Динамика нелинейного привода с аксиально-поршневым гидродвигателем

Посвящается 100-летию Томского политехнического университета
2
ВВЕДЕНИЕ
Эффективным средством механизации и автоматизации рабочих процессов технологических машин являются гидравлические приводы [2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 12], которые успешно конкурируют с другими видами приводов машин, а в отдельных случаях выполнение заданного технологического процесса возможно лишь с помощью данных приводов [13, 21, 22, 36, 87]. Они находят применение в металлорежущих станках, строительных, дорожных, сельскохозяйственных машинах, в авиационных и космических системах как в виде приводов основных исполнительных органов, так и в качестве элементов автоматики [40, 73. 82].
Дальнейшая интенсификация режимов технологических машин-автоматов требует глубоких исследований и разработки, новых гидросистем и их элементов. "Повышение требований, предъявляемых к машинам в отношении их быстродействия, точности, надёжности, увеличение требуемых мощностей, веса и скорости движущихся частей наряду с усложнением циклов и функций, выполняемых гидросистемой, требует всё более точных и полных расчетов гидросистем. Для этого необходимо более точно учитывать физические процессы, происходящие в гидросистемах" [69]. В числе первоочередных задач в этой области ставится необходимость "исследований статических и динамических характеристик гидроустройств (насосов, гидравлической аппаратуры, исполнительных устройств), разработки критериев для их сравнения, выявления и создания высококачественных устройств" [69, 10, 18, 19, 24, 26, 1,47].
Перспективной задачей является расширение диапазона регулирования скорости гидроприводов вращательного движения. При этом возникает необходимость обеспечения статической и динамической точности процесса регулирования движения как на больших, гак и на малых ско-
3
ростях вращения. Как показывают исследования, физические процессы, происходящие в гидроприводе на малых скоростах, существенно отличаются от процессов, имеющих место на больших скоростях [16, 38, 43, 66, 75, 77, 80] и др.
Достаточно сложной задачей является учёт волновых явлений в нелинейных гидросистемах с магистралями значительной протяжённости. Разработка эффективных и надёжных критериев, по которым можно определить следует ли систему считать с сосредоточенными параметрами, или же считать сё как систему с распределёнными параметрами, требует обстоятельного исследования физических процессов, происходящих в гидроприводе [45, 60].
Следует отметить, что одним из эффективных средств для анализа и исследования нелинейных процессов в гидроприводе, является электронное моделирование[46, 41, 27].
В настоящей работе выполнено экспериментальное исследование нелинейных динамических процессов в исполнительном контуре объёмного гидропривода, выявлено влияние нелинейностей гидросистемы и двигателя на характер переходных и установившихся процессов, обоснованы математические модели, описывающие динамику привода в различных режимах движения, разработана методика испытаний гидроприводов вращательного движения.
В работе приняты следующие условные обозначения основных величин:
х - линейная координата исполнительного органа, м; х'(или V) - линейная скорость исполнительного органа, м/с; л: "(или V) - линейное ускорение исполнительного органа, м/с2; ^-угловая координата ротора гидродвигателя, рад;
<р'(или О) - угловая скорость ротора гидродвигателя, рад/с;
(р"(или О) - угловое ускорение ротора гидродвигателя, рад/с2;
/- момент инерции вращающихся частей, Н-с2/рад;
4
т - масса подвижных частей, Н с2/м; и7- объём полости, м3; к - коэффициент податливости, м5/Н; р - давление, Н/м2;
? - рабочий объем гидромотора, м3/рад;
() - расход, м3/с;
сг- коэффициент утечек, м5/Н с;
г - время, с;
Т- период собственных колебаний системы, с; а - скорость распространения звука в магистрали с рабочей жидкостью, м/с;
р- плотность рабочей жидкости, Н с2/м4;
со- частота собственных колебаний системы, с*1;
О - оператор дифференцирования, с1;
£ - длина магистрали, м;
/- частота собственных колебаний системы, Гц; ив - работа сил волновог о процесса, Н м;
- приращение переменной величины, м; (аналогичное обозначение относится к любой физической переменной, имеющей соответствующий символ);
в - коэффициент демпфирования, Н м с/рад;
Ку - коэффициент "отрицательного" сопротивления, Нм-с/рад;
£ - коэффициент пропорциональности между моментом фения в гидромоторе и суммарным давлением в его полостях, м3/рад;
Ар - амплитуда периодических изменений скорости вала гидромотора, рад/с;
р0 - суммарное начальное давление в полостях гидромотора, Н/м2;
£'- коэффициент активного сопротивления, Н с/м;
Р- возмущающее воздействие, Н;
Ртр - нелинейная сила фения, Н;
8 - декремент колебаний;
Арв - волновое давление, Н/м2;
Глава 1
НЕКОТОРЫЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ ГИДРОПРИВОДОВ
Совершенствование гидроприводов, а также применение их при форсированных режимах работы требует учёта различных нелинейных процессов, которые происходят в машинах [25, 34, 49, 50, 52, 63].
