Структура приводов и систем автоматического управления

Основные принципы работы

Гидравлические и пневматические приводы объемного действия широко применяются в:
• Металлорежущих станках
• Промышленных роботах и манипуляторах
• Автоматических линиях
• Авиационной, автомобильной и сельскохозяйственной технике

Под объемным действием понимается принцип работы применяемых гидравлических и пневматических устройств, который основан на объемном вытесне¬нии рабочей среды (рабочей жидкости или сжатого воздуха), на высо¬ком модуле упругости жидких рабочих сред и законе Б. Паскаля. Движуща¬яся жидкость обладает тремя видами энергии: энергией положения (ге¬ометрический напор), энергией сжатой жидкости (пьезометрический напор, давление) и кинетической энергией потока (скоростной напор). Два первых вида представляют собой разновидности потенциальной энергии.

Виды энергии рабочей среды

Движущаяся жидкость обладает тремя видами энергии:

Тип энергии	Характеристика	Пример применения
Энергия положения	Зависит от высоты массы жидкости относительно плоскости сравнения	Гидроэлектростанции
Энергия сжатой жидкости	Потенциальная энергия, связанная с давлением (нормальное напряжение сжатия)	Машиностроительные приводы
Кинетическая энергия	Зависит от скорости потока	Гидродинамические передачи

Энергия положения характеризуется высотой нахождения массы жидкости относительно плоскости сравнения. Этот вид энергии будет превалировать над другими при описании движения, падающего с не­которой высоты потока движущейся с небольшой скоростью жидкос­ти, например, воды. Поэтому геометрический напор учитывается при создании гидроэлектростанций.

Кинетическая энергия движущейся жидкости зависит от ее скорос­ти. Поэтому этот вид энергии используется при разработке гидродина­мических передач, в которых рабочая среда имеет сравнительно высо­кие скорости движения (например, центробежные насосы).

Энергия сжатой жидкости характеризуется давлением, которое есть по сути своей нормальное напряже­ние сжатия слоев рабочей среды под действием объемных и поверхнос­тных сил. Поскольку в машиностроительном и мобильном оборудова­нии масса и скорость движущейся жидкости приводов сравни­тельно невелики, а перепады высот трубопроводов не превышают нес­кольких метров, постольку в таких приводах превалирующим является именно энергия сжатой жидкости.

Гидравлическим (пневматическим) приводом называется такое ус­тройство, которое обеспечивает приведение в действие машин или ме­ханизмов и состоит из источника энергии, ее потребителей, аппарату­ры и трубопроводов, по которым перемещается рабочая среда (жид­кость для приводов и сжатый воздух для пневмоприводов).

Среда называется рабочей потому, что является носителем энергии и выпол­няет определенную работу и ряд функций (смазывание, охлаждение, вынос продуктов износа и др.). По существу действия гидравлический привод является устройством, преобразующим энергию движущейся жидкости в механическую энергию, а пневматический привод—уст­ройством, преобразующим энергию сжатого воздуха тоже в механи­ческую энергию.

Энергия сжатой рабочей среды легко преобразуется в механичес­кую работу. Поясним это на примере простейшего объемного гидрав­лического привода, приведенного на рис.1 и состоящего из двух ци­линдров 1 и 2, соединенных трубопроводом 3.

 Для того, чтобы пор­шень цилиндра 2 переместился, преодолевая силу сопротивления F₂, на расстояние l₂, необходимо совершить работу A = F₂l₂ . Для этого в нижнюю полость цилиндра 2 с эффективной площадью S₂ необходимо подать объем жидкости W = S₂l₂ под давлением P, определяемым дей­ствием силы сопротивления F₂, т.е. P = F₂ /S₂. Этот объем жидкости совершит работу, которая и нужна для перемещения поршня: A= PW = PS₂l₂ = F₂l₂. Необходимый объем рабочей среды W имеет массу m = ρS₂l₂, где ρ - плотность рабочей среды. Если разделить ра­боту A на массу m, получим удельную (единичную) энергию E_y = A/m = PS₂l₂ /(ρS₂l₂) = P/ρ.   Таким   образом, последнее выражение показывает, что каждая частица объема W сжатой рабочей среды плотностью ρ имеет удельную энергию давления P/ρ, которая легко преобразуется в механическую работу. Но для того, чтобы по­дать рабочую среду в цилиндр 2, нужен, например, еще один цилиндр 1. При движении его поршня 4 вниз рабочая среда будет вытесняться в нижнюю полость цилиндра 2. Однако для выполнения этого движения к поршню цилиндра 1 следует приложить силу F₁, которая будет прео­долевать силу сопротивления, вызываемую давлением P. В соответст­вии с законом Паскаля это давление одинаково с давлением в полости цилиндра 2. Тогда без учета сил трения и инерции получим равенство P = F₁/S₁ = F₂/S₂ . Отсюда легко видеть, что, приложив к поршню ци­линдра 1 силу F1, поршень цилиндра 2 может преодолеть силу F₂ во столько раз большую, во сколько раз площадь S₂ больше эффективной площади S₁, т.е. F₂ = F₁S₂ /S₁. С другой стороны, чтобы вытеснить не­обходимый для перемещения поршня цилиндра 2 объем W, поршень цилиндра 1 должен переместиться на расстояние l₁ (без учета возмож­ных утечек). Тогда можно записать W = l₂S₂ = l₁S₁. Отсюда нетрудно получить l₂ = l₁S₁ /S₂ и сделать вывод о том, что перемещение поршня 5 цилиндра 2 будет меньшим перемещения поршня цилиндра 1 во столько раз, во сколько раз площадь поршня цилиндра 1 меньше пло­щади поршня цилиндра 2. Таким образом, получаем подтверждение «золотого правила» механики для объемных приводов: выигрыва­ем в силе - проигрываем в пути. Такое свойство гидравлических приво­дов изменять силы и длину перемещения часто называют «гидравличес­ким рычагом» по аналогии с механическим рычажным устройством.

