Гидравлические и пневматические двигатели

Гидравлические и пневматические двигатели

Гидравлические и пневматические двигатели преобразуют энергию сжатой жидкости (масла) или сжатого газа (воздуха) в движущую силу, крутящий момент, скорость или перемещение регулирующего органа ОУ [24]. Комплекс из источника энергопитания (насоса), устройства управления и двигателя называется сервомеханизмом. На входе сервомеханизма действует управляющий сигнал, на выходе — механическое воздействие на ОУ.

По сравнению с электродвигателями гидравлические двигатели (ГД) и пневматические двигатели (ПД) имеют примерно в 10 раз больше удельную мощность на килограмм веса, равную в среднем 10 кВт/кг. Преимуществами ГД и ПД также являются простота получения возвратно-поступательных и вращательных движений без кинематических передач и редукторов, большая мощность при малых габаритах, высокая надежность и большой срок службы, простота конструкции и малая стоимость, высокое быстродействие благодаря большим движущим силам и малым инерционным массам, нечувствительность к электромагнитным помехам и радиации. Недостатки ГД и ПД — невозможность размещения двигателя, устройства управления и источника питания на удалении друг от друга, утечки при износе уплотнений подвижных сочленений, потребность в насосах и трубопроводах высокого давления.

Гидравлические сервомеханизмы состоят из гидронасоса, гидродвигателя и управляющего устройства [24].

1) Гидронасосы преобразуют механическую энергию первичного двигателя в энергию сжатой рабочей жидкости (масла). Гидронасосы и гидродвигатели имеют одинаковое устройство и являются гидравлическими машинами, обладающими свойством обратимости.

Шестеренчатые гидронасосы (рис. 7.3.1, а) применяют при давлении до 25 кг/см2 и производительности до 5—140 л/мин. Лопастные гидронасосы центробежного типа (рис. 7.3.1, б) и типа винта (рис. 7.3.1, в) применяют при давлениях от 25 до 65 кг/см2 и производительности до 200 л/мин. Поршневые (рис. 7.3.1, г) и диафрагменные (плунжерные) (рис. 7.3.1, д) гидронасосы применяют при давлении от 65 до 200 кг/см2 и производительности до 400 л/мин.

2) Гидродвигатели используются для выполнения возвратно-поступательных движений с применением силовых гидроцилиндров и вращательных движений с применением ротационных гидромоторов.

Силовые гидроцилиндры (СГЦ) (рис. 7.3.1, г) применяются в автоматике для возвратно-поступательного перемещения рабочих органов в стационарных ОУ (станки, роботы, прессы и др.) и автономных машинах (экскаваторы, погрузчики и др.). СГЦ создают большие усилия и практически не влияют на инерционность ОУ из-за малости собственной кинетической энергии mV2/2 движущегося поршня.

Гидравлические и пневматические двигатели

Рис. 7.3.1 — Схемы гидронасосов

См. также:  Оценка качества методами численного интегрирования

Ротационые гидромоторы (РГМ) делятся на РГМ с непрерывным вращением выходного вала (рис. 7.3.2, а, б) и поворотные РГМ с ограниченным углом поворота выходного вала (рис. 7.3.2, г).

РГМ с непрерывным вращением используются в САУ для плавного регулирования скорости движения ОУ в диапазоне до 1:1300. Из многообразия РГМ в регулируемых гидроприводах обычно применяются аксиально-поршневые, радиально-поршне-вые и лопастные РГМ.

Аксиально-поршневые РГМ с наклонной шайбой имеют несколько силовых цилиндров 1, расположенных в неподвижном блоке цилиндров 2 аксиально по окружности. Поршни 3 этих цилиндров поочередно давят своими толкателями на свободно вращающуюся шайбу 4 подшипника, которая создает наклон и тангенциальную силу вращения основания 6 подшипника, шарнирно связанного по углу поворота с выходным валом 5, что приводит к вращению выходного вала 5 РГМ (рис.7.3.2, а). В левой части РГМ расположено распределительное устройство подачи давления в цилиндры, управляемое от вращающегося выходного вала 5 и определяющее направление вращения. Скорость вращения РГМ регулируется изменением количества подводимой жидкости.

Гидравлические и пневматические двигатели

Рис. 7.3.2 — Схемы гидромоторов

Радиально-поршневые РГМ двойного действия с цапфенным распределением рабочей жидкости (рис. 7.3.2, б) имеют несколько радиально расположенных силовых цилиндров 1Ц—7Ц во вращающемся звездообразном блоке цилиндров, поршни которых давят на шарики, прижимая их к эллипсоидной стенке неподвижного корпуса. При нагнетании жидкости через отверстия о1 и о3 создается момент сил, вращающий звездообразный блок цилиндров и вал РГМ по часовой стрелке, а при нагнетании через отверстия о2 и о4 — против часовой стрелки. Внутри цилиндров имеются пружинки, не показанные на рисунке, прижимающие шарики поршнями к стенкам эллипсоида.

Поворотные гидромоторы (ПГМ) изготавливаются с одной (рис. 7.3.2, г) и двумя лопастями (рис. 7.3.2, в). ПГМ с одной лопастью имеет угол поворота до 320°, но он не разгружен от радиальных усилий. ПГМ с двумя лопастями свободен от этого недостатка, но его угол поворота не превышает 160°.

3) Гидравлические устройства управления (ГУУ) строятся по принципам дроссельного, объемного или струйного управления.

