Гидравлика и гидропривод

В местах сосредоточения потребителей пневмоэнергии, напри­ мер, на добычных участках в угольных шахтах с крутым паде­ нием пластов, в качестве масловлагоотделителей, обычно, ис­ пользуют небольшие резервуары (0,75—1,5 м3), которые уста­ навливают перед группой потребителей. Эти же резервуары служат для выравнивания давления перед потребителями.

В отличие от гидропривода, где рабочая жидкость одновре­ менно выполняет и функции смазки, трущиеся поверхности ра­ бочих органов пневмодвигателей необходимо смазывать. Так как в процессе расширения температура сжатого воздуха зна­ чительно понижается, для смазки необходимо применять масла с низкой температурой застывания (не выше —10°С). Обычно, применяют масло индустриальное И-ЗОА. В некоторых случаях для понижения температуры застывания в масло вводят специ­ альные присадки.

В двигателях, не имеющих собственной системы смазки, подача масла к трущимся поверхностям осуществляется из автомасленок, включаемых перед пневмодвигателями в трубо­ провод, подающий сжатый воздух.

Пуск и остановка установок с гидропневмоприводом доволь­ но просты. В установках с нерегулируемым приводом и инди­ видуальным насосом или компрессором эти операции сводятся к включению и выключению приводного двигателя (электро­ двигателя и др.). Для гидропневмодвигателей, питающихся от общей насосной или компрессорной станции, пуск и остановка при наличии давления в магистрали производятся перестанов­ кой запорного элемента распределителя.

Поломки гидропривода наиболее часто происходят при первом его запуске, поэтому необходимо строго соблюдать оп­ ределенный порядок запуска. До пуска насоса следует произ­ вести внешний осмотр всего гидропривода и убедиться в от­ сутствии внешних поломок, проверить уровень рабочей жид­ кости в гидробаке, наличие пломбы на предохранительном кла­ пане, положение запорного элемента гидрораспределителя (он должен находиться в нейтральном положении). Перед пуском

вращения вала.

После пуска насоса необходимо осмотреть все узлы гидро­ привода, убедиться в отсутствии утечек. После проверки реко­ мендуется плавно нагрузить систему, следя за показаниями приборов. Затем, под нагрузкой следует проверить работу всей направляющей аппаратуры, а по возможности — и отсутствие

пенообразования жидкости.

В установках с регулируемым гидропневмоприводом процес­ сом пуска можно управлять, изменяя величину момента (уси-

лия) на выходном звене гидропневмодвигателя. Уравнение мо­ ментов привода —

нальной скорости вращения является наличие положительной разности Мд—Мм, которую принято называть избыточным мо­ ментом: Миз=Мд—Мм. С другой стороны, MB3=Jda/dt. Следо­ вательно, чем больше избыточный момент, тем быстрее закан­ чивается пуск установки, имеющей / = idem.

Значение избыточного момента можно увеличить двумя способами: уменьшением момента сопротивления Мм за счет снижения нагрузки на исполнительном органе машины и уве­ личением момента Мд на валу гидропневмодвигателя.

Первый способ является довольно простым и приводит к ускорению пуска любого привода, в том числе нерегулируемо­ го. Однако, он не всегда применим, так как момент сопротив­ ления определяется условиями работы машины*

Второй способ широко используется для установок с регу­ лируемым гидроприводом, в котором с уменьшением подачи насоса увеличивается значение пускового момента (см. рис. 13.6). Это позволяет осуществлять пуск установок, работающих в самых тяжелых условиях (механизмы подач очистных ком­ байнов). Некоторые регулируемые насосы имеют специальный механизм (нуль-установитель) для автоматической установки нулевой подачи после выключения насоса. Включение такого насоса происходит всегда при нулевой подаче.

В установках с регулируемыми гидромуфтами пусковой момент возрастает при увеличении степени заполнения жид­ костью рабочей полости гидромуфты (см. рис. 14.11).

Можно добиться некоторого увеличения пускового момента (усилия) и при дроссельном регулировании в случае установки дросселя параллельно гидродвигателю (см. 13.3.2). Для этого увеличивают сопротивление дросселя, а максимальное значение пускового момента ограничивают настройкой предохранитель­ ного клапана.

При последовательном включении дросселя и гидродвигателя значение его максимального момента (усилия) определяется настройкой переливного клапана (см. 13.3.1) и остается посто­ янным в процессе работы, не зависящим от сопротивления дросселя и величины нагрузки. Поэтому пуск таких установок аналогичен пуску установок с нерегулируемым гидроприводом.

