Исполнительные механизмы автоматических систем

На рис.24 показана схема действия такого гидромотора.

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 ? 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 90є) движения.

Исполнительные механизмы выполнены по блочно-модульному принципу и могут быть укомплектованы следующими дополнительными блоками:

устройствами, реализующими пропорциональный закон перемещения выходного звена механизма, с гидравлическим, пневматическим или электрическим унифицированным входным сигналом (позиционерами с гидравлическим или электрическим сигналом);

датчиком положения с электрическим выходным сигналом, пропорциональным положению выходного звена механизма;

гидравлическим блокировочным устройством, фиксирующим положение выходного звена механизма при снятии командного сигнала или при аварийном падении давления масла в системе;

блоком концевых выключателей, обеспечивающими переключение электрических контактов при достижении выходным звеном механизма крайних положений;

гидравлическим переключающим устройством для системы ручного управления от отдельного источника маслоснабжения.

Исполнительный механизм без дополнительных блоков состоит из гидроцилиндра и узлов крепления его к фундаментной плате и регулирующему органу. Гидроцилиндр имеет демпферное устройство, обеспечивающее дросселирование потока масла и соответственно снижение скорости движения поршня при приближении его к крайним положениям (так называемая безударная посадка поршня на упоры). Поршень и место вывода штока уплотнены резиновыми О-образными кольцами. Механизмы с первым вариантом крепления имеют на глухой крышке цилиндра и на головке штока подвижные опоры в виде шаровых подшипников, что позволяет механизму в процессе работы поворачиваться на некоторый угол (это необходимо, например, при управлении неполноповоротными регулирующими органами), механизмы со вторым вариантом крепления имеют кронштейн для жесткого крепления цилиндра на фундаментной плите.

Внешний вид исполнительных механизмов без дополнительных блоков изображен на рисунке 3.12.

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 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.

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.

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.

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 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 ммІ/с в рабочем диапазоне температур (от 5 до 70єС). 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

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 90є, - не менее 3 ГЦ.

У установленного на механизме датчика положения пределы изменения входного сигнала 1ч0ч1 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.

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.

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.

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):

.

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 (DІ = 2dІ). 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

,

где v в м/мин; Q в л/мин; d в см.

Создаваемое усилие (без учета трения) , т.е. меньшее, чем можно получить. Если подавать жидкость в поршневую полость. В последнем случае

.

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.

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 300є. 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

,

где r2 и r1 - наибольший и наименьший радиусы лопасти;

z - число лопастей;

b - ширина лопасти;

ц - полный угол поворота лопасти (вала).

Вращающий момент на валу цилиндра

.

Угловая скорость щ лопасти при постоянной подаче Qи отсутствии утечек:

.

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.

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 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 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

103

103

103

103

103

4.3 Конструкции пневматических исполнительных механизмов

Поршневые пневмодвигатели.

В пневмоцилиндрах происходит преобразование потенциальной энергии сжатого воздуха в механическую энергию поршня.

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).

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.

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 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.

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 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:

{v},

где ; f - рабочее сечение усилителя; Fc - площадь поршня (лопатки); x -перемещение усилителя; wko - скорость звука; k = Cp/Cv;

р1= р1/р2; р1 и р2 - давление в сервомоторе; ро - давление за усилителем; ра - давление окружающей среды.

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

, (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 щt и Ф = Фm sin (щt - в),

где в - угол сдвига фаз между током и потоком полюсов, обусловленный потерями в стали и размагничивающим действием токов в коммуимруемых секциях. Учитывая, что

sin щtsin (щt - в) =0,5, найдем

М = ~. (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 в 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 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 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, 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, з, в зависимости от М при U = Uн = const на постоянном токе.

Снять рабочие характеристики двигателя n, Ps, I, PR, cos ц, з, 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, 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

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 з находятся расчетным путем по известным формулам РS =UI; з= 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 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.

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?

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

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4