Структура приводов и систем автоматического управления

В качестве систем приводов различного технологического обору­дования (металлорежущие станки, промышленные роботы и манипу­ляторы, автоматические линии, авиационная, автомобильная, сельс­кохозяйственная и другая техника) широко используются гидравли­ческие и пневматические приводы объемного действия. Под объемным действием понимается принцип работы применяемых гидравлических и пневматических устройств, который основан на объемном вытесне­нии рабочей среды (рабочей жидкости или сжатого воздуха), на высо­ком модуле упругости жидких рабочих сред и законе Б. Паскаля. Из рассмотренного в главе 1 уравнения Д. Бернулли видно, что движуща­яся жидкость обладает тремя видами энергии: энергией положения (ге­ометрический напор), энергией сжатой жидкости (пьезометрический напор, давление) и кинетической энергией потока (скоростной напор). Два первых вида представляют собой разновидности потенциальной энергии. Поэтому нетрудно видеть, что уравнение Д. Бернулли по сути своей есть закон сохранения энергии в изложении для движущейся жидкости. Посмотрим теперь, в каких случаях превалирует тот или иной вид энергии.

Энергия положения характеризуется высотой нахождения массы жидкости относительно плоскости сравнения. Этот вид энергии будет превалировать над другими при описании движения падающего с не­которой высоты потока движущейся с небольшой скоростью жидкос­ти, например, воды. Поэтому геометрический напор учитывается при создании гидроэлектростанций.

Кинетическая энергия движущейся жидкости зависит от ее скорос­ти. Поэтому этот вид энергии используется при разработке гидродина­мических передач, в которых рабочая среда имеет сравнительно высо­кие скорости движения (например, центробежные насосы).

Энергия сжатой жидкости характеризуется давлением, которое есть (как это установлено в главе 1) по сути своей нормальное напряже­ние сжатия слоев рабочей среды под действием объемных и поверхнос­тных сил. Поскольку в машиностроительном и мобильном оборудова­нии масса и скорость движущейся жидкости приводов сравни­тельно невелики, а перепады высот трубопроводов не превышают нес­кольких метров, постольку в таких приводах превалирующим является именно энергия сжатой жидкости.

Гидравлическим (пневматическим) приводом называется такое ус­тройство, которое обеспечивает приведение в действие машин или ме­ханизмов и состоит из источника энергии, ее потребителей, аппарату­ры и трубопроводов, по которым перемещается рабочая среда (жид­кость для приводов и сжатый воздух для пневмоприводов).

Среда называется рабочей потому, что является носителем энергии и выпол­няет определенную работу и ряд функций (смазывание, охлаждение, вынос продуктов износа и др.). По существу действия гидравлический привод является устройством, преобразующим энергию движущейся жидкости в механическую энергию, а пневматический привод—уст­ройством, преобразующим энергию сжатого воздуха тоже в механи­ческую энергию.

Энергия сжатой рабочей среды легко преобразуется в механичес­кую работу. Поясним это на примере простейшего объемного гидрав­лического привода, приведенного на рис.2.1 и состоящего из двух ци­линдров 1 и 2, соединенных трубопроводом 3. Для того, чтобы пор­шень цилиндра 2 переместился, преодолевая силу сопротивления F₂, на расстояние l₂, необходимо совершить работу A = F₂l₂ . Для этого в нижнюю полость цилиндра 2 с эффективной площадью S₂ необходимо подать объем жидкости W = S₂l₂ под давлением P, определяемым дей­ствием силы сопротивления F₂, т.е. P = F₂ /S₂. Этот объем жидкости совершит работу, которая и нужна для перемещения поршня: A= PW = PS₂l₂ = F₂l₂. Необходимый объем рабочей среды W имеет массу m = ρS₂l₂, где ρ - плотность рабочей среды. Если разделить ра­боту A на массу m, получим удельную (единичную) энергию E_y = A/m = PS₂l₂ /(ρS₂l₂) = P/ρ.   Таким   образом, последнее выражение показывает, что каждая частица объема W сжатой рабочей среды плотностью ρ имеет удельную энергию давления P/ρ, которая легко преобразуется в механическую работу. Но для того, чтобы по­дать рабочую среду в цилиндр 2, нужен, например, еще один цилиндр 1. При движении его поршня 4 вниз рабочая среда будет вытесняться в нижнюю полость цилиндра 2. Однако для выполнения этого движения к поршню цилиндра 1 следует приложить силу F₁, которая будет прео­долевать силу сопротивления, вызываемую давлением P. В соответст­вии с законом Паскаля это давление одинаково с давлением в полости цилиндра 2. Тогда без учета сил трения и инерции получим равенство P = F₁/S₁ = F₂/S₂ . Отсюда легко видеть, что, приложив к поршню ци­линдра 1 силу F1, поршень цилиндра 2 может преодолеть силу F₂ во столько раз большую, во сколько раз площадь S₂ больше эффективной площади S₁, т.е. F₂ = F₁S₂ /S₁. С другой стороны, чтобы вытеснить не­обходимый для перемещения поршня цилиндра 2 объем W, поршень цилиндра 1 должен переместиться на расстояние l₁ (без учета возмож­ных утечек). Тогда можно записать W = l₂S₂ = l₁S₁. Отсюда нетрудно получить l₂ = l₁S₁ /S₂ и сделать вывод о том, что перемещение поршня 5 цилиндра 2 будет меньшим перемещения поршня цилиндра 1 во столько раз, во сколько раз площадь поршня цилиндра 1 меньше пло­щади поршня цилиндра 2. Таким образом, получаем подтверждение «золотого правила» механики для объемных приводов: выигрыва­ем в силе - проигрываем в пути. Такое свойство гидравлических приво­дов изменять силы и длину перемещения часто называют «гидравличес­ким рычагом» по аналогии с механическим рычажным устройством.