Желательно сокращение времени пуска привоДного электро­ двигателя, так как при этом сокращается время протекания по его обмоткам пускового тока, значительно превышающего номинальный. Однако форсированный пуск должен быть огра­ ничен допустимым ускорением da/dt по условиям механичес­ кой прочности элементов всего привода. Помимо этого, пуск установки с гидропневмоприводом более благоприятный, чем без него, вследствие отсутствия жесткой связи приводного дви­ гателя с исполнительным органом машины.

В процессе работы гидропневмоприводов рекомендуется систематически контролировать давление рабочей жидкости в напорной гидролинии, так как оно характеризует нагрузку на выходном звене.

Давление контролируют манометром, который устанавли­

гидропневмоприводов при повышенном давлении приводит к их преждевременному износу.

При срабатывании предохранительного клапана необходи­ мо уменьшить нагрузку на исполнительном органе. Длительная (более минуты) работа гидропривода с открытым предохрани­ тельным клапаном недопустима, так как при этом происходит резкое повышение температуры рабочей жидкости и, следова­ тельно, всего гидропривода. С повышением температуры увели­ чиваются утечки, уменьшается вязкость рабочей жидкости, происходит более интенсивное ее окисление и выделение смо­ листых осадков, в результате чего изменяются проходные от­ верстия дросселей, щелей золотников и т. д.

Диапазон рабочих температур наиболее распространенных жидкостей весьма значительный — от —20°С до +80°С [8, 12]. Однако, верхним пределом температуры рабочих жидкос­ тей, применяемых в шахтном объемном гидроприводе, включая

определяется температурой ее застывания, так как при засты­ вании жидкости увеличивается вероятность появления кавита­ ции и подсосов воздуха. Оба эти явления недопустимы при нормальной работе, поэтому необходимо систематически про; верять чистоту фильтра на всасывающем трубопроводе, уро­ вень жидкости в баке, не допускать работу привода при темпе­ ратурах близких к температуре застывания жидкости.

В разомкнутой системе циркуляции попавший в масло воз­ дух можно заметить по молочному цвету потока на конце слив­ ной гидролинии. В замкнутых системах циркуляции такой кон­ троль невозможен, поэтому необходимо систематически контро­ лировать давление во всасывающей гидролинии. Наступление

кавитации в некоторых случаях можно зарегистрировать по специфическому шуму в насосе.

Работа пневмодвигателей, как правило, сопровождается значительным охлаждением воздуха. Так как полного осуше­ ния воздуха в пневмоприводе добиться нельзя, охлаждение иногда приводит к обмерзанию выхлопных патрубков. Обмер­ зание становится особо интенсивным при повышенном давле­ нии воздуха (р2/р 1 уменьшается), поэтому такие режимы до­ пускаются только как кратковременные (несколько минут). Масловлагоотделители в пневматических сетях следует систе­ матически освобождать от конденсата. Для этого на них долж­ ны быть установлены соответствующие вентили.

В процессе эксплуатации гидропневмоприводов вследствие износа трущихся поверхностей увеличиваются утечки рабочей жидкости, которые в объемных гидроприводах можно снизить, заменяя рабочую жидкость новой с повышенной вязкостью (например, масло индустриальное марки И-ЗОА заменить мар­ кой И-40А). При правильной эксплуатации гидропривода не­ обходимо иметь график контроля и замены рабочей жидкости.

16.2. Общие сведения об автоматическом управлении

В общем случае любая система управления состоит из двух основных частей: объекта управления (машина или отдельная операция) и управляющего устройства (аппарата). Система может управляться вручную или автоматически. Часто приме­ няется дистанционное и полуавтоматическое управление. Сис­ тема, в которой управление сводится только к регулированию объекта, называется элементарной. Элементарные системы на­ шли широкое распространение в качестве элементарных регу­ ляторов давления и расхода как прямого, так и непрямого дей­ ствия (см. 12, 15.6).

Состояние объекта управления характеризуется рядом ве­ личин х, у, 2 , w, из которых одни являются контролируемыми, т. е. измеряемыми в процессе управления, другие — неконтро­ лируемыми. Контролируемые величины у, по которым ведется

объектом, называются управляющими. Воздействия, не завися­ щие от управляющего устройства, называются возмущениями. Возмущения подразделяются на два вида: нагрузка г и помехи w. Если в объект входят только по одной из указанных вели­ чин х, у, 2 , w, то его называют односвязным или простым (рис. 16.1, а), если большее число каждой величины — многосвязным или сложным (рис. 16.1,6).

этих величин зависит от времени t, то характеристика называ­ ется д и н а м и ч е с к о й . Если указанное уравнение является линейным, то и вся система управления — л и н е й н а я, если нет — н е л и н е й н а я .

Все системы управления разделяются на разомкнутые и замкнутые. Первые — более простые.