Повышение производительности этих машин требует увеличения скоростей, частот вращения, числа двойных ходов, что в свою очередь накладывает жесткие ограничения на режимы реверса, ускорения при торможениях и разгонах, колебательность, требует повышения надежности гаких машин.
Для этой цели следует знать усилия, давления, скорости отдельных узлов и элементов машин, в том числе и гидроприводов, которые имеют место в процессе реверса, а также и в установившихся периодических режимах.
В связи с этим возникает целый ряд задач, в частности, необходимо определить как влияют волновые процессы на динамику простейших гидромеханизмов. Изучение волновых процессов может преследовать различные цели, в частности, может преследовать цель определения распределения давления по магистрали при волновых процессах, наибольшие величины давлений, что очень важно при расчёте трубопроводов на прочность. Важной задачей является определение закона движения исполнительного гидродвигателя с учётом волновых процессов. Но точное решение таких задач осложняется целым рядом обстоятельств. В частности, в связи с тем что модуль упругости рабочей жидкости, включающей в себя нерастворённую газовую примесь, является нелинейной функцией давления, температуры, а также соотношения газовой и жидкой фаз ра-
бочей жидкости, то и волновые процессы в известной степени зависят от свойств этой рабочей жидкости [48, 29, 57, 76, 81, 88]. От модуля упругости жидкости зависит скорость волны давления, зависит и максимальное значение подъёма давления при прямом гидравлическом ударе.
Нелинейными являются и характеристики самого трубопровода. В случае использования рукавов высокого давления следует учитывать, что их упругость зависит от давления в полости рукава высокого давления, зависит также и от скорости деформации стенок трубопровода [60, 62, 64]. Всё это приводит к тому, что точный учёт влияния волнового процесса на режим движения исполнительного двиг ателя гидропривода становится сложной нелинейной задачей. Аналитическое решение такой задачи весьма затруднительно, решение такой задачи на вычислительной машине также может оказаться весьма трудоёмкой, а количество учитываемых факторов может оказаться настолько большим, что их учёт гре-бует использования сложной аналоговой вычислительной машины. Само программирование становится громоздким и неэффективным, и, в силу погрешности самой ВМ, погрешности от увеличения объёма используемых элементов, увеличения сложности программы самой машины, эти погрешности могут исказить решение и практически свести на нет эффект, который ожидается от учёта дополнительных нелинейных факторов. Поэтому весьма актуальной задачей является качественное определение эффекта воздействия волнового процесса в магистралях простейшего гидропривода на режим давления исполнительного двигателя. Такое качественное решение также требует применения ВМ, и здесь требуегся решить задачу более простого экономического и в тоже время эффектного с точки зрения качественного анализа происходящих процессов, решения.
Таким образом, при исследовании волновых процессов актуально поставить и решить такую задачу - каким образом длина трубопровода,
7
волновые характеристики трубопровода могут повлиять на движение исполнительного механизма. Это влияние можно оценить с энергетической точки зрения, т.е. оценить его как фактор, способствующий либо рассеиванию энергии (демпфирование движения гидродвигателя), либо как фактор, способствующий раскачке, т.с. дополнительному подводу энергии к колеблющемуся гидродвигателю.
