Методическое пособие 722

Импульсная форсировка уменьшает время нарастания тока, по сравнению с резистивной форсировкой, в 2-3 раза, ее КПД равен 1 и не зависит от схемы инверторов.

Принцип построения нереверсивных инверторов выбирается в зависимости от способа форсирования процессов отключения фазы и схемы соединения фаз. По этому признаку инверторы с импульсным форсированием делятся на схемы с одним ключом (регуляторы напряжения) и схемы с регулятором в каждой фазе.

Принцип построения инверторов с одним ключом иллюстрирует схема, приведенная на рис. 1.48.

Фазы ШД соединены в 4-лучевую звезду, в нейтрали которой установлен транзисторный ключ К, управляемый либо от времязадающего элемента ВЭ, запускаемого импульсом управления f (переключение в функции времени), либо элементами обратной связи по току (ОСТ) (управление в функции тока).

Коммутация фаз осуществляется ключевыми элементами инвертора. При поступлении управляющего импульса ВЭ открывает ключ на время, обеспечивающее нарастание тока под воздействием u. По окончании импульса ток в фазе ШД ограничивается либо резистором R0, либо подключением фаз к Uкз через распределительный диод, исключающий короткое замыкание при включенном К. Возможен также перевод К в режим ШИМ.

3. Поддержание тока в фазах ШД, осуществляемое путем многократного подключения в течение такта коммутации фазы ШД к источнику повышенного напряжения с автоматическим контролем среднего значения тока в фазе.

50

2.ГИДРОПРИВОД И ПНЕВМОПРИВОД РОБОТОВ

2.1.Предмет гидравлики

2.1.1.Термины и определения

В понятие «жидкость» включаются как обычные (капельные) жидкости, так и газы.

Основные особенности капельных жидкостей:

1.В малом количестве под действием сил поверхностного натяжения принимают сферическую форму.

2.В большом количестве образуют свободную поверхность раздела

сгазом.

3.Ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления, их обычно считают несжимаемыми.

Основная особенность газов в том, что они значительно изменяются в объеме при изменении давления, т.е. обладают большой сжимаемостью.

Несмотря на различие, законы движения капельных жидкостей и газов можно считать одинаковыми. Основное условие при этом: малая скорость течения газа, по сравнению со скоростью распространения в нем звука.

Преобразование энергии жидкости происходит в гидравлических машинах, которые бывают двух видов.

Насос – гидромашина, сообщающая протекающей по ней жидкости механическую энергию, и гидродвигатель – гидромашина, получающая от жидкости часть энергии и передающая ее рабочему органу для полезного использования.

51

Насосы и гидродвигатели применяют в гидропередачах, предназначенных для передачи механической энергии от двигателя к рабочему органу, а также для преобразования вида и скорости движения посредством жидкости. Гидропередача состоит из насоса и гидродвигателя, соединенных в одном агрегате.

В современной технике применяется большое число разновидностей гидромашин. Наиболее распространены объемные и лопастные гидромашины. Объемные работают за счет изменения объема рабочих камер – ограниченных пространств внутри машины, периодически изменяющих свой объем и попеременно сообщающихся с местами входа и выхода жидкости. Лопастные – за счет динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью.

Наибольшее распространение в промышленной робототехнике получили объемные гидромашины и привод на их основе. То же самое относится и к пневмоприводу. Примером объемной гидромашины является гидроцилиндр, примером лопастной – вентилятор, а также гидротурбина. И объемные,

илопастные гидромашины обратимы, поскольку могут применяться в качестве

инасосов, и гидродвигателей.

2.1.2. Плотность жидкостей

Плотность – физическая величина, определяемая отношением массы жидкости m к ее объему V. При равномерном распределении массы плотность определяется как

Удельный вес можно выразить через плотность:

Плотность минеральных масел колеблется в пределах 830…940 кг/м. От плотности жидкости зависит перепад давления ΔP

а также ударное давление при гидравлическом ударе, сопротивление трубопроводов в переходном процессе.

Плотность зависит от температуры:

где – плотность жидкости при начальной температуре;

–(1/град.) – температурный коэффициент объема;

–относительное изменение начального объема;

52

= t – t0 – изменение температуры; здесь t и t0 – начальная и конечная температуры;

=V – V – изменение объема при повышении температуры с t0 до t. В соответствии с этим

( )

Для распространенного масла АМГ–10 в диапазоне давлений от 0 до 200 кг/см = 8*10–4 (1/град.), или иначе температурное расширение равно 0,08 % при нагреве на 1 °С.

