§ 4.5 Электрическая, гидравлическая и пневматическая трансмиссии в технических системах
Механические трансмиссии устанавливают в небольшие технические системы. Машины больших размеров с двигателем, передающим большое количество энергии, оснащают громоздким, тяжёлым передаточным механизмом, который трудно в системе разместить и которым сложно управлять. Для уменьшения размеров трансмиссий были созданы передаточные механизмы с передачей энергии с помощью электричества (электрические трансмиссии), жидкости (гидравлические трансмиссии) и сжатого газа (пневматические трансмиссии).
В электрической трансмиссии двигатель технической системы передаёт вырабатываемую им механическую энергию электрическому генератору. От генератора электрическая энергия по проводам направляется к электрическому двигателю, который соединён с рабочим органом (рис. 4.14).
Схемы гидравлической и пневматической трансмиссий структурно похожи на схему электрической трансмиссии. В гидравлической трансмиссии первичный двигатель передаёт энергию гидронасосу. От него жидкость под давлением подаётся по шлангам к гидромоторам или гидроцилиндрам. Те, в свою очередь, передают механическую энергию рабочим органам: колёсам, ковшам, штокам прессов или подъёмников и т. п.
Гидропривод погрузчика (рис. 4.15) содержит пять элементов трансмиссии: первичный двигатель; гидронасосы как гидравлические генераторы, средства управления; гидромоторы; рабочие органы (колёса и ковш).
Пневматический привод содержит элементы, аналогичные элементам гидравлического привода. От первичного двигателя (рис. 4.16) механическая энергия с помощью ремённой передачи передаётся на компрессор. Компрессор сжимает воздух и создаёт в баке повышенное давление. Из бака воздух под давлением передаётся по шлангам к двигателю инструмента — перфоратору для сверления отверстий (вторичному двигателю). Вторичный двигатель передаёт усилие на рабочий орган. Блок управления 3 в данной технической системе размещён на ручке инструмента.
Словарь
электрическая трансмиссия; гидравлическая трансмиссия; пневматическая трансмиссия.
Проверьте себя:
1*. Почему в современных технических системах чаще применяют электрическую или гидравлическую передачу движения вместо механических передач?
2. Какие основные узлы составляют передаточные механизмы электрического, гидравлического и пневматического приводов?
* Подумайте, почему в огромных грузовиках, работающих в карьерах (местах добычи песка, руды и т. п.) устанавливают не механическую, а электрическую трансмиссию. Влияет ли на работу машин окружающая среда?
ПЕРЕДАТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Одним из основных элементов машины является передаточный механизм, установленный между двигателем и исполнительным органом (см. 8.1).
Передаточный механизм должен обеспечивать с заданной степенью точности передачу движения и его преобразование, быть экономичным и безопасным в работе.
Необходимость применения передач (передаточных механизмов) в машинах обусловлена следующими причинами:
- 0 скорости движения исполнительных органов машины чаще всего отличны от скоростей стандартных двигателей;
- 0 в процессе эксплуатации машины необходимо регулировать скорости исполнительного механизма и, соответственно, вращающие моменты, вероятнее всего в пределах, не осуществляемых непосредственно двигателем из-за неэкономичности или невозможности;
- 0 характер и законы движения, обеспечиваемые двигателем, отличаются от предусматриваемых для исполнительного механизма;
- 0 одним двигателем необходимо привести в движение несколько исполнительных механизмов с различными скоростями;
- 0 непосредственно из-за больших расстояний между двигателем и исполнительным механизмом или по соображениям безопасности, удобства обслуживания или габаритов машины.
Существует огромное количество различных типов передаточных механизмов. Дадим некоторую общую их классификацию по разным признакам.
Все передаточные механизмы можно разбить по способу передачи движения на три группы:
- 1) механизмы передачи вращения;
- 2) передаточные механизмы для преобразования вращательного движения в поступательное (и наоборот);
- 3) механизмы для преобразования движения по заданному закону.