Рис.2.1. Принцип действия объемного привода

Рассмотренная работа двух соединенных между собой цилиндров раскрывает принцип действия объемных гидравлических и пневмати­ческих приводов, на котором построены и гидравлические усилители, и гидравлические прессы, и другие гидравлические и пневматические машины и устройства.

Выбор того или иного привода при проектировании какого-либо оборудования или машины во многом определяется учетом его осо­бенностей при соответствующих условиях работы.

Особенностями гидравлических приводов являются следующие их характеристики и возможности: 

1. Наиболее важной особенностью является высокая энергоем­кость гидравлических приводов, т.е. возможность получения больших сил и мощностей при сравнительно небольших габаритных размерах и собственной массе гидравлических двигателей. Например, размеры современных моторов составляют около 20% габаритных разме­ров электродвигателей переменного тока той же мощности. Обычно энергоемкость характеризуется отношением развиваемой двигателем мощности к его объему или массе. По этому показателю гидравличес­кие двигатели имеют преимущество перед другими типами двигателей.
2. Высокая напряженность рабочей среды (возможность получения высоких давлений). В приводах общемашиностроительного наз­начения давление рабочей среды может достигать 35–50 МПа, в приво­дах специального назначения – 100 МПа и более. По этому показателю гидравлические двигатели значительно опережают электрические дви­гатели. Так, например, если представить напряженность магнитного поля в воздушном зазоре между статором и ротором электродвигателя в виде давления 2, то последнее составит лишь 0,5–1,0 МПа. Высокие давления в приводах достигаются благодаря большой жесткости рабочей жидкости, на что указывает значительный по величине ее мо­дуль упругости, достигающий 1500 МПа и более. Именно благодаря такому достоинству и получаются высокие силы и мощности при ма­лых габаритах и массе гидравлических двигателей.
3. Возможность получения простыми средствами бесступенчатого регулирования скорости в широком диапазоне. Так, для поступательных движений изменение скоростей может быть в пределах от 3 мм/ мин до 90 м/мин, для вращательных – от 0,1 до 50 000 оборотов в мин. Диапазон регулирования скорости мотора (величина отношения макси­мальной частоты вращения к минимальной) может достигать 1000.
4. Малая инерционность и компактность их двигателей. Это поз­воляет получить частые и быстрые переключения двигателя с од­ного направления движения на противоположное (реверсы). Так, нап­ример, для моторов указанная частота может достигать 10 Гц, для цилиндров – до 7 Гц, а время, затрачиваемое мотором мощностью 3,75 кВт на реверс с частоты вращения 2500 1/мин и набор этой скорости в противоположном направлении, составляет 0,02 с, что почти на два порядка быстрее, чем у асинхронного электродвига­теля такой же мощности.
5. Отсутствие, как правило, дополнительных механических передач между двигателем и исполнительным органом машины или тех­нологического оборудования, необходимых для согласования их наг­рузочных и скоростных характеристик.
6. Возможность стабилизации работы привода при переменных нагрузках и температуре простыми средствами.
7. Простота и надежность предохранения гидравлического при­вода от поломок при внезапных перегрузках.
8. Долговечность и надежность гидравлического привода благо­даря его работе в условиях хорошей смазываемости (при применении в качестве рабочих жидкостей минеральных масел), обеспечивающей слабый износ и малые силы трения.
9. Нагрев рабочей жидкости и омываемых ею деталей привода, что
   приводит к уменьшению вязкости рабочей среды, увеличению зазоров
   и, как следствие, росту объемных потерь. Это в свою очередь снижает
   коэффициент полезного действия привода и вызывает дополнитель­ные затраты на сбор утечек, охлаждение и устранение возможной нестабильности движения исполнительных органов.
10. Простота и удобство монтажа гидравлических устройств и аппаратов (особенно при использовании гибких шлангов). Местопо­ложение источника энергии не влияет на компоновку исполнительных механизмов оборудования.
11. Необходимость квалифицированного и опытного обслуживаю­щего персонала, вызванная использованием в приводах достаточ­но сложного, точного и дорогостоящего оборудования и аппаратов.
12. Повышенная пожарная опасность при применении в качестве рабочих сред минеральных масел и возможность загрязнения окружа­ющей среды и оказания вредного влияния на здоровье человека.