Следующей задачей является учёт влияния нелинейных характеристик гидродвигатсля, в частности, характеристик, зависящих от угловой координаты его ротора, на режим работы гидродвигателя на малых скоростях.
Известно, что при движении на малых скоростях резко возрастает влияние характеристики фения на характер движения. При этом возрас- ) тает неравномерность движения, что является признаком автоколебательных режимов, возрастает амплитуда таких автоколебаний. С увеличением последней возникают моменты, когда скорость гидродвигателя равна нулю, затем длительность моментов покоя гидродвигателя возрастает,'т7е. колебательный режим движения переходит в режим периодических движений с остановками.
Использование фактической характеристики зрения для анализа движения с остановками осложняется тем, что в моменты остановок сила трения каким-то образом непрерывно меняется. Это изменение силы фения связано с тем, что в процессе остановки, когда скользящие друг по другу элементы гидродвигателя неподвижны, происходит увеличение силы трения покоя. Это связано с тем, что химические процессы, происходящие в плёнке смазки, а также процессы, происходящие в местах контакта микронеровностей, приводят к увеличению сцепления скользящих друг по другу элементов гидродвигателя, и силы трения возрастают с увеличением времени относительно покоя.
Существенное значение имеют работы [38, 39], в которых рассматриваются причины колебаний угловой скорости аксиально-поршневых гидромоторов. Установлено, что у гидромоторов с положительным перекрытием в распределителе одной из основных причин, порождающих колебания угловой скорости, является скачкообразное изменение момента сопротивления при прохождении окон цилиндров через перемычки торцевог о распределителя. Кроме того на величину потерь влияет нагрузка, т.е. давление в полостях гидромотора. Отмечается периодическое изменение силы гидростатического прижима блока цилиндров к распределителю. Следует отметить, что математическая модель процессов, протекающих в гидроприводе с аксиально-поршневыми гидромоторами при их работе на малых скоростях, предложенная в работе [38], значительно полнее, чем предложенные другими авторами.
Известны работы [31, 37, 42, 49 и др.] в которых при исследовании силы, фения скольжения образцов деталей машин установлено, что эта сила зрения зависит также от скорости нарастания тангенциальной нагрузки. Таким образом, применительно к гидродвигателям можно отмстить, что сила трения зависит прежде всего от направления движения, о г величины скорости движения ротора гидродвигателя, от времени предшествующего неподвижного контакт (времени покоя ротора), а также от скорости нарастания перепада давления в полостях гидродвигателя.
В работах И.А. Немировского [65], Ю.М. Дивеева [32], В.М. Лобана [58] установлено, что сила трения зависит также от угловой координаты ротора гидродвигателя. При вращении ротора гидродвигателя распределительное устройство, подающее жидкость в полости гидродвигателя (имеется в виду гидродвигатель аксиально-поршневой с торцевым распределением, как наиболее широко применяемый тип гидродвигагеля), соединяет последовательно нагнетательную и сливную полости гидромотора то с одним, то с другим количеством поршней, т.е. подавляющее
большинство аксиально-поршневых гидродвигателей выполняется с нечётным количеством поршней. С напорной, например, полостью соединяется то количество поршней, го — количество поршней. Это
2 2
приводит к тому, что прижим ротора к распределительному диску осуществляется переменной силой и, следовательно, сила трения между ротором и диском - распределителем также является периодической функцией угла поворота ро тора.
При этом следует иметь в виду, что силы фения вызываются не только фением ротора о распределительный диск, а также силовым замыканием других элементов механизма двигателя, в частности, воздействием головок толкателей на опорный элемент, перекосом поршней и толкателей в своих направляющих. Всё это приводит к возрастанию сил фения при подачи давления в полости. Но исследования показали, что для всех гидродвигателей серии МГ-15 зависимость силы фения от угловой координаты имеет чётко выраженный характер и количественно может быть оценено зависимостью результирующей площади прижима ротора к распределительному диску, которую можно вычислить графически, пользуясь шаблонами [32]. Аналитически данная зависимость учитывается весьма сложно. Дело в том, что зависимость силы фения от угловой координаты очень фудно учитывается при решении дифференциального уравнения движения. Было бы значительно проще, если бы такую зависимость можно было задать функцией времени. Но для этого следовало бы совершить двойной переход - вначале определить режим движения, то есть задаваться каким-то режимом движения ротора гидро-двигателя, затем, зная этот периодический режим, задаваться режимом изменения силы фения (перевести её из функции угла поворота во временную область) и только после этого определить условия существования этого периодического движения.