2.1.3. Вязкость жидкостей

Вязкость – свойство жидкости сопротивляться деформации сдвига или скольжения ее слоев.

При течении жидкости вдоль твердой стенки скорость ее слоев в результате торможения потока различна, вследствие чего возникает сила трения Т.

Эта сила (касательная напряжению) определяется из уравнения, выражающего закон жидкостного трения Ньютона:

где – коэффициент пропорциональности (динамическая вязкость);

F – площадь рассматриваемой поверхности или стенки, соприкасающейся с жидкостью;

dU/ dy – градиент скорости;

y – расстояние между слоями жидкости, измеренное перпендикулярно направлению движения жидкости.

Динамическая вязкость численно равна силе трения, развивающейся на единичной поверхности при единичном градиенте скорости.

Вязкость (за исключением аномальных жидкостей – суспензий, коллоидов и др.) появляется лишь при течении жидкости, так как в жидкости, находящейся в покое, касательные напряжения равны нулю.

Единица динамической вязкости: паскаль-секунда (Па·с). Вязкость воды при 20 °С равна 1010 Па·с.

В гидродинамике широко пользуются кинематической вязкостью ν, которая определяется как отношение динамической вязкости к плотности: ν = μ / ρ.

Единица кинематической вязкости – м/с. Вязкость, равная 1 см/с, называется стоксом (Ст). Минеральные масла имеют вязкость порядка нескольких стоксов.

53

С повышением температуры вязкость капельных жидкостей понижается. Вязкость зависит также от давления, увеличиваясь с увеличением последнего. Например, вязкость многих масел при изменении давления от 0 до 400 кг/см увеличивается примерно в 3 раза.

При практических расчетах применяется эмпирическое выражение:

2.1.4.Стабильность характеристик масел

1.Физическая стабильность – способность жидкости сохранять свое физическое состояние.

Основная причина нарушения физической стабильности – изменение (деструкция) молекулярной структуры жидкости в результате мятия ее при длительной работе в условиях высоких давлений. Это сопровождается понижением вязкости, ухудшением смазочных свойств. В эксплуатации не допускают понижения вязкости более чем на 20 % первоначального значения.

2.Химическая стабильность – устойчивость против «старения», под

которым понимают главным образом изменения, происходящие в масле в присутствии кислорода атмосферного воздуха.

Химическая стабильность зависит от химического состава и строения составляющих жидкость компонентов. В результате окисления жидкости происходит выпадение из них отложений в виде смол – понижение вязкости. При повышении температуры на каждые 8-10° интенсивность окисления минерального масла практически удваивается.

2.1.5. Растворение в жидкостях газов

Все жидкости обладают способностью растворять газы, которые в растворенном (дисперсном) состоянии не оказывают существенного влияния на работу гидросистемы. Если давление в какой–либо точке объема жидкости существенно уменьшается, то газы выделяются из раствора в виде пузырьков, которые ухудшают механические свойства жидкости и понижают ее химическую активность.

Относительный объем газов Vг, который может растворяться в жидкости до ее насыщения, прямо пропорционален давлению на поверхности раздела:

Vг = k*Vж*P2/P1,

54

где k = – коэффициент растворения газа в жидкости;

Vж – объем жидкости;

P1 и P2 – начальное и конечное давление газа.

Коэффициент растворения воздуха при температуре 20 °С составляет:

–в масле АМГ-10 – 0.1038;

–в керосине – 0.1270.

Выделение газа при местном понижении давления ухудшает, а иногда полностью нарушает работу гидросистемы.

2.1.6. Механическая смесь воздуха с жидкостями

При размерах пузырьков воздуха 0,4-0,8 мкм скорость вытеснения их из жидкости становится столь малой, что они могут находиться в смеси с жидкостью в течение многих суток.

Дисперсионную смесь, состоящую из капельной жидкости с пузырьками газа, называют газожидкостной средой. Газ в виде пузырьков всегда присутствует в рабочих жидкостях гидросистем, поэтому мы практически имеем дело не с жидкостью, а с газожидкостной средой. Обычно в масле действующей гидросистемы находится 0,5–5 % воздуха в нерастворенном состоянии. Это увеличивает вязкость жидкости, снижает объемную прочность, изменяет кавитационные свойства.

