Механика гидро - и пневмоприводов
Механика гидро — и пневмоприводов
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.