10
Исследования, выполненные в МВТУ [70] и в ВФ КПИ [32, 65] показали, что функцией угловой координаты ротора являются также утечки.
Таким образом, функцией угловой координаты ротора являются: характеристика трения, утечки наружные, перетечки между полостями.
Рассматривая гидродвигатель аксиально-поршневого типа с торцевым распределителем как основной тип гидромотора технологической машины, можно прийти к выводу, что исследование режимов, в которых оказывается существенным влияние характеристик - функцией угла поворота, является актуальной задачей.
При рассмотрении волнового процесса в таком гидроприводе, а также процессов движения с остановками можно было бы в совокупности учесть следующее: нелинейную зависимость упругих характеристик магистралей от давления; влияние различных местных отражающих элементов по длине трубопровода, которые создают эффекты отражённых волн; влияние нелинейных характеристик гидродвигателя, зависящих от угла поворота его ротора; влияние жидкости в трубопроводе как односторонней пружины, которая при повышении давления от нуля абсолютного до любого максимального работает на сжатие (в первом приближении можно считать, что развиваемое усилие линейно от величины сжатия), тогда как при давлении ниже нуля абсолютного жидкость на растяжение не работает, т.е. наступает разрыв, кавитация и г.д.
Рассмотрим некоторые нелинейные характеристики гидроприводов и физические процессы, протекающие в системах с такими характеристиками.
Реальная рабочая жидкость представляет собой газожидкостную смесь, обладающей нелинейными упругими свойствами, а именно, модуль упругости этой смеси нелинейно зависит оглавления [60, 61, 76, 78]. Идеальная, свободная от газовых примесей жидкость характеризуется статическим и динамическим модулями упругости [88]. Для быстропро-
11
текающих динамических процессов необходимо использовать динамический (адиабатический) модуль упругости. Примесь нерастворённого воздуха существенно влияет на суммарный модуль упругости газожидкостной смеси. Предложены различные формулы для расчёта модуля упругости згой смеси, хорошее приближение дают формулы, предложенные в работах [57, 60, 61, 781 и др.
В тех случаях, когда в качестве грубопроводов применяются гибкие рукава высокого давления, необходимо дополнительно учитывать нелинейную зависимость деформации стенок рукава от давления, зависимость модуля упругости резиновых слоев стенок рукава от скорости деформации, гистерезисные явления [62]. Суммарную оценку податливости трубопровода с рабочей жидкостью можно произвести с помощью коэффициента податливости к(р) [60], характеризующего суммарную деформацию единичных объёмов жидкости и полости при изменении давления на Ю4 Н/м2 [62]. Показана необходимость учёта нелинейной зависимости к(р) от давления при расчётах волновых и динамических процессов в гидросистемах как в случае использования рукавов высокого давления, так и в случае металлических трубопроводов. Экспериментальное определение характеристики к(р) магистрали производилось статическим нагружением. Для определения коэффициента податливости в динамике необходимо произвести запись переходных или волновых процессов в трубопроводах на осциллографе при ступенчатом или синусоидальном входном воздействии [60]. Наблюдалось значительное уменьшение динамического коэффициента податливости к(р) гю сравнению со статическим, гак как при быстром возрастании давления повышается жёсткость рукава из-за инерционности стенок и увеличения модуля упругости резиновых слоев стенок.