К передачам вращения, предназначенным для передачи крутящих моментов между разными валами, относятся, например: ременные передачи, фрикционные, цепные, зубчатые, червячные идр.
Примерами передаточных механизмов, преобразующих вращательное движение в поступательное, являются: зубчато-реечная передача, винтовые механизмы скольжения, шариковинтовые и планетарновинтовые механизмы и др.
К механизмам, предназначенным для преобразования движения по заданному закону, можно отнести кулачковые, рычажные, мальтийские, храповые механизмы и др.
Наиболее широкое распространение в технике получило вращательное движение, так как оно может быть осуществлено наиболее простыми способами.
Передачи используются как для понижения (редукции), так и для повышения угловой скорости двигателя до заданной угловой скорости рабочего звена (органа) машины. В зубчатых передачах первые называются редукторами, а вторые — мультипликаторами.
Классификация передач по способу передачи вращательного движения от ведущего вала к ведомому приведена на рис.
10.1. Различают передачи трением (ременные, фрикционные и др.) и зацеплением (зубчатые, цепные, червячные идр.); непосредственного касания (фрикционные, зубчатые, червячные, глобоидные, гипоидные, спироидные, волновые, винтовые и др.) и с гибкой связью (ременные, зубчатоременные, цепные идр.).
Рис. 10.1. Классификация передач по способу передачи вращательного движения
Передачи различаются также:
- 0 по назначению: на кинематические и силовые;
- 0 по характеру изменения передаточного отношения: с постоянным и изменяющимся передаточным отношением (ступенчато и бессту- пенчато — вариаторы);
- 0 по относительному движению валов: обыкновенные и сателлитные;
- 0 по взаимному расположению валов в пространстве: между параллельными, пересекающимися, перекрещивающимися и соосными осями валов.
Кроме того, передаточные механизмы можно классифицировать по таким параметрам, как значение коэффициента полезного действия, передаточное отношение, передаваемая мощность, конструктивное исполнение, стоимость и т.д.
Выбор того или иного типа передачи обуславливается габаритами, массой и компоновочной схемой машины, режимом ее работы, частотой и направлением вращения ведущего и ведомого валов, пределами и условиями регулирования их скорости.
Передаточный механизм должен обеспечивать с заданной степенью точности передачу движения и его преобразование, быть экономичным и безопасным в работе.
Электрический привод и его структура
Каждый электрический привод содержит в себе три составные части, а именно:
Соответственно, чтобы технологический механизм четко выполнял свои задачи, все его составляющие должны осуществлять некоторые перемещения, которые могут выполняться при помощи привода.
Что такое электрический привод – это главный структурный элемент всех технологических агрегатов, главной функцией которого является обеспечение необходимых перемещений исполняющего органа в соответствии с заданным законом. Для наглядности можно представить современный технологический агрегат в виде целостного комплекса приводов, которые взаимодействуют друг с другом и соединены единой системой управления, гарантирующей нужные перемещения по самым разным траекториям.
С развитием промышленности электропривод занял как на производстве, так и в быту лидирующее место по количеству двигателей и общей установленной мощности.
В каждом электрическом приводе может быть выделена силовая часть (по ней энергия двигается от электродвигателя к исполнительным органам), а также система управления (обеспечивает нужное перемещение по указанному закону). Кроме этого, оно включает три устройства: управляющее, передаточное и преобразовательное.
Передаточное устройство включает муфты соединения, механические передачи, которые нужны для отдачи исполняющему оборудованию энергии механической, которую вырабатывает электродвигатель.
Преобразователь предназначен для того, чтобы управлять потоком электроэнергии, которая поступает из сети с целью урегулирования работы электродвигателя. Он является энергетической частью системы управления.
Управляющий механизм являет собой слаботочную информационную часть управляющей системы, которая собирает и обрабатывает поступающую информацию. Данная информация содержит данные о текущем состоянии системы, а также сигналов, которые поступают к электродвигательным агрегатам.
