Механика гидро - и пневмоприводов

Механика гидро — и пневмоприводов

Д. Н. Попов

Гидро - и пневмоприводы принадлежат к числу устройств, широко используемых в разнообразных машинах, аппаратах, станках. Создание, исследование и эксплуатация многих тех­нических систем невозможны без знания свойств гидро - и пнев­моприводов. Их изучение должно помочь будущему специали­сту успешно освоить свою профессию в области машиностро­ения и других отраслях промышленности.

Преподавание механики гидро - и пневмоприводов в тех­ническом университете способствует интеграции у студентов знаний по естественно-научным и общетехническим дисципли­нам, обеспечивая тем самым подготовку специалистов широко­го профиля.

В данном учебнике предусмотрена возможность освоения изложенного в нем материала без излишне частого обращения к другой учебной литературе в предположении, что студенты в необходимом объеме получили знания по математике, тео­ретической механике, механике жидкости и газа. В связи с чем сначала описаны основные схемы гидро - и пневмоприво­дов, а также рассмотрены фундаментальные положения ме­ханики твердого тела и жидких рабочих сред, применяемых в гидро - и пневмоприводах. Затем кратко изложены методы расчета сил, возникающих при взаимодействии элементов при­водов с рабочими средами, и обсуждаются вопросы эффектив­ного энергоснабжения гидро - и пневмоприводов. С помощью методов теории управления показаны, принципы построения относительно простых и полезных для практики математиче­ских моделей гидро - и пневмоприводов. Особенности динами­ки гидро - и пневмоприводов, которые являются управляемы­ми системами, отражены при анализе устойчивости наиболее

Распространенных видов приводов, исследовании причин воз­никновения в них колебаний, расчетах переходных процессов.

Огромное количество опубликованной во второй полови­не XX в. отечественной и зарубежной литературы как непо­средственно по гидро - и пневмоприводам, так и по связанным с ними проблемам, исключает возможность сколь-либо пол­ного перечня литературных источников. Вследствие этого в список литературы включены только учебники по дисципли­нам, составляющим основу для изложения механики гидро - и пневмоприводов. Принимая во внимание, что предлагае­мая книга входит в комплекс учебников, отражающих научно­педагогическую школу Московского государственного универ­ситета (МГТУ им. Н. Э. Баумана), выбраны учебники, авторы которых представляют эту школу. Указанные учебники со­держат подробные списки литературы по освещаемым в них вопросам.

Считаю своим приятным долгом выразить глубокую бла­годарность д-ру физ.- мат. наук, проф. А. К. Платонову и д-ру техн. наук, проф. О. Н. Трифонову за обстоятельное рецензи­рование рукописи данной книги, а также д-ру физ.- мат. наук Г. К. Боровину за высказанные после прочтения рукописи по­лезные замечания.

Приводом называют энергосиловое устройство, посред­ством которого осуществляется движение какой-либо маши­ны или механизма. Такое устройство состоит из двигателя (электрического, теплового, гидравлического, пневматическо­го) и аппаратуры управления. Двигатель, используя подводи­мую к нему энергию, приводит в движение машину или меха­низм. Аппаратура управления служит для стабилизации или изменения параметров этого движения: перемещений, скоро­стей, ускорений. Двигатель иногда заменяют отдающим зара­нее накопленную энергию пружинным или инерционным меха­низмом. Привод может также работать за счет усилий, раз­виваемых животным или человеком (экипаж с конной тягой, велосипед, ручной инструмент и т. п.). Гидравлические, паро­вые и газовые турбины, вращающие валы электрических ге­нераторов, насосов и компрессоров, согласно указанному выше определению, можно отнести к приводам. Однако их принято рассматривать, прежде всего, с точки зрения эффективности преобразования энергии и, соответственно, выделять в само­стоятельный вид энергетических машин.

В различных областях техники широко распространены приводы, выполняющие силовые функции в системах упра­вления разнообразными объектами, которыми могут быть в том числе и энергетические машины. Используемые в приво­дах систем управления двигатели называют исполнительны­ми. В качестве таких двигателей чаще всего применяют элек­трические и работающие на жидкости или газе устройства. Если рабочей средой для исполнительного двигателя является жидкость или газ, то привод называют соответственно гидро-

Рис. В.1. Общая схема объемного гид ро­или пневмопривода

Или пневмоприводом. В зависимости от способа использова­ния энергии жидкости или газа для перемещения выходного звена гидро - и пневмоприводы разделяют на объемные и дина­мические.