К особенностям пневматических приводов относят следующие ха­рактеристики и возможности: 

1. Высокая сжимаемость рабочей среды (воздуха) и связанная с этим нестабильность скорости движения исполнительного органа
   привода при переменной нагрузке.
2. Большие скорости движения пневмодвигателей, достигающие 15 м/с для поступательных движений и 100000 1/мин для вращательных движений.
3. Более высокие, чем у приводов, скорости потока рабочей среды в трубопроводах, достигающие величин 17–20 м/с. Это допусти­мо благодаря малой вязкости и массе воздуха.
4. Простота циклового управлении япо перенастраиваемым упорам.
5. Высокая точность позиционирования по жестким упорам.
6. Возможность работы в агрессивных, пожаро- и взрывоопасных, запыленных, электромагнитных и радиоактивных средах.
7. Малая чувствительность к ударным нагрузкам и вибрациям.
8. Простота и надежность конструкции пневмоаппаратов и удобс­тво компоновки элементов пневмопривода благодаря гибким шлангам и отсутствию выхлопных трубопроводов (выхлоп отработанного сжа­того воздуха производится, как правило, непосредственно в атмосфе­ру).
9. Невысокая стоимость элементов пневмопривода из-за неслож­ного изготовления благодаря их работе при небольших давлениях до 1 МПа.
10. Возможность повышенной коррозии пневмоаппаратов и устройств из-за выделения влаги при расширении воздуха и его охлаждении.
11. Невысокая смазывающая способность воздуха, что требует уст­раивать принудительное распыление масла в поток воздуха.
12. Необходимость подготовки сжатого воздуха и применения в ответственных приводах устройств сушки, влагоотделения и очистки от загрязнений.
13. Ограниченность числа точек позиционирования в цикловых сис­темах управления (обычно это две точки).
14. Необходимость применения тормозных устройств в конце хода пневматических двигателей из-за высоких скоростей движения с
    целью предотвращения повышенного износа жестких упоров.
15. Наличие повышенного шума при работе пневматических приводов и необходимость установки шумогасителей (глушителей).

Анализируя указанные особенности приводов и накладывая их на реальные условия работы проектируемого привода, можно опреде­лить направление поиска подходящего технического решения в облас­ти типа привода.

Классифицируя привода по их служебному назначению, можно вы­делить три группы гидравлических и пневматических приводов: при­вода главного движения, привода подач и привода вспомогательных движений или вспомогательных устройств. Если в качестве примера гидрофицированного технологического оборудования выбрать метал­лорежущий станок, то приводом главного движения будет при­вод, обеспечивающий создание скорости резания, приводом подач бу­дет привод, обеспечивающий получение движения подачи, а приводом вспомогательных движений – например, привод смены инструмента, привод зажима детали или привод деления (при зубообработке). Для промышленного робота или манипулятора в составе обрабатывающе­го технологического комплекса, когда он обеспечивает загрузочно-разгручные операции, а обработку детали ведет многоцелевой станок, любой гидравлический или пневматический привод (руки, схвата и т.д.) следует относить к приводам вспомогательных движений.

По способу изменения скорости движения гидравлические и пнев­матические привода можно разделить на регулируемые и нерегулируе­мые. Регулируемые привода – те, которые способны изменять скорость движения своего двигателя либо ступенчато, либо бесступенчато (плавно). Нерегулируемые приводы обеспечивают одну постоянную скорость движения двигателя.

Но как бы мы не классифицировали гидравлические и пневмати­ческие приводы, используя для этого другие признаки или критерии, все они структурно одинаковы. Их структура приведена на рис.2.2. Любой гидравлический или пневматический привод в своем составе содержит источник энергии 1, потребитель энергии 2, гидравлическую или пневматическую аппаратуру 3, подключаемую к источнику энер­гии или ее потребителю последовательно и параллельно, и трубопро­воды, соединяющие все элементы структуры между собой и подводя­щие к ним рабочую среду.

Рис.2.2. Структурная схема объемного привода

Источником энергии гидравлических приводов является насос, представляющий собой преобразователь подведенной к нему энергии в энергию движущейся жидкости. Сам насос приводится в действие либо электрическим двигателем, либо двигателем другого типа, например, двигателем внутреннего сгорания (в автомобильной, сельскохозяйст­венной и т.п. технике). Источник энергии пневмоприводов—компрессорная станция (или просто компрессор), являющаяся преобразовате­лем подведенной к ней энергии в энергию сжатого воздуха. Компрес­сор приводится в действие тоже электродвигателем или двигателем любого другого типа.