В настоящее время электроприводы совершенствуются в плане увеличения их надежности, долговечности, производительности, экономичности, высокоэффективной работы, уменьшения массогабаритных и удельных свойств. На каждом из этапов усовершенствования техники получение необходимых результатов сопровождается развитием теоретического аспекта вопроса.
По разным параметрам различают различные типы электроприводов:
По типу движения: поступательного, вращательного реверсивного и однонаправленного движения, а кроме этого возвратно-поступательного.
По типу механического передаточного аппарата: безредукторный и редукторный.
По методу передачи энергии механического типа: взаимосвязанные, индивидуальные и групповые.
По методу регулирования скорости, а также положения исполняющего органа: следящий, позиционный, регулируемый и нерегулируемый в плане скорости, адаптивный, программно-управляемый.
По типу электрического преобразовательного агрегата
Исполнительный механизм с электроприводом – это устройство, которое предназначено для смещения рабочей детали, соответственно с сигналами, которые поступают от управляющего агрегата.
В качестве рабочих деталей могут выступать клапаны, шиберы, задвижки, дроссельные заслонки, направляющие аппараты любого рода, которые могут осуществлять изменения в количестве поступающего на объект управления рабочего вещества или энергии.
Рабочие органы возможно перемещать и вращательно, и поступательно, в границах некоторого количества оборотов либо одного. При их участии выполняется прямое воздействие на субъект, которым управляет. В большей части случаев исполнительный механизм с электроприводом включает в себя: редуктор, сам электропривод, датчик показателя положения конечных выключателей, узел обратной связи.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Какие основные узлы составляют передаточные механизмы электрического и пневматического приводов
В машиностроении для привода машин обычно используют трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором единой серии 4А (ГОСТ 19523-81).
Эти электродвигатели отличаются простотой конструкции (обмотка ротора замыкается в самом двигателе, что позволяет включать их в сеть без дополнительных устройств) и надежностью в эксплуатации.
Электродвигатели характеризуются номинальной мощностью Рном, которую они могут обеспечивать в течение длительного времени не нагреваясь и номинальной частотой вращения ротора под нагрузкой nном, которая меньше синхронной частоты вращения ротора nс из-за скольжения.
Синхронная частота вращения ротора nс определяется числом пар полюсов p обмотки статора.
Для двигателей массового применения число пар полюсов p=2, 4, 6, 8, а синхронная частота вращения nс=3000, 1500,1000, 750 об/мин.
В каталогах электродвигателей для каждой номинальной мощности Рном и синхронной частоты вращения nс приводят номинальную частоту вращения nном, которая в дальнейшем используется при расчетах.
Выбор электродвигателя производят на основании условия Рном ? PД.
Электродвигатели с nс = 3000 об/мин (из-за существенного увеличения общего передаточного отношения привода, а следовательно увеличения его сложности и стоимости) и nс = 750 об/мин (электродвигатели имеют большую массу и габариты) не рекомендуется применять без наличия соответствующих обоснований.
Передаточные механизмы
Передаточными механизмами принято называть механизмы, которые служат для трансформации (согласования) заданного закона движения (механических характеристик) выходного звена машины — двигателя и требуемого закона (механических характеристик) входного звена рабочей машины.
Для электродвигателя выходным звеном является ротор (вал) электродвигателя, который совершает вращательное движение. Поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением передаточных механизмов для преобразования вращательного движения.
Также отметим, что звенья механизмов, совершающие вращательное движение, и передающие механическую нагрузку (вращающие моменты) принято называть валами.
В пространстве валы могут быть:
· соосными (расположенные одновременно в двух пересекающихся плоскостях, рис 1а);
· параллельными (расположенные одновременно в одной плоскости и двух параллельных плоскостях, рис 1б);
· пересекающимися (расположенные одновременно в одной плоскости и двух пересекающихся плоскостях, рис.1в);
· скрещивающимися (расположенными в двух параллельных и двух пересекающихся плоскостях, рис. 1г).
Для передачи вращающего момента с одного вала на другой используют передачи. Все передачи можно разделить на два вида:
Рис. 1. Валы в пространстве.