Характеристика трения между перемещающимися относительно друг друга деталями, узлами имеет нелинейный характер, а именно, с
12
увеличением этой скорости сила трения уменьшается, однако дальнейшее увеличение скорости приводит к увеличению силы трения. В исследованиях динамических процессов реальная характеристика фения апрокси-мируется прямыми, в одних случаях учитываются "падающие" участки кривой, в других случаях сила фения постоянна в пределах скорости одного знака. Такого рода аппроксимация в виде релейной характеристики не всегда оправдана, т.к. при скорости, равной нулю, можно прийти к выводу, что сила фения может иметь любое значение, заключённое между офицательным и положительным значением силы фения. В реальных системах при движении, например, с остановками, при колебательных движениях с застоями в моменты времени, когда скорость равна нулю, фактическая сила фения определяется проекцией равнодействующей всех сил, приложенных к рабочему органу, на направление движения [60].
При изучении потерь на трение в гидромоторах аксиально-поршневого типа отмечаются особенности, характерные именно для данного типа гидродвигателей. Прежде всего, сохраняется фадиционная зависимость момента фения от угловой скорости ротора гидромотора относительно торцевого распределителя. Выявлена зависимость момента фения от суммарного давления в полостях гидромотора, которая в первом приближении носит линейный характер. Ввиду нечётности числа поршней гидромотора при вращении ротора в полостях нагнетания и слива оказывается неодинаковое количество поршней и, как следствие, выявляется зависимость момента фения от угловой координаты ротора. Если движение происходит с остановками, то появляется дополнительная зависимость момента фения от времени остановки, которую тоже в первом приближении можно принять линейной [32, 65].
Утечки в гидромоторах существенно влияют на равномерность вращения, особенно на малых скоростях [16, 32, 65]. Данный парамеф оп-
13
ределялся как при вращении ротора с различными угловыми скоростями, так и при неподвижном роторе при различных его угловых положениях относительно распределителя. В этом случае в одну из полостей подавалась рабочая жидкость при постоянном давлении и замерялись утечки из этой полости в корпус, а также перетечки во вторую полость гидромотора. Получена соответствующая диаграмма - график дут (<р). Герметичность гидромотора проверялась также и во время вращения ротора, при этом получена качественная картина утечек, которая совпадает со статическими данными гидромотора.
Особенности движения на малых скоростях приходится учитывать в самых различных механизмах, например, в приводах подач агрегатных станков, скомпонованных из силовых агрегатных головок. К ним относятся силовые головки типа СТ-491, ГР-02, ГСФ-02 конструкции НИ АТ; тип А4-335 Харьковского завода агрегатных станков; тип СК-64 и серии 5440 конструкции СКБ АЛ и АС, и др. [13], а также силовые головки, изготавливаемые за рубежом (фирма "Фиат", Италия, "Эксцелло", США, "Хюллер", ФРГ, "Повалюкс", Швейцария и др.). В большинстве конструкций гидроприводы подач должны обеспечивать минимальные рабочие подачи, равные 30-г50мм/мин, а в ряде случаев и 10*15 мм/мин, а то и менее того. Если рассматривать гидроприводы вращательного движения, то это будет соответствовать 0,1 рад/с и менее.
Осуществление данных скоростей в технологических машинах связано со значительными трудностями, т.к. при уменьшении скорости движения исполнительных органов ниже "критической" скорости плавность движения нарушается. Одной из причин, создающих подобные трудности, является сложность стабилизации малых расходов через дроссельные элементы [6,32]. Известно, что дроссельные устройства с одним рабочим окном способны обеспечить минимальный устойчивый расход рабочей жидкости в пределах 60^-80 см3/МИГн при постоянном перепаде давления, а
14
это возможно только при стабильной нагрузке на исполнительном органе. В реальных условиях трудно выдержать постоянство нагрузки, поэтому фактический расход будет изменятся во времени в соответствии с изменением нагрузки.
В условиях существования зрения как функции скорости с "падающими" участками также повышена возможность нарушения плавности движения исполнительного органа [78]. Функция Мтр (П) в этом случае нелинейна, причём эта нелинейность проявляется более интенсивно на малых скоростях движения. Линеаризация этой зависимости возможна при непрерывном движении. В случае, когда движение исполнительного органа происходит с остановками, использование линеаризованного выражения Мтр (О) может привести к существенным погрешностям. Отмечается [78], что в расчётах следует использовать экспериментальные данные определения потерь на трение. Сложность аналитического определения сил трения объясняется условиями граничного трения в контактных парах при скоростях, близких к нулю, возникновением сухого трения при /2=0 и жидкостного трения с гидродинамическим эффектом при больших скоростях [53, 42 и др.].