ГУУ с дроссельным управлением (ГУУДУ) содержат дроссель, регулирующий поступление сжатой жидкости в гидродвигатель. Наиболее распространены дроссели типа золотниковая пара, состоящие из цилиндра с окнами (щелями) в стенках, перекрываемых в разной степени поршнем. В схеме ГУУДУ с четырехщелевым золотником при нейтральном положении поршня (рис. 7.3.3, а) левая и правая полости силового цилиндра 1 закрыты поршнем золотника 2 и гидродвигатель заторможен. При смещении поршня в левое положение напорная магистраль соединяется с левой полостью силового цилиндра и его поршень перемещается вправо, вытесняя отработанную жидкость из правой полости рабочего цилиндра. При смещении поршня золотника в правое положение поршень в силовом цилиндре будет перемещаться влево, вытесняя отработанную жидкость из левой полости силового цилиндра. Скорость движения поршня в силовом цилиндре или скорость вращения гидромотора регулируется изменением площади сечения щелей золотниковой пары при смещениях поршня золотника в разные положения.

См. также:  Датчики температуры с использованием термо-ЭДС

Гидравлические и пневматические двигатели

Рис. 7.3.3 — Схемы ГИМ дроссельного и струйного управления

ГУУ с объемным управлением (ГУУОУ) действуют по принципу регулирования производительности насоса для изменения скорости гидродвигателя за счет изменения объема рабочей жидкости, проходящей через гидродвигатель в единицу времени. ГУУОУ имеют высокий КПД, но и высокую стоимость потому, что для каждого гидродвигателя нужен отдельный насос.

ГУУ струйного управления (ГУУСУ) (рис. 7.3.3, б) имеют в качестве управляющего элемента подвижную струйную трубку с конической насадкой и плиту с двумя отверстиями, соединенными с рабочими камерами исполнительного гидродвигателя. Кинетическая энергия струи рабочей жидкости, бьющей под давлением из насадки трубки, преобразуется в статическое давление рабочей жидкости, создаваемое в рабочих камерах гидродвигателя. Достоинством ГУУОУ являются большая чувствительность к перемещению струйной трубки и высокая надежность функционирования, а недостатком — большой расход рабочей жидкости и низкий КПД.

Пневматические сервомеханизмы преобразуют энергию сжатого газа (воздуха) в механическую энергию воздействий на ОУ. По принципу действия и составу основных элементов пневматические и гидравлические сервомеханизмы аналогичны. Пневматические сервомеханизмы состоят из источника газовой энергии, управляющего устройства и пневматического двигателя [34].

1) Источники газовой энергии обычно состоят из очистителя воздуха (или газового генератора) и компрессора (насоса), сжимающего и накачивающего газ или воздух в ресивер (аккумулятор сжатого газа или воздуха в виде герметичного баллона).

2) Управляющие устройства в пневматических сервомеханизмах строятся по тем же принципам дроссельного, объемного или струйного управления, что и в гидравлических сервомеханизмах.

3) Пневматические двигатели (ПД), используемые в САУ, разделяются на следующие шесть типов [24]:

1) поршневые ПД (силовой цилиндр) (рис. 7.3.1, г);

2)диафрагменные ПД (мембранные, сильфонные) (рис. 7.3.1, д);

3) газомоторные ПД (поршеньковые газомоторы) (рис. 7.3.2, а);

См. также:  Передаточные функции дискретных САУ

4) турбинные ПД (рис. 7.3.4, а);

5) струйно-реактивные ПД (рис. 7.3.4, б);

6) комбинированные ПД.

ПД первого, второго и третьего типов функционируют на основе использования потенциальной энергии (силы давления) сжатого газа, и их устройство и принципы действия аналогичны соответствующим типам гидродвигателей, рассмотренным выше.

Гидравлические и пневматические двигатели

Рис. 7.3.4 — Схемы турбинного и струйно-реактивного

пневматических двигателей

Турбинные ПД (ТПД) (рис. 7.3.4, а) состоят из рабочего колеса 1 с лопатками 2 и соплами 3, образующими лопаточный аппарат турбины, в котором потенциальная энергия сжатого газа преобразуется в кинетическую энергию и механическую энергию вращения рабочего колеса — единственного движущегося элемента турбинного ПД.

В турбинах струя газа, попадая в лопаточный аппарат «сопло-лопатка», изменяет направление движения и оказывает давление на лопатки, вызывая вращение колеса турбины. Реверсивные турбины имеют на одном валу два комплекта «рабочее колесо — сопло» с разным расположением лопаток (рис. 7.3.4, а). Крутящий момент и скорость вращения ТПД регулируются изменением расхода газа методом дроссельного или объемного управления, как в гидродвигателях.

В зависимости от геометрии лопаточного аппарата турбины разделяются на активные (в которых, в основном, используется кинетическая энергия газовой струи) и активно-реактивные (в которых используется не только кинетическая, но и потенциальная энергия сжатого газа за счёт его расширения в лопаточном аппарате).

Струйно-реактивные ПД преобразуют энергию газового потока в усилие (или крутящий момент), развиваемое реактивными соплами (рис. 7.3.4, б). Струйно-реактивные двигатели особенно широко применяются в авиации и ракетной технике.

Комбинированные пневматические двигатели являются многоступенчатыми системами, состоящими из нескольких однокаскадных пневматических двигателей (ПД), работающих на общий вал. При этом по питанию сжатым газом ПД включены последовательно — от источника газ поступает в первую турбину, полученный на её выходе газ направляется во вторую турбину и т.д. В эту общую систему могут объединяться ПД разных типов. В комбинированных ПД повышается КПД и быстродействие потому, что в однокаскадных ПД невозможно использовать всю энергию газа с высоким давлением (это связано с предельным циклом Карно) и два однокаскадных ПД половинной мощности имеют суммарный момент инерции меньше, чем один однокаскадный ПД полной мощности.