Принцип действия объемного привода состоит в том, что жидкость или газ под давлением изменяют объем камер дви­гателя, вызывая тем самым перемещение рабочего органа дви­гателя и соединенного с ним выходного звена (рис. В.1). Ис­полнительный двигатель выполнен в виде цилиндра с поступа­тельно перемещающимся в нем поршнем, шток которого слу­жит выходным звеном. От источника энергопитания (ИЭ) ра­бочая среда (жидкость или газ) поступает по напорной ма­гистрали к аппарату управления (АУ). При подаче сигнала (стрелка “II” на схеме) аппарат управления соединяет напор­ную магистраль 1 с одной из полостей цилиндра 2, а полость, расположенную по другую сторону поршня 5, — со сливной магистралью 4. Создаваемое ИЭ давление рабочей среды в напорной магистрали больше, чем в сливной, поэтому на пор­шень 3 начинает действовать сила, вызывающая его движе­ние вместе со штоком в направлении х. Перемещение штока передается механизму, управляющему каким-либо объектом. При движении поршня объем полости цилиндра (камеры ис­полнительного двигателя), в которую поступает рабочая сре­да, увеличивается, а объем камеры, из которой рабочая среда

Вытесняется в сливную магистраль, уменьшается. Направле­ние движения поршня можно изменить на обратное, поменяв при помощи аппарата управления соединение полостей цилин­дра с напорной и сливной магистралями на противоположное предыдущему. Для остановки поршня оба канала, идущие к полостям цилиндра, должны быть перекрыты в аппарате упра­вления.

Приводы, принцип действия которых основан на гидроди­намическом воздействии потока жидкости или газа на рабо­чий орган исполнительного двигателя (например, в двигателе турбинного типа), применяют в системах управления не столь широко, как объемные приводы. Это вызвано сложностью ре­версирования движения выходных звеньев приводов с гидро - или газодинамическими двигателями, необходимостью уста­новки дополнительных редукторов для согласования обычно высоких скоростей вращения валов двигателей с более низки­ми скоростями движения управляемых устройств и другими их конструктивными особенностями. Однако если в источни­ке энергопитания объемного гидро - или пневмопривода нецеле­сообразно или недопустимо (по условиям взрывобезопасности или другим причинам) иметь насос или компрессор с электро­двигателем, то вместо него применяют гидравлический или га­зовый двигатель турбинного типа. Такие же двигатели могут быть использованы для передачи энергии от одной машины к другой или для того, чтобы приводить в движение транспорт­ные средства (примером могут служить гидродинамические передачи).

Дальнейшее обсуждение вопросов механики гидро - и пнев­моприводов будет посвящено объемным приводам. Круг этих вопросов во многом определен теми задачами, которые возни­кают на практике.

При создании приводов, прежде всего, решают задачи проектирования, ориентированные на получение наилучшего из возможных вариантов привода, удовлетворяющего техни­ческим требованиям. Выбор проектного варианта во многом зависит от схемы и конструкции привода, технологии изго­товления устройств привода и ряда других условий, которые могут быть противоречивыми. Показатели, необходимые для оценки проектного варианта, при современных методах про­ектирования конструктор имеет возможность находить в ин­терактивном режиме, рассчитывая на ЭВМ характеристики и параметры приводов. В процессе таких расчетов приходится рассматривать одну из сформулированных в теоретической ме­ханике фундаментальных задач динамики: определение зако­нов движения составляющих систему тел при известных силах или вычисление сил, обеспечивающих заданные законы дви­жения тел. При этом возникают проблемы практического осу­ществления полученных решений в связи с тем, что системы должны выполнять комплекс целенаправленных действий.

При проверке характеристик изготовленного привода, а также в случае прогнозирования ситуаций, возникающих при эксплуатации систем с приводами, схема, конструкция и боль­шинство параметров привода заранее известны, что несколько упрощает решение указанных выше задач динамики.

Как в том, так и другом случае для исследования и расче­та системы с приводом необходимо иметь его математическую модель, достоверно описывающую свойства привода и своей сложностью не препятствующую получению в достаточной ме­ре обозримых результатов. С позиций математического моде­лирования особенности гидро - и пневмоприводов обусловлены рабочей средой, для описания взаимодействия с которой эле­ментов привода требуется использовать не только уравнения механики твердого тела, но и уравнения механики жидкости и газа. Кроме того, гидро - и пневмоприводы представляют собой управляемые системы, снабжаемые энергией от внеш­них источников питания рабочей средой под давлением и от­дающие энергию в окружающую среду при своей работе, что также оказывает влияние на математическое моделирование протекающих в приводах динамических процессов. Исходя из сказанного, в механике гидро - и пневмоприводов выделяют сле­дующие важные вопросы:

Определение сил при взаимодействии элементов приводов с жидкостью или газом;

Энергоснабжение гидро - и пневмоприводов; математическое моделирование гидро - и пневмоприводов;

Исследование устойчивости гидро - и пневмоприводов и корректирование их характеристик;

Расчет колебательных и переходных процессов в гидро - и пневмоприводах;.

Прежде чем рассматривать перечисленные вопросы, це­лесообразно ознакомить изучающего механику гидро - и пнев­моприводов с их устройством и принципом действия, а так­же дать основные сведения о свойствах используемых в при­водах рабочих сред. В связи с тем, что математические мо­дели гидро - и пневмоприводов предназначены, главным обра­зом, для анализа и расчета нестационарных процессов, допол­нительно к общим положениям механики жидкости и газа в учебнике изложены методы формализованного представления неустановившихся течений вязких сжимаемых сред в напор­ных каналах.