В большинстве работ отмечается, что существование релаксационных колебаний объясняется "падающим" характером трения. Однако на такой характер движения оказывает влияние и гистерезис силы трения при изменении знака скорости или при /2=0 [43, 78 и др.]. Наличие гистерезиса объясняется упруго-пластическим характером деформаций в контакте.
Существенное влияние на устойчивость движения гидропривода в диапазоне малых скоростей оказывает нелинейная упругая характеристика полостей и магистралей гидропривода. Это влияние обусловлено, прежде всего, сравнимостью приращений объёма жидкости, поступаю-
15
щих в полости гидросистемы из соседних полостей, с объемами жидкости, используемых для компенсации объёмных деформаций полостей и самой рабочей жидкости при изменении давлений в них.
В работе [16] указано, что причиной возникновения прерывистого движения вала гидромотора может быть и нелинейный характер утечек в функции угловой координаты даже при отсутствии "отрицательного" трения в месте контакта блока поршней и распределителя. Экспериментальные исследования выполнены на установке с гидромотором типа ПМ-2,5 А. Трение, создаваемое специальным устройством, не зависело от угловой скорости ротора. При неизменной инерционной нагрузке и жёстких коротких трубопроводах наблюдалось движение с периодическими остановками, и были получены данные, характеризующие слепень неравномерности вращательного движения в зависимости от величины установленной средней скорости. Отмечается необходимость изучения совместного влияния на характер движения при малых скоростях нелинейности утечек при вращении вала гидромотора и характеристики фения при различных значениях податливости и инерционности привода [32].
В работе [65] рассматриваются парамефы релаксационных автоколебаний следящего гидропривода с гидромотором МГ-153 и элекфогид-равлическим золотником Г68-1. Показано, что при постоянных значениях податливостей полостей и магисфалей гидросистемы на величину времени остановок оказывает влияние значение коэффициента обратной связи и момента фения в нагрузочном усфойстве при характеристике фения с "падающими" участками. Установлено, что момент трения влияет на значение времени остановки в широком диапазоне изменения парамефов следящего гидропривода и режимов его движения.
16
Весьма обстоятельные исследования по равномерности движений при малых скоростях приведены в работе [79]. Отмечается, что такого рода скачкообразное движение характерно для станков высокой точности, когда необходимо обеспечить перемещение со скоростями порядка нескольких миллиметров в минуту и ниже. Такое же движение имеет место в тяжёлых станках даже при более высоких скоростях. Теоретический анализ скачкообразного движения и вывод значения критической скорости отмечается в работах, выполненных рядом авторов, отмеченных в работе [79]. Все предложенные теории построены на рассмотрении поведения упругой системы при определённой характеристике силы трения.
Отмечается, что движение твёрдого тела может начаться лишь тогда, когда упругая сила привода превысит значение силы статического трения. Заданные свойства системы (жёсткость, масса, коэффициент затухания) и известные характеристики силы трения определяют значение критической скорости скольжения. Критическая скорость обуславливает возможность перехода непрерывного движения в прерывистое. Ещё Кулон обратил внимание на тот факт, что сила статического трения, как правило, превышает силу кинетического трения (трения при движении тела), а величина её растёт с увеличением продолжительности неподвижного контакта. С учётом этого обстоятельства при значениях скорости, больших критического значения, движение происходит как непрерывное, а при скоростях, меньших критического значения, неизбежно скачкообразное скольжение.