Потребителями энергии рассматриваемых приводов являются двигатели, которые по сути своей есть преобразователи подведенной к ним энергии в механическую работу. По виду движения различают дви­гатели для получения поступательных, вращательных и качательных (возвратно-вращательных) движений. Двигатели поступательных дви­жений – это гидравлические или пневматические цилиндры (ци­линдры, пневмоцилиндры или просто цилиндры). Двигатели враща­тельных движений называются моторами. Для приводов – это моторы, для пневмоприводов – пневмомоторы. Для осуществле­ния возвратно-вращательных (качательных) движений применяют неполноповоротные гидро- или пневмомоторы (или специальные цилин­дры с механическими передачами).

Аппаратура гидро- и пневмоприводов представляет собой уст­ройства, обеспечивающие настройку необходимых по условиям работы характеристик и параметров самих приводов, а также способствующие надежной и долговечной их работе.

Трубопроводы – это гидравлические и пневматические линии переда­чи энергии. Могут быть жесткими (изготавливаются из металлических труб) и гибкими (изготавливаются из армированных или неармированных труб на основе прорезиненных материалов, полихлорвинила и т.п.). Гибкие трубопроводы часто называют шлангами или рукавами.

Последним элементом структуры приводов является рабочая сре­да. Как уже отмечалось выше, она является рабочим телом, передаю­щим энергию и выполняющим ряд других важнейших функций. Очень существенным является правильный выбор типа рабочей жидкости для приводов, так как она напрямую влияет на надежность и долговечность работы привода в целом и его элементов. Разновидности рабочих сред, их свойства и характеристики рассмотрены в главе 1.

Для того, чтобы обеспечить выполнение приводом его служебно­го назначения, необходимо им управлять. Управление приводами мо­жет быть ручным (т.е. с полным участием человека - оператора), авто­матизированным (частичное участие человека в процессе управления) и автоматическим (без участия человека). Но без наличия соответству­ющих управляющих устройств сам процесс управления не будет воз­можным. Для этого нужна определенная система управления приво­дом, которая представляет собой совокупность управляющих уст­ройств и форму организации процесса управления [2]. Гидравлические и пневматические привода могут быть с разомкнутой или замкнутой системами управления. Замкнутая система управления отличается от разомкнутой тем, что при функционировании такой системы управле­ния выходные параметры работы привода (величина перемещения, скорости и ускорения движения, силы и др.) все время сопоставляются с заранее заданными значениями этих параметров в специальных срав­нивающих устройствах. Если эти значения не совпадают, то вырабаты­вается сигнал рассогласования и посылается на вход управляющего ор­гана системы, который обеспечивает работу привода на устранение воз­никшего рассогласования. Для обеспечения такого функционирования замкнутые системы управления оснащаются обратными связями.

Комплекс, состоящий из гидравлического (или пневматического) привода и системы управления, обычно называют гидравлической (или пневматической) системой. Структурно такой комплекс можно представить состоящим из нескольких подсистем: энергообеспечивающая, исполнительная, направляющая и регулирующая, информационная и логико-вычислительная подсистемы.

Под энергообеспечивающей подсистемой понимается совокупность источников энергии для обеспечения работы как самого привода, так и его системы управления. Ведь для работы, например, гидравлической системы могут быть использованы несколько видов энергоносителя. Так, для привода это будет рабочая жидкость, а для его системы управления – рабочая жидкость (тогда это гидравлическая система управления), сжатый воздух (пневматическая система управления), электрический ток (электронная или релейно-контактная система уп­равления). Такое сочетание может быть и для пневматических систем. В тех случаях, когда система в целом потребляет разные виды энергии, она называется комбинированной. Встречаются и такие комбиниро­ванные системы, в которых задействованы гидравлический и пневма­тический приводы и система управления с разными энергоносителями. Все это зависит условий работы оборудования и его служебного назна­чения.

Исполнительная подсистема включает в себя все используемые двигатели и рабочие органы машин или механизмов, приводимые в движение этими двигателями.

Направляющая и регулирующая подсистема названа так потому, что включает в себя всю аппаратуру гидравлических и пневматических систем, предназначенную для регулирования параметров систем и из­менения направления движения их двигателей.

Информационная подсистема охватывает контрольную и измери­тельную аппаратуру, дающую сведения о ходе работы системы в целом и процесса управления ею.

Логико-вычислительная подсистема включает в себя применяющу­юся аппаратуру системы управления, обеспечивающую выполнение логических и вычислительных задач.

Ниже приводится описание всех элементов гидропневмосистем, их возможностей, достоинств и недостатков, а также даются рекомен­дации по расчету и выбору.