Исполнительные механизмы. 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В современной жизни человека механизмы  и машины играют важную роль. Они  широко применяются в народном хозяйстве, промышленности, сельском хозяйстве, специальных  областях техники, медицине, космической промышленности, быту и т.д.

С каждым днем увеличивается потребность  в машинах и механизмах для  многих устройств автоматики, телемеханики, связи, промышленной электроники, счетно-решающей и измерительной техники, предметов  повседневного спроса.

В автоматических линиях, в промышленных работах, в приборах измерения и  управления применяется большое  число управляемых и неуправляемых  исполнительных механизмов.

1. Классификация исполнительных  механизмов

 

Исполнительный механизм –

1) устройство, выполняющее непосредственно требуемую технологическую операцию;

2)  механизм автоматической системы регулирования, осуществляющий в соответствии с сигналами механическое воздействие на объект регулирования.

 

Рисунок 1.1 - Классификация исполнительных механизмов

Исполнительные механизмы, применяемые в системах автоматики, очень разнообразны. Классификация производится в первую очередь по виду энергии, создающей усилие (момент) перемещения регулирующего органа. Соответственно, исполнительные механизмы бывают пневматические, гидравлические и электрические, механические и комбинированные.

По конструкции различают электродвигательные, электронные, электромагнитные, поршневые, мембранные и комбинированные исполнительные механизмы.

В пневматических исполнительных механизмах усилие перемещения создается за счет давления сжатого воздуха на мембрану, поршень или сильфон; давление обычно не превышает 10і кПа. В гидравлических исполнительных механизмах усилие перемещения создается за счет давления жидкости на мембрану, поршень или лопасть; давление жидкости в них находится в пределах (2,5 - 20) 10і кПа.

Отдельный подкласс гидравлических исполнительных механизмов составляют исполнительные механизмы с гидромуфтами.

Пневматические и гидравлические мембранные и поршневые исполнительные механизмы подразделяются на пружинные и беспружинные В пружинных исполнительных механизмах усилие перемещения в одном направлении создается давлением в рабочей полости исполнительного механизма, а в обратном направлении - силой упругости сжатой пружины. В беспружинных исполнительных механизмах усилие перемещения в обоих направлениях создается перепадом давления на рабочем органе механизма.

По характеру движения выходного  элемента большинство исполнительных механизмов подразделяются на: прямоходные с поступательным движением выходного элемента, поворотные с вращательным движением до 360° (многооборотные).

Управление исполнительными механизмами  осуществляется, как правило, через  усилители мощности. Помимо того, непосредственно  к исполнительным механизмам может подводиться энергия от дополнительного источника, т.е. используются одновременно два вида энергии: электропневматические, электрогидравлические и пневмогидравлические. Вид энергии управляющего сигнала может отличаться от вида энергии, создающей усилие перемещения.

В электрических системах автоматизации  и управления наиболее широко применяются  электродвигательные (электромашинные) и электромагнитные исполнительные механизмы. Основным элементом электромашинного исполнительного механизма является электрический двигатель постоянного или переменного тока. Такие исполнительные механизмы обычно называют электроприводами, т.к согласно ГОСТ электропривод - это электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, электрического преобразовательного, механического передаточного, управляющего и измерительного устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управлении этим движением. Электромагнитные ИМ дискретного действия выполняются в основном на базе электромагнитов постоянного и переменного тока и постоянных магнитов. Жесткое и упругое соединение узлов систем осуществляют различного рода электромагнитные муфты.

ИМ должны удовлетворять следующим  требованиям:

мощность их должна превосходить мощность, необходимую для приведения в движение объекта управления или его органов во всех режимах работы;

статические характеристики исполнительных механизмов должны быть по возможности  линейными и иметь минимальные  зоны нечувствительности (зоной нечувствительности называется зона, в пределах которой изменение управляющего сигнала не вызывает перемещение управляемого объекта или его органов);

как наиболее мощные функциональные звенья автоматических систем регулирования  должны обладать достаточным быстродействием;

регулирование выходной величины должно быть по возможности простым и  экономичным;

должны иметь малую мощность управления.