2.1.7. Сжимаемость и тепловые свойства жидкостей

Капельные жидкости, при некотором допущении, подчиняются закону сжатия Гука.

Сжимаемость жидкости создает во всех случаях в гидромеханизмах эффект жидкостной пружины. Жесткость можно оценить (без учета деформации конструкции) коэффициентом относительного объемного сжатия (коэффициентом сжимаемости), который характеризует относительное изменение объема жидкости, приходящееся на единицу изменения давления:

1/ΔρV/ V0

или

V = βΔρV, V = (V0 – ΔV) = (1 – βΔρ),

где ΔV/V0 – относительное изменение объема; Δρ = ρ2 – ρ1 – изменение давления; ρ1 и ρ2 – начальное и конечное давление;

55

V0 и V– начальный объем при атмосферном давлении и объем при изменении давления на Δρ.

Величина, обратная β, называется объемным модулем упругости жидкости при всестороннем сжатии:

E = VΔρ / ΔV = 1/β.

С повышением температуры E уменьшается, в соответствии с чем сжимаемость жидкостей повышается.

Наличие в жидкости пузырьков нерастворенного воздуха также понижает объемный модуль упругости.

Среднее значение коэффициента сжимаемости масла АМГ-10 для давления 0…200 кг/см2 и температуры 20 °С: β = 7·10–5 см2 /кг.

Для насыщения и эвакуации из гидросистемы теплоты, выделяющейся при работе необходимо, чтобы жидкости обладали определенными значениями удельной теплоемкости и теплопроводности.

Теплопроводность характеризуется количеством теплоты, которая проходит в единицу времени через единицу площади слоя жидкости толщиной в единицу длины. Для большинства нефтепродуктов теплоемкость равна примерно 0,15–0,18 Вт/м·K.

Удельная теплоемкость, под которой понимается количество теплоты, необходимой для нагревания единицы массы на 1 °С, характеризует интенсивность повышения температуры в гидросистеме. Для распространенных рабочих жидкостей в интервале температур 0–100 °С она равна в среднем 1,16 Дж/м·К.

2.1.8. Давление насыщенных паров. Кавитация

Делением насыщенного пара жидкости называют установившееся в замкнутом пространстве давление насыщенного пара, находящегося при данной температуре в равновесии с жидкостью.

Давление насыщенного пара однородных жидкостей имеет для каждой температуры определенное значение. Если же в жидкости растворено какоелибо вещество, то испарение растворителя затрудняется. Ввиду этого температура кипения сложных жидкостей (масел) при данном давлении, по мере выкипания легких компонентов, повышается, а давление насыщенных паров понижается.

Кавитация – местное выделение из жидкости в зонах пониженного давления паров жидкостей и газов (вскипания жидкостей) с последующим возмущением паровых (конденсация) и смыканием газовых пузырьков при попадании их в зону повышенного давления. Разрушение пузырьков сопровождается местными гидравлическими микроударами.

56

До настоящего времени не существует строго обоснованного описания механизма кавитационного разрушения гидроагрегатов. Одна из гипотез предполагает, что при понижении давления в какой-либо точке потока жидкость вскипает, происходит ее разрыв, выделившиеся при этом пузырьки газа и пара увлекаются потоком и переносятся потоком в область более высокого давления, в которой паровые пузырьки конденсируются, а газовые – сжимаются. Так как процесс конденсации и сжатия происходит мгновенно, то частицы жидкости перемещаются к центрам пузырьков с большой скоростью (до сотен м/с), в результате кинетическая энергия соударяющихся частиц вызывает местные гидравлические микроудары, сопровождающиеся выбросами температуры (от 1000–1500 °С).

Основным способом борьбы с кавитацией является максимальное разрежение в зоне возможной кавитации, которое частично может быть достигнуто повышением окружающего давления.

2.1.9. Режимы течения. Потери в трубопроводах

Различают два режима течения: ламинарный, характерный слоистым течением без перемешивания частиц и без пульсации скорости жидкости,

итурбулентный, сопровождающийся интенсивным перемешиванием частиц

ипульсациями скорости.

Переход от ламинарного режима к турбулентному характеризуется числом (критерием) Рейнольдса Re, представляющим собой безразмерную величину и связывающим среднюю по сечению скорость потока U, диаметр d сечения и кинематический коэффициент вязкости. Для трубопроводов круглого сечения Re имеет вид

Re = U d/ υ.