Рассмотренная работа двух соединенных между собой цилиндров раскрывает принцип действия объемных гидравлических и пневмати­ческих приводов, на котором построены и гидравлические усилители, и гидравлические прессы, и другие гидравлические и пневматические машины и устройства.

Выбор того или иного привода при проектировании какого-либо оборудования или машины во многом определяется учетом его осо­бенностей при соответствующих условиях работы.

Особенностями гидравлических приводов являются следующие их характеристики и возможности: 

1. Высокая энергоемкость:
• Габариты гидродвигателей в 5 раз меньше, чем у электродвигателей аналогичной мощности.
• Отношение мощности к объёму/массе выше, чем у других типов двигателей.
2. Высокое давление рабочей среды:
• В общемашиностроительных приводах — до 50 МПа, в специальных — свыше 100 МПа.
• Для сравнения: «давление» магнитного поля в электродвигателях — 0,5–1,0 МПа.
3. Бесступенчатое регулирование скорости:
• Диапазон: от 3 мм/мин до 90 м/мин (поступательное движение), от 0,1 до 50 000 об/мин (вращение).
• Коэффициент регулирования скорости достигает 1000.
4. Малая инерционность:
• Частота реверсов моторов — до 10 Гц, цилиндров — до 7 Гц.
• Время реверса гидромотора (3,75 кВт) — 0,02 с (быстрее электродвигателей в 100 раз).
5. Простота конструкции:
• Отсутствие промежуточных передач между двигателем и исполнительным органом.
• Стабилизация работы при переменных нагрузках и температуре.
6. Надёжность:
• Защита от перегрузок за счёт автоматического сброса давления.
• Долговечность благодаря смазке минеральными маслами (минимальный износ).

Недостатки гидравлических приводов

1. Нагрев рабочей среды:
• Снижение вязкости жидкости → рост потерь → падение КПД.
• Требуется охлаждение и устранение утечек.
2. Сложность обслуживания:
• Необходимость квалифицированного персонала из-за точности оборудования.
3. Экологические риски:
• Пожароопасность и загрязнение окружающей среды минеральными маслами.

Дополнительные особенности

• Монтаж: Простота установки гибкими шлангами, независимость компоновки от источника энергии.

К особенностям пневматических приводов относят следующие ха­рактеристики и возможности:

Преимущества пневматических приводов

1. Высокие скорости:
• Движение: до 15 м/с (поступательное), 100 000 об/мин (вращательное).
• Поток воздуха в трубопроводах: 17–20 м/с (благодаря низкой вязкости).
2. Простота управления:
• Цикловое управление с фиксированными упорами.
• Точное позиционирование по жестким упорам.
3. Устойчивость к условиям:
• Работа в агрессивных, пожароопасных, запыленных, радиоактивных средах.
• Низкая чувствительность к вибрациям и ударным нагрузкам.
4. Конструктивные особенности:
• Простота и надёжность пневмоаппаратов.
• Удобство компоновки (гибкие шланги, отсутствие выхлопных труб).
• Низкая стоимость элементов (давление до 1 МПа).

Недостатки пневматических приводов

1. Нестабильность скорости:
• Высокая сжимаемость воздуха → колебания скорости при переменных нагрузках.
2. Технические ограничения:
• Коррозия аппаратов из-за конденсации влаги.
• Необходимость принудительной смазки (распыление масла в воздух).
• Требуется подготовка воздуха (сушка, фильтрация).
3. Ограничения управления:
• Цикловые системы: позиционирование только в двух точках.
• Необходимость тормозных устройств для защиты упоров.
4. Шум:
• Повышенный уровень шума → требуется установка глушителей.

Анализируя указанные особенности приводов и накладывая их на реальные условия работы проектируемого привода, можно опреде­лить направление поиска подходящего технического решения в облас­ти типа привода.

Классификация гидравлических и пневматических приводов

По служебному назначению

Приводы делятся на три группы:

Группа	Функция	Примеры
Приводы главного движения	Обеспечивают основной технологический процесс (например, скорость резания)	Металлорежущие станки: привод вращения шпинделя, движение резания
Приводы подач	Формируют вспомогательные движения (например, перемещение стола)	Металлорежущие станки: привод подачи, позиционирование детали
Приводы вспомогательных движений	Управляют сервисными операциями (замена инструмента, фиксация)	Манипуляторы: схват, зажим детали; станки: смена режущего инструмента

По способу изменения скорости

Приводы различаются по регулировке скорости:

Тип привода	Характеристика	Применение
Регулируемые	Изменяют скорость ступенчато или плавно	Требуют точного контроля (например, станки с ЧПУ)
Нерегулируемые	Обеспечивают постоянную скорость	Простые циклы (например, линии сборки)

Примеры из практики

1. Металлорежущий станок:
• Главное движение: Привод резания (скорость вращения шпинделя).
• Подача: Привод перемещения стола.
• Вспомогательные: Привод смены инструмента, зажим детали.
2. Промышленный робот:
• Все гидравлические/пневматические приводы (руки, схваты) относятся к вспомогательным движениям, так как основная обработка выполняется станком.
• Классификация позволяет оптимизировать выбор привода под конкретные задачи. Регулируемые системы применяются в сложных технологических процессах, нерегулируемые — в стандартных циклах.