства автоматики: справочник.

/М.Е. Раковский. - М.: Машиностроение, 1965.

10. Хрущев В.В. Электрические микромашины автоматических устройств. \

В.В. Хрущев. - Ленинград: Просвещение. 1976.

11. Чеваскин А.Н. основы автоматики. \ А.Н. Чеваскин, В.Н. Семин, И.Я.

Стародуб и др. - Москва: Энергия, 1977.