Открытые передачи размещаются на открытом воздухе, закрытые передачи — в отдельном закрытом корпусе, что позволяет обеспечить хорошую смазку этих передач.
По принципу передачи движения передачи подразделяют также на два вида:
Передачи зацеплением могут быть с непосредственным контактом звеньев и передачей движения гибкой связью. В последнем случае такую гибкую связь называют цепью, а передачи — цепными передачами.
Передачи зацеплением с непосредственным контактом подразделяют на три вида:
· цилиндрические зубчатые передачи;
· конические зубчатые передачи;
Цилиндрические зубчатые передачи (рис.2) применяют для передачи движения между параллельными валами, конические передачи (рис.3) применяют для передачи движения между пересекающимися валами, червячные передачи (рис.4) применяют для передачи движения между скрещивающимися валами.
Рис.2. Цилиндрическая зубчатая передача.
Рис.3. Коническая передача.
Рис.4. Червячная передача.
Далее, более детально рассмотрим классификацию цилиндрических зубчатых передач.
В зависимости от взаимного расположения зубчатых колес цилиндрические зубчатые передачи подразделяют на:
· передачи с внешним зацеплением (рис. 5);
· передачи с внутренними зацеплением (рис.6 ).
Рис.5. Передачи с внешним зацеплением.
Рис.6. Передачи с внутренними зацеплением.
В зависимости от направления линии зуба зубчатых колес цилиндрические зубчатые передачи подразделяют на:
· прямозубые (рис. 7);
Отметим, что значительное применение получили также передачи шестерня-рейка, которые позволяют преобразовать вращательное движение вала в поступательное (рис.10).
Рис.7. Прямозубая передача.
Рис.8. Косозубая передача.
Рис.9. Шевронная передача.
Рис.10. Передача шестерня-рейка.
Значительно реже применяют цилиндрические зубчатые передачи с винтовыми зубьями (рис.11) из-за повышенного скольжения и низкой нагрузочной способности, хотя эти передачи позволяют обеспечить передачу движения между пересекающимися валами.
Рис.11. Передача с винтовыми зубьями.
Для передачи движения между соосными валами применяют муфты. Муфты подразделяют на:
Рис.12. Втулочные муфты.
В дальнейшем условимся валы нумеровать латинскими цифрами, соосные валы обозначать буквой С, параллельные валы — буквой П, пересекающиеся -буквами ПП, скрещивающиеся — буквами СС.
Рис.13. Фланцевые муфты
Рис.14. Зубчатые муфты.
Рис.15. Упругие муфты
Рис.16. Конусные.
В зависимости от взаимного расположения валов в пространстве можно применить различные связи между валами.
Для соосных валов:
Рис.17. Дисковые.
Для параллельных валов:
· Цилиндрические фрикционные передачи;
· Цилиндрические зубчатые передачи.
Для пересекающихся валов:
· Конические фрикционные передачи;
· Конические зубчатые передачи
Для скрещивающихся валов:
Введем следующие обозначения связей (передач):
Ременная передача с плоским ремнем — РП;
Ременная передача с клиноременным ремнем — РК;
Ременная передача с поликлиновым ремнем — РПК;
Ременная передача с круглым ремнем — РКР;
Цепная передача с роликовой цепью — ЦР;
Цепная передача с зубчатой цепью — ЦЗ;
Цилиндрическая фрикционная передача — ЦФ;
Цилиндрическая зубчатая передача — ЦЗ;
Коническая фрикционная передача — КФ;
Коническая зубчатая передача — КЗ;
Червячная передача — Ч.
Использование данных понятий позволяет описать любую структуру передаточного механизма.
Например, передаточный механизм, представленный на рис. 18, описать следующим образом:
Рис.18. Кинематическая схема.
Если дополнительно в описание связей ввести основные характеристики используемых передач, то можно перейти к системе полного описания передаточных механизмов.
Например, чтобы однозначно определить цилиндрическую эвольвентную зубчатую передачу