Применение гидромоторов аксиально-поршневого типа в приводах металлорежущих станков обусловлено рядом преимуществ, в частности, компактностью, малым весом, высоким значением к.л.д. Известны многочисленные конструктивные разновидности аксиальных гидродвигателей, среди которых можно выделить следующие наиболее типичные: 1)с шатунным приводом и силовым карданом; 2) с шатунным приводом и
17
несиловым карданом; 3) с шатунным приводом бескарданного типа; 4) с бесшатунным приводом и кольцевыми гидростатическими опорами; 5) с бесшатунным приводом и точечным контактом сферических торцов поршней с наклонной шайбой.
Общим для всех этих конструктивных разновидностей является преобладающее применение торцевого распределения рабочей жидкости.
Гидродвигатели типа Г15-2 предназначены для приводов вращательного движения в системах с бесступенчатым регулированием скорости, в следящих приводах, в системах, где требуется реверсирование, частые включения, автоматическое и дистанционное управление.
Гидродвигатели совместно с винтовой, реечной или иной механической передачей могут осуществлять возвратно-поступательное движение рабочего органа в станках с теми же циклами работы, что и цилиндры, имеющие равные рабочие площади обеих полостей. Учитывая большую по сравнению с цилиндрами инерционность гидродвигателей их сложность и стоимость, применение гидродвигателей для осуществления воз-вратно-поступагслыюго движения ограничивают особыми случаями, когда применение цилиндров по каким-либо причинам исключается, например, при наличии большого хода приводимого рабочего органа.
Вращательное движение гидродвигатели могут осуществлять аналогично элек гродвигателям постоянного тока электропривода с широким диапазоном регулирования. Преимуществами гидродвигателей являются меньшие маховые массы и габаритные размеры.
Известны случаи применения гидродвигателей в приводах подачи станков, работающих по циклу сверлильно-расточных, для которых характерны ускоренные перемещения (быстрый подвод, обратный ход) на больших скоростях, но при малой нагрузке. При подаче нафузка значительна и скорость перемещения невелика. В таких станках основном
18
требованиями являются: а) сохранение установленной независимо от нагрузки; б) широкий диапазон изменения скоростей (1:200 и более).
При соответствующем подборе механической передачи гидромоторы позволяют осуществить привод подачи с весьма малыми скоростями перемещений, недоступными или трудновыполнимыми с помощью гидроцилиндров.
При автоматизации или модернизации существующих станков применение гидромоторов не требует значительных переделок и допускает использование имеющихся в станках передач, в то время как установка цилиндров часто требует переконструирования станка.
Гидромоторы аксиально-поршневого типа могут быть использованы в приводах подач станков, работающих по циклу шлифовальных. Предел изменения скоростей движения рабочего органа в таких станках не превышает 25, поэтому механические передачи рекомендуется подбирать таким образом, чтобы гидродвигатель работая на оборотах от 40 до 1000 в мин., как наиболее благоприятных.
Гидродвигатели могут применятся в горизонтальных хонинговаяь-ных станках с канатной передачей для осуществления возвратно-поступательного перемещения хонинговальной головки.
Применение гидродвигателей в следящих системах позволяет использовать существующие на станках каретки и суппорты и не влечёт за собой загромождения рабочего пространства станка добавочными узлами, как это имеет место при накладных копировальных суппортах с гидроцилиндрами. При этом сохраняется возможность обработки максимальных размеров заготовок, предусмотренных паспортом станка.
В следящих системах устойчивость движения зависит от жёсткости привода [87], поэтому при использовании гидродвигателей на длинных перемещениях данное условие выдерживается в связи с относительно малыми объёмами масла, заключёнными в полостях гидродвигателей.
19
Следует отметить, что относительно большая инерционность гидродви-гателей делает целесообразным применение данных устройств в следящем приводе тяжёлых станков.
В станках с числовым программным управлением используются гидроусилители крутящего момента на базе аксиально-поршневых гидромоторов. Следящий золотник может вращаться относительно своей оси, что положительно сказывается на чувствительности, или перемещаться поступательно от дополнительной винтовой пары, приводимой во вращение от импульсного электродвигателя [6].
Волновые процессы необходимо учитывать в гидравлических системах, имеющих магистрали значительной протяжённости. В этих случаях при динамических расчетах необходимо учитывать волновые явления, происходящие в этих магистралях, и их влияние на динамику гидропривода.