Справедливо общее правило: при Re < Re критич. – ламинарное течение, при Re > Re критич. – турбулентное течение.

Для гладких металлических труб: Re критич. = 2200 – 2300.

Потеря давления ΔP на цилиндрическом прямом отрезке трубопровода при Re < 2300 определяется формулой Пуазейля

где P1 и P2 – давление в начале и конце трубопровода; и V – динамическая и кинематическая вязкость;

– плотность;

57

L и D – длина и диаметр внутреннего рассматриваемого сечения трубопровода;

Q и U – средние значения расхода и скорости жидкости;

– гидравлическое сопротивление при ламинарном течении.

Вводя коэффициент λ = 64 / Re = 64υ / Ud, вышеприведенное выражение можно преобразовать:

где λ – коэффициент трения при ламинарном режиме; f – сечение трубопровода.

С учетом дополнительных сопротивлений (сужение сечения, охлаждение пристеночных слоев) λ = 75 / Re.

2.2. Гидроприводы

Объемные насосы. Перемещение жидкости в них осуществляется путем вытеснения ее из рабочих камер вытеснителями.

Вытеснитель – рабочий орган насоса, непосредственно осуществляющий работу вытеснения.

По характеру процесса вытеснения объемные насосы разделяют на поршневые и роторные.

В поршневом насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате лишь возвратно-поступательного движения вытеснителей (поршней, диафрагм, плунжеров).

Плунжер – поршень, длина которого значительно превосходит диаметр. В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих

камер в результате вращательного или вращательно-поступательного движения вытеснителей (шестерен, винтов, пластин, поршней).

По характеру движения входного звена объемные насосы разделяются на вращательные и прямодействующие.

Объемные гидродвигатели. По характеру движения выходного (ведомого) звена они делятся на три класса.

1.Гидроцилиндры с возвратно-поступательным движением выходного

звена.

2.Гидромоторы с непрерывным вращательным движением выходного

звена.

3.Поворотные гидродвигатели с ограниченным углом поворота выходного вала (гидроповоротники, моментные гидроцилиндры).

58

Принцип действия объемных гидроприводов. Удельная энергия идеальной жидкости определяется уравнением

где E – полная энергия жидкости с плотностью ρ; m – масса жидкости, текущей со скоростью U;

Zg – удельная энергия положения при разности высот Z; P/ρ – удельная энергия давления P;

U2/2 – удельная кинетическая энергия жидкости; U – скорость течения.

Передачу энергии можно осуществить, изменяя любой из членов написанного выше уравнения. Применительно к объемным гидроприводам из указанных трех видов механической энергии основным является энергия давления.

На рис. 2.1 представлена схема простейшего объемного гидропривода. Он состоит из соединенных трубопроводами насоса 1 с баком 5 и силового цилиндра 2, предохранительного клапана 4 и распределительного устройства 3, дросселя 6.

Жидкость от насоса 1 поступает в левую полость цилиндра 2, перемещая его в поршень. Жидкость, вытесняемая поршнем с правой полости цилиндра, удаляется сливным трубопроводом в бак 5. При повороте распределителя на 90 °С жидкость от насоса поступает в правую полость цилиндра, осуществляется реверс. При превышении давления сверх нормы открывается предохранительный клапан 4 и жидкость будет переливаться через него в бак. Регулирование скорости в передачах мощностью более 5–10 кВт обычно осуществляется с помощью насоса 1 путем изменения его рабочего объема, а в передачах меньших мощностей – посредством дросселя 6, с помощью которого создается сопротивление на входе жидкости в гидродвигатель, в результате чего часть жидкости переливается в бак через клапан 4.

Механизмы прямолинейного движения. Силовые цилиндры. Эти механизмы наиболее широко распространены в гидроприводе.

На рис. 2.2 приведена схема цилиндра двухстороннего действия. Движущие усилия P на штоке и скорость V его перемещения (без учета

потерь на трение, против давления и утечек) определяют по формулам: P = Pf; , где f – рабочая поверхность поршня; Q – объемный расход.

то же для правой.

Применяются цилиндры со ступенчатым поршнем, телескопические. Мембрана. В гидравлическом механизме представляет собой защем-

ленное по периферии эластичное кольцо, с центром которого связана нагрузка. Они могут быть плоские, тарельчатые, с жестким центром.

59