В качестве исполнительных механизмов в системах автоматики в основном применяются мощные электромагнитные реле, электромагниты, электродвигатели постоянного тока, двухфазные электродвигатели переменного тока, электромагнитные муфты, мембранные и поршневые, гидравлические и пневматические двигатели и др.

 

 

 

2.2 Классификация

 

Электрические исполнительные механизмы  делятся на электромагнитные и электродвигательные. К электромагнитным исполнительным относятся реле, контакторы, электромагниты, электромагнитные вентили и клапаны, электромагнитные муфты.

Основными видами электрических двигателей, изготавливаемых промышленностью  являются: синхронные, асинхронные с короткозамкнутым или фазным ротором и электродвигатели постоянного тока с независимым, сериесным или смешанным возбуждением, а также некоторые виды специальных электродвигателей: коллекторные электродвигатели переменного тока, электродвигатели с постоянными магнитами и др. (рисунок 2.1).

 

Рисунок 2.1 - Классификация микромашин общего применения

 

В зависимости от режима и условий  работы изготовляются электродвигатели: для длительного и повторно-кратковременного режимов работы; для эксплуатации в нормальной и взрывоопасной среде; открытого, защищенного или закрытого исполнения; для работы в условиях тропического климата и в условиях крайнего севера; горизонтальные, вертикальные, встроенные и др.

Механизмы с вращающимися выходными устройствами подразделяются на однооборотные, у которых угол поворота выходного вала менее или равен 360°, и многооборотные, у которых выходной вал совершает более одного оборота.

Электромагнитные исполнительные механизмы, основным элементом которых  является электромагнитный привод, как правило, используются для поступательного перемещения органов управления, а электрические двигатели - для поворотного.

Электрические микродвигатели постоянного  тока по конструкции и принципу действия подразделяют на коллекторные и бесконтактные, не имеющие скользящего контакта коллектор - щетки.

Коллекторные микродвигатели по конструкции  якоря подразделяют на три типа: с барабанным якорем, с полым немагнитным  якорем и с дисковым якорем.

Коллекторные микродвигатели с  барабанным якорем бывают как постоянного тока, так и универсальные, т.е. способные работать от сети как постоянного, так и переменного тока. Последние используются только в качестве вспомогательных микродвигателей.

2.3 Конструкции электрических исполнительных механизмов

 

Исполнительные двигатели постоянного  тока.

В качестве исполнительных микродвигателей  постоянного тока используют коллекторные микродвигатели независимо электромагнитного  возбуждения и с возбуждением от постоянных магнитов, а также  бесконтактные с транзисторными коммутаторами.

Исполнительные микродвигатели с  барабанным якорем не имеют принципиальных конструктивных отличий от классической машины постоянного тока. Микродвигатели с полым немагнитными дисковым якорями  и бесконтактные выпускаются  промышленностью, как правило, с возбуждением от постоянных магнитов.

Двигатели с полым немагнитным  якорем.

 

Рисунок 2.2 - Исполнительный двигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем.

 

На рисунке 2.2 изображен микродвигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем. Особенностью конструкции является то, что для уменьшения момента инерции якорь 2 выполняют в виде полого пластмассового цилиндра, в который запрессована обмотка из медного провода или на поверхности которого нанесена печатня обмотка. Полый якорь вращается в воздушном зазоре между внешним и внутренним статорами. Внутренний статор 3 представляет собой цилиндрический постоянный магнит с радиальной намагниченностью, создающей поток возбуждения. Внешний статор 1, выполненный из магнитомягкого материала, является магнитопроводом. Напряжение на якорь подается через щетки 5 и коллектор 4. Внешний и внутренний статоры жестко закреплены в корпусе 6. Якорь и коллектор насажены на вал 9, который вращается в подшипниках 8, закрепленных в подшипниковых щитах 7. Момент инерции якоря такого двигателя значительно меньше момента инерции якоря барабанного типа.

Двигатели постоянного тока с дисковым якорем.

Двигатели постоянного тока с дисковым якорем (рисунок 2.3) выполняют не с цилиндрическим воздушным зазором, а с плоским.

 

Рисунок 2.3 - Двигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем

 

Возбуждение двигателя обеспечивается постоянными магнитами 1 с полюсными  наконечниками 4 из магнитомягкой стали, имеющими форму кольцевых сегментов. Магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами, проходит аксиально через два воздушных зазора, немагнитный дисковый якорь 5 с печатной обмоткой и замыкается по кольцам 2, 3 из магнитомягкой стали, которые служат ярмом. Роль коллектора могут играть неизолированные участки проводников, находящиеся на поверхности диска, по которым скользят щетки 6. Якорь (рисунок 2.4) представляет собой тонкий немагнитный диск без пазов (из керамики, текстолита, алюминия) с печатной обмоткой. Проводники 2 печатной обмотки располагаются радиально по обеим сторонам диска и соединяют через сквозные отверстия 3 в диске. Такое соединение выполняют автоматически одновременно с фотохимическим нанесением обмотки. При прохождении тока по обмотке якоря на валу двигателя создается вращающий момент, направленный в плоскости диска якоря. Момент инерции дискового якоря значительно меньше, чем у барабанного, что является одним из основных преимуществ рассматриваемых двигателей.

Кроме малоинерционных двигателей с полым и дисковым якорями  имеют еще ряд преимуществ перед двигателями, имеющими барабанные якори.

Электромагнитные исполнительные механизмы.

Исполнительные механизмы с  электромагнитным приводом представляет собой совокупность электромагнита и перемещаемой им механической нагрузки (заслонки, задвижки, клапана, вентиля и т.д.). Они делятся на две группы.

В устройствах первой группы электромагнит  рассчитан на длительное пропускание  рабочего тока. Такие устройства состоят  из электромагнита, который при срабатывании втягивает шток органа управления и  возвратной пружины. Отпускание происходит под действием возвратной пружины при отключении электромагнита.

В устройствах второй группы магнит не рассчитан на длительное пропускание  рабочего тока. В этом случае кроме  основного электромагнита имеется  вспомогательный электромагнит, с помощью которого осуществляется управление основным электромагнитом.

Такая конструкция позволяет резко  уменьшить габариты электромагнитов, так как они работают в кратковременном  режиме и, следовательно, плотность  тока может быть резко увеличена. Таким образом, для создания одной и той же МДС у катушки, работающей в кратковременном режиме, число витков значительно меньше, чем у катушки, работающей в длительном режиме.

Электромагниты могут быть подразделены:

по роду тока - на электромагниты постоянного и переменного тока. Электромагниты постоянного тока применяются для быстрого перемещения подвижных элементов станков, грузозахватных приспособлений, размыкания тормозов механизмов и т.д. Они предназначаются для кратковременной работы и способны развивать значительные усилия. Электромагниты переменного тока, как правило, развивают меньшие мощности, поэтому они используются в маломощных цепях;

по способу действия - на удерживающие и притягивающие. К удерживающим магнитам относятся, например, электромагнитные плиты плоскошлифовальных станков, служащие для магнитного закрепления обрабатываемых деталей. Притягивающие электромагниты служат для сообщения определенного движения подвижным частям;

по значению хода якоря - на длинноходовые и короткоходовые. У длинноходовых магнитов ход якоря достигает150 мм, а у короткоходовых - 2 - 4,5 мм;

по характеру движения якоря  - на электромагниты с поступательным движением якоря и с поворотным якорем;

по способу включения - на электромагниты с параллельным и последовательным включением обмотки в питающую сеть.

Конструкции электромагнитов весьма разнообразны, но всегда основными  частями электромагнита являются неподвижный  стальной магнитопровод с расположенной  на нем обмоткой и подвижный якорь. При подключении катушки электромагнита к источнику питания возникает магнитный поток, который создает электромагнитное усилие, вызывающее притяжение или поворот якоря.

В качестве электромагнитов с плавным  перемещением подвижной части обычно применяются электромагниты с поворотным якорем. Эти электромагниты по своему устройству близки к электромагнитному реле.

Электромагниты широко применяются  в электропневматических и электрогидравлических  исполнительных устройствах, в которых  электромагнит перемещает распределительный золотник, подключая ту или иную полость рабочего цилиндра к источнику высокого давления, либо открывает вспомогательные клапаны с той же целью.

3. Гидравлические исполнительные  механизмы

3.1 Общие сведения

 

Энергию движения жидкости используют для приведения в движении механизмов машин, перемещение выходного звена (вала, штока), перемещение орудий в дорожных и строительных машинах, В машинах легкой промышленности, при регулировании газовых, гидравлических и паровых турбин и др.

Гидравлические исполнительные устройства преобразуют энергию давления жидкости в механическую энергию перемещения  или вращения.

Рабочим телом в гидравлических системах является жидкость.

Основными и наиболее распространенными  параметрами, характеризующими состояние жидкости, является давление, температура и удельный объем (плотность). К основным параметрам гидравлических устройств относятся рабочий объем, максимальная скорость вращения вала, номинальное давление. Вращающий момент при номинальном давлении, общий к. п. д., объемный к. п. д., момент инерции вращающихся частей, вес без жидкости.

3.2 Классификация

 

Гидравлические исполнительные механизмы  входят в состав гидроприводов и  состоят из двух основных частей: гидродвигателя и управляющего устройства. В зависимости от вида последнего, они разделяются на три типа: с дроссельным, с объемным (гидростатическим) и со струйным управлением.

3.4 Конструкции гидравлических исполнительных механизмов

 

Исполнительные механизмы с  дроссельным управлением.

Гидравлические исполнительные механизмы с дроссельным регулированием работают при постоянном давлении рабочей жидкости.

В качестве управляющих устройств  используются главным образом золотниковые пары, в некоторых случаях, преимущественно  в маломощных механизмах, - дроссели "сопло - заслонка". В зависимости от числа управляющих дросселей гидравлические исполнительные механизмы разделяются на одно-, двух - и четырехщелевые (рисунок 3.1).

 

Рисунок 3.1 - Схемы устройства гидравлических исполнительных механизмов с дроссельным управлением: а -однокромочный; б - двухкромочный; в - четырехкромочный; ро - давление в напорной магистрали; рсл - давление слива; х - перемещение золотника; v - скорость перемещения поршня силового цилиндра

Основным преимуществом гидравлических исполнительных механизмов с дроссельным управлением является высокое быстродействие, обусловленное малым перемещением золотника и большим коэффициентом усиления по давлению. Их применение целесообразно в тех случаях, когда поток жидкости, поступающий в золотник, должен развивать мощность 0,2…10 КВт.

Гидравлические исполнительные механизмы  со струйным управлением.

 

Рисунок 3.2 - Схема устройства гидравлического механизма со струйным управлением: х - перемещение конической насадки струйной трубки; ω -угловая скорость поворота (реверсируемого) выходного вала

 

При симметричном расположении насадки  струйной трубки относительно приемных отверстий количество поступающей  в них жидкости одинаково. Поэтому  поршень находится в покое. При  повороте трубки соотношение количества жидкости изменится, а вместе с тем начнется движение поршня.

Недостатком механизмов со струйным управлением является постоянный расход жидкости через насадку трубки. Поэтому  их к. п. д. ниже, чем у механизмов с дроссельным управлением. Применение гидравлических исполнительных механизмов со струйным управлением целесообразно в сравнительно маломощных системах. Часто такие механизмы используются в качестве управляющих устройств более мощных механизмов дроссельного или объемного управления.

Преимуществом гидравлических механизмов со струйным управлением является их высокая надежность, обусловленная отсутствием малых зазоров во всем гидравлическом тракте.

Гидравлические исполнительные механизмы  с объемным управлением.

Гидравлические исполнительные механизмы с объемным регулированием управляются за счет изменения производительности насоса, подающего рабочую жидкость в гидравлический двигатель с вращательным движением. В качестве рабочей жидкости применяют нефтяные масла, синтетические жидкости, спирто-глицериновая смесь и др.

Управляющими устройствами в этих механизмах (рисунок 3.3) служат насосы переменной производительности, имеющие возможность реверса потока жидкости.

 

Рисунок 3.3 - устройства гидравлического исполнительного механизма с объемным управлением.

 

Наибольшее распространение нашли  насосы с аксиальным и радиальным расположением цилиндров. В обоих  случаях регулирование производительности осуществляется за счет изменения рабочего хода поршней.

Для надежной работы исполнительных механизмов, имеющих замкнутую цепь циркуляции рабочей жидкости, обычно используют дополнительные насосы подкачки. Эти насосы необходимы для предупреждения возникновения кавитационных режимов в гидравлических магистралях при реверсах выходного вала гидромотора.

Особенностью гидравлических механизмов с объемным управлением является то, что большая часть потребляемой ими энергии расходуется на преодоление внешней нагрузки. Поэтому они имеют высокий к. п. д. и жесткие внешние характеристики (рисунок 3.4).

 

Рисунок 3.4 - Характеристика гидравлического исполнительного механизма с объемным управлением: а - скоростная в безразмерных координатах; б - силовая; в – внешняя

Недостатком механизмов с объемным управлением является сравнительно низкое быстродействие, обусловленное  значительным временем полного изменения производительности насоса. Применение таких механизмов целесообразно в тех случаях, когда потребная выходная мощность превышает 2 КВт. Верхний предел выходной мощности практически не ограничен.

4. Пневматические исполнительные механизмы

4.1Общие сведения

 

Рабочим телом в пневматических устройств является сжатый воздух представляющий собой смесь азота, кислород (по объему примерно 78 и

21%соответственно) и других газов,  содержащихся в небольшом количестве (аргон, углекислый газ и др.), а также водяного пара.

Пневматические исполнительные механизмы  работают на сжатом воздухе, газе низкого  давления 1 - 1,5 МПа. В качестве последнего могут быть использованы отработанные газы реактивного двигателя или специального газогенератора.

Отличие пневматических устройств  от гидравлических обусловлены различиями в свойствах газа и рабочей  жидкости. Сжимаемость газа оказывает  значительное влияние на быстродействие системы, особенно при значительной нагрузке или при значительных ускорениях.

К основным параметрам пневматических устройств относятся условный проход, лиапазон давления, расходная характеристика, параметры управляющего воздействия, параметры выхода, утечки, время  срабатывания, допускаемая частота  включений, показатели надежности, размер, масса.

Исполнительный механизм в пневматической системе автоматического регулирования  должен отвечать следующим основным требованиям:

развивать переустановочное усилие, достаточное для преодоления  реакции (сопротивления) рабочих частей регулирующего органа на всем диапазоне перемещения при наихудших допустимых условиях эксплуатации;

обладать детектирующим действием, т.е. передавать воздействие только в одном направлении - от регулятора (регулирующего устройства) к регулирующему органу и регулируемому объекту;

чувствительность, гистерезис и люфт исполнительного механизма должны быть соизмеримы со значениями аналогичных  показателей других звеньев контура  регулирования (датчика, регулирующего устройства и др.);

скорость перемещения выходного  звена исполнительного механизма при номинальной нагрузке должна соответствовать (быть равной или больше) скорости разгона регулируемого объекта;

конструкция должна содержать дополнительные устройства, такие как ручной привод местного управления регулирующим органом, местный указатель положения рабочих частей регулирующего органа, тормоз, стопорящий выходное звено в достигнутом положении при исчезновении давления питающего воздуха.

В пневмодвигателях энергия сжатого  воздуха преобразуется в энергию  движения выходного звена. Они предназначены для приведения в движение рабочих органов машин, выполнения различных вспомогательных операций и пр.

4.2 Классификация

 

В пневмодвигателях энергия сжатого  воздуха преобразуется в энергию  движения выходного звена. Они предназначены  для приведения в движение рабочих органов машин, выполнения различных вспомогательных операций и пр.

Различают пневмодвигатели с поступательным движением выходного звена; пневмодвигатели  с неограниченным углом поворота выходного звена; пневмодвигатели  с неограниченным вращательным движением выходного звена (пневмомоторы). К первым относятся поршневые, сильфонные, камерные, шланговые и мембранные пневмодвигатели различных конструкций, ко вторым - такие же, но с лопастным рабочим элементом. Наибольшее распространение получили поршневые пневмодвигатели, которые называют также пневдоцилиндрами.

4.3 Конструкции пневматических исполнительных механизмов

 

Поршневые пневмодвигатели.

В пневмоцилиндрах происходит преобразование потенциальной энергии сжатого  воздуха в механическую энергию поршня.

В пневмоцилиндрах одностороннего действия давление сжатого воздуха  действует на поршень только в  одном направлении, в другую сторону  поршень со штоком перемещается под  действием внешних сил или  пружины (рисунок). Такие пневмоцилиндры с пружинным возвратом обычно используют для выполнения небольших перемещений (0,8-1,5) D, так как встроенная пружина, сжимаясь, значительно снижает усилие, развиваемое поршнем.

 

Рисунок - 4.1 Пневмоцилиндры одностороннего действия

 

В пневмоцилиндрах двустороннего действия перемещение поршня со штоком под действием сжатого воздуха происходит в двух противоположных направлениях. Пневмоцилиндры этого типа нашли наибольшее применение в промышленности. В зависимости от предъявляемых требований их различают по конструктивным размерам и по схемам соединения с пневматической системой и атмосферой (рисунок).

Рисунок 4.2 - Пневмоцилидры двустороннего действия:

а) без торможения4 б) с торможением

в) с двусторонним штоком; г) сдвоенный

 

Сдвоенные пневмоцилиндры используют в том случае, когда диаметр пневмоцилиндра ограничен из-за недостатка места (используют два цилиндра или более последовательно соединенных между собой и работающих на один шток - в результате этого усилия сжатого воздуха, действующего на поршни, складывается) (рисунок г). Недостатком сдвоенных пневмоцилиндров является увеличение длины цилиндра приблизительно в таком же соотношении, в каком увеличивается усилие.

 

Пневмоцилиндры с гибким штоком применяются для перемещения, хонингования, шлифования, полирования и прочее (рисунок).

 

Рисунок 4.3 - Пневмоцилиндры с гибким штоком

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Арменский Е.В. Электрические микромашины: учебное пособие / Е.В. Аверин, Г.Б. Фалк. - М.: Высшая школа, 1985.
2. Астахов Н.В. Испытание электрических микромашин: учебное пособие для электротехнических специальностей спец. вузов / Н.В. Астахов, Е.М. Лопухина, В.Т. Медведев и др. - М.: Высшая школа, 1984.
3. Герц Е.В. Пневматические устройства и системы в машиностроении. / Е.В. Герц, А.И. Кудрявцев, О.В. Ложкин. - М.: Машиностроение, 1981.

Раковский М.Е. Приборостроение и средства автоматики: справочник. /М.Е. Раковский. - М.: Машиностроение, 1965.

4. Хрущев В.В. Электрические микромашины автоматических устройств. \ В.В. Хрущев. - Ленинград: Просвещение. 1976.
5. Чеваскин А.Н. основы автоматики. \ А.Н. Чеваскин, В.Н. Семин, И.Я. Стародуб и др. - Москва: Энергия, 1977.