Основополагающими исследованиями в этой области являются работы Н.Е..Жуковского, связанные с гидравлическим ударом в водопроводных трубах [33]. Были получены расчётные зависимости в виде простых соотношений, которые позволяют оценить величины давлений и скорости в конкретном сечении магистрали в определенный момент времени.
В работах Л.М. Тарко [83,84] приводится методика расчёта волновых процессов в трубопроводах линейного гидропривода и гидромеханизмов промышленного назначения. Исследуются процессы образования волн, их распространения и отражения от местных неоднородностей, а также от сечений, в которых имеет место изменение конструктивных и упругих параметров магистрали. Также проводился анализ сложных переходных процессов как результат взаимодействия многочисленных отражённых волн, возникающих в трубопроводе. Волновые процессы, рассматриваемые в однородных магистралях, являются составляющими
20
сложных переходных процессов. Приводится методика учёта путевых потерь давления по длине магистрали. Вместе с общим анализом динамики гидропривода, произведённого с использованием операционного исчисления, приводятся решения конкретных задач, характерных для различных гидравлических устройств. Получены инженерные зависимости, позволяющие оценить переходные процессы при наличии тех или иных магистралей для подвода рабочей жидкости к исполнительным органам и отвода этой жидкости на слив.
В работе [84] рассматриваются переходные явления, вызываемые открытием и закрытием органов управления, включением насосов объёмного типа, изменением нагрузки исполнительного механизма. Для этих видов переходных процессов приводятся расчётные зависимости, определяющие изменение во времени давления в гидросистеме, скорости рабочей жидкости в магистралях, скорости исполнительного органа гидродвигателя и закон движения этого исполнительного органа в переходном режиме.
При этом учитывают следующие сосредоточенные параметры привода: нагрузка исполнительного механизма, инерция подвижных частей механизма, упругость рабочей жидкости в полостях гидродвигателя, характеристика источника питания, утечки в гидросистеме, силы трения в исполнительном органе и в нагрузке. Распределёнными в данной системе сохраняются упругость рабочей жидкости в магистралях, упругие свойства самих магистралей, гидравлическое сопротивление магистралей. Попрежнему используются безразмерные параметры, позволяющие значительно уменьшить трудоёмкость расчётов. Рекомендуется использовать приведённые в работе диа1раммы и таблицы, пригодные для анализа различных видов переходных процессов. Показано, что введённые автором коэффициенты кинетической и потенциальной энергии могут служить критериями, определяющими принадлежность гидропривода
к системам с распределенными или сосредоточенными параметрами. И.А. Чарный в монографии [108] излагает теорию неустановившегося движения жидкости в трубах, линеаризуя квадратичный закон трения жидкости в магистралях. При этом, как показали дальнейшие исследования, данная линеаризация справедлива в относительно широком диапазоне изменения скоростей движения жидкости. Коэффициент путевых потерь Я принимался таким же как и для установившегося движения. В монографии [14] и др. излагаются аналитические методы, применяемые для исследования неустановившегося движения жидкости в трубах с дозвуковыми скоростями. Отмечается, что возможности аналитических методов расчёта значительно расширяются в настоящее время в условиях применения электронных вычислительных машин.
В известной монографии Л. Бержерона [14] излагается графический метод исследования различных физических устройств с распределёнными параметрами. Таковым устройствами могут быть гидросистемы, электрические линии, металлические стержни. Предлагается методика, которая позволяет оценить волновые явления, происходящие в названных устройствах. Данная методика применима к линейным гидроприводам с длинным магистралями, возможен учёт путевых потерь, а также кавитации в переходных режимах. Метод достаточно нагляден, прост, широко используется в инженерных расчётах, но ограничен лишь применением для расчёта линейных систем.
В работе [85] приведён расчёт тормозного устройства с заданным законом изменения скорости в процессе торможения гидропривода, имеющего длинную сливную магистраль. При этом произведено сравнение результатов расчёта с учётом волновых процессов и без учёта их. Расчёт произведён с использованием графического метода, предложенного Л. Бержероном.