В разомкнутых системах управляющее воздействие х зада­ ется без учета действительного значения управляемой величи­ ны у. Управление при этом — жесткое, по программе. В такой системе должны отсутствовать влияния неконтролируемых воз­ мущений w. Разомкнутые системы применяются для стабилиза­ ции управляемой величины у или программного управления ею по жесткой программе, а также для дистанционного управ­ ления. Элементной базой этой системы является практически вся рассмотренная выше гидро- и пневмоаппаратура (см. 12 и 15.6).

В замкнутых системах управляющее воздействие х форми­ руется в непосредственной зависимости от управляемой вели­ чины у. Обычно эта зависимость осуществляется через обрат­ ную связь (связь между последующими и предыдущим по на­ правлению воздействия звеном в системе управления), назна­ чение которой — исключить перерегулирование объекта. Эта сис­ тема может применяться без ограничений для управления лю­ быми объектами, в частности, в следящих системах и в систе­ мах с самонастройкой на оптимум управляемой величины.

(задатчика 3), устройства сравнения (сумматора) 4, усилителя сигнала 5, исполнительного устройства (механизма) 6 и уст­ ройства коррекции (на схеме не показано). Совокупность всех

тор работает следующим образом. Из измерительного устрой­ ства 2 выдается сигнал, соответствующий регулируемой величи­ не у. Этот сигнал в устройстве сравнения 4 вычитается Из ус­ тавки уо, выдаваемой задатчиком 3. Разности Лу=уь—у усили­

Выходе из усилителя 5 управляющая величина х имеет доста­ точно мощный сигнал, то отсутствует устройство 6. Если вы­ ходная управляемая величина у непосредственно подается на устройство сравнения 4, то отсутствует устройство 2. Усили­ тель 5 является неотъемлемым элементом каждого регулятора непрямого действия. Устройство коррекции улучшает характе­ ристики системы. Связь между звеньями 2, 5, 6 называется об­ ратной и также является неотъемлемым элементом всякой зам­ кнутой системы. Сигналы измерительных и усилительных уст­

ци ф р о в о г о типа.

Всистемах гидропневмоавтоматики элементы 2, 3, 4 иногда объединяют в один чувствительный элемент, а функциональную схему регулятора представляют упрощенно (рис. 16.2, б): 1 — чувствительный элемент, 2 — гидропневмоусилитель, 3 — гидро­

пневмодвигатель, 4 — объект регулирования. Между объектом 4 и чувствительным элементом 1 показана обратная связь.

Чаще всего регуляторы называют по типу гидроусилителя, которые могут быть золотниковыми, дроссельными и струй­ ными,

16.3. Регуляторы с гидроусилителями

Регуляторы с гидроусилителями применяются, как правило, в замкнутых системах. Устойчивость системы автоматического управления — необходимое, но недостаточное условие рацио­ нальности ее применения. Важно также, чтобы управление бы­ ло качественным. К основным показателям качества относятся: точность управления, оцениваемая рассогласованием между за­ данной командой и ее выполнением; быстродействие управле­ ния, оцениваемое временем отработки сигнала на управление; плавность протекания переходных процессов, оцениваемая сте­ пенью перерегулирования объекта в процессе управления.

б

Важный показатель для регуляторов — коэффициент усиле­ ния гидроусилителя — отношение мощности на выходе усили­ теля к мощности на входе. Практически это отношение можно определить как отношение мощности на входе исполнительного механизма регулирующего органа к мощности на выходе чувст­ вительного элемента. Значение коэффициента для гидроусилите­ лей обычно колеблется от нескольких сотен до нескольких де­ сятков тысяч единиц.

16.3.1. Регуляторы с золотниковыми гидроусилителями

Основным элементом золотникового гидроусилителя является дросселирующий золотниковый распределитель, который соче­ тает функции дросселя переменного сопротивления и распреде­ лительного устройства. Дросселируя поток жидкости, идущий к гидродвигателю, золотник изменяет значение давления по­ следнего, а следовательно и усилие, перемещающее регулирую­ щий орган. Изменение направления движения жидкости, рас­ пределителем позволяет реверсировать исполнительный орган. Распределители обычно выполняются разгруженными, что по­ вышает чувствительность регулятора.

Рассмотрим схему регулятора с золотниковым гидроусили­ телем (рис. 16.3, а).

Чувствительный элемент, воздействуя на рукоятку /, приво­ дит в движение золотник 3. К зрлощиковому распределителю

подключены напорная линия (давлением pi) и сливная (давле­ нием />г). Распределитель, в свою очередь, соединен гидролннией с цилиндром 4, который является гидродвигателем испол­ нительного органа. При повороте рукоятки 1 вправо рычаг 2, повернувшись относительно точки с по часовой стрелке на ве­ личину а а сместит золотник 3 также вправо, благодаря чему жидкость начнет поступать в правую полость гидроцилиндра, а из левой будет вытесняться в сливную линию. Поршень 5 гидроцилиндра под давлением переместится влево и повернет рычаг 2 относительно точки а' из положения в точке Ь' в ис­ ходное положение — точка Ь. При этом золотник 3 также смес­ тится влево и перекроет окна в гильзе корпуса золотника — жидкость перестанет поступать в гидроцилиндр 4. Таким обра­ зом, рычаг 2 выполняет функции обратной связи. При повороте рукоятки управления 1 влево поршень гидроцилиндра начнет перемещаться вправо. Следовательно, поршень гидроцилнндра будет «следить».за перемещением золотника, а с помощью ры­ чага 2 будет осуществляться жесткая обратная связь между поршнем 5 и золотником 3. Причем, благодаря обратной связи поршень все время стремится уменьшить рассогласование меж­ ду своим движением и движением золотника. В этом заключа­ ется главная особенность системы регулирования с обратной связью.

Существует целый ряд других систем автоматического регу* лирования с золотниковым усилителем иных конструкций [9, 10]. Все они имеют высокую точность и быстродействие, но недостаточную плавность регулирования. Коэффициент усиле­ ния обычно не превышает нескольких сотен единиц. Регулято­ ры с золотниковыми усилителями широко применяются в ма­ шиностроении. В горной практике их используют для управле­ ния тормозными системами шахтных подъемных машин и ле­ бедок.

16.3.2. Регуляторы с дроссельными гидроусилителями

В литературе по автоматическому управлению усилитель та­ кого регулятора чаще упоминается под названием «сопло-за­ слонка». Регулятор (рис. 16.3, б) состоит из камеры / подво­ да жидкости от источника питания, дросселя 2 постоянного со­ противления, камеры 3 питания гидродвигателя исполнительно­ го механизма, сопла 4 и заслонки 5. Сопло и заслонка образу­ ют регулируемый дроссель. Камера 1 предназначена для под­ держания постоянного давления перед гидроусилителем. В не­ которых случаях ее заменяет редукционный клапан. Дроссель 2 уменьшает расход жидкости в системе и совместно с каме­ рой 1 поддерживает постоянное давление перед регулируемым дросселем. При наличии редукционного клапана дроссель 2

отсутствует.

Из камеры 3 часть йодаваемой в усилитель ж и д к о ст и посту­ пает в гидроцилиндр 6, а часть идет на слив через зазор между соплом и заслонкой. Чем больше этот зазор, тем больше ухо­ дит жидкости на слив и меньше поступает на перемещение поршня цилиндра 6. Величина зазора зависит от положения заслонки, которая перемещается чувствительным элементом ре­ гулятора, и обычно составляет 0,01—0,03 мм.

При перемещении заслонки изменяется давление р в камере 3, что вызывает перемещение поршня цилиндра 6. Таким об­ разом, шток поршня (выходное звено регулятора) «следит» за движением заслонки (входного звена). Как и в регуляторах с золотниковым гидроусилителем, здесь можно ввести обратную связь между штоком гидроцилиндра и заслонкой.

Регуляторы с дроссельными гидроусилителями отличаются высокой точностью и плавностью. Недостатком их является большой расход жидкости через сопло, а следовательно, низ­ кая экономичность. На принципе действия этого регулятора работают устройства, уравновешивающие осевые усилия в ро­ торах секционных центробежных насосов и турбокомпрессоров.

16.3.3. Регуляторы со струйными гидроусилителями

Основным элементом такого регулятора является полая труб­

кая из насадка, попадает на плитку 3 с приемными соплами 2 и 5. Последние представляют собой конически расходящиеся каналы, поэтому скоростной напор в них преобразуется в ста­ тический. Приемные отверстия 2 и 5 соединены гидролиниями с цилиндром 4, который является гидравлическим двигателем исполнительного органа. Если конец струйной трубки располо­ жен посредине между приемными соплами 2 и 5, то давление в них, а следовательно, и в цилиндре по обе стороны поршня, будет одинаковым, и шток поршня останется неподвижным. При смещении трубки из симметричного положения относительно отверстий 2 и 5 (под действием импульса от чувствительного элемента) струя жидкости поступит в одно из этих отверстий и далее в соответствующую полость цилиндра 4. Поршень нач­ нет перемещаться, вытесняя жидкость из противоположной по­ лости цилиндра через соответствующее отверстие 2 или 5. Для устранения реактивного действия струи, выходящей из прием­ ных отверстий, на трубку 1 плитку 3 располагают на некото­ ром удалении от конца трубки, а оси отверстий 2 и 5 выполня­ ют в разных плоскостях, не совпадающих с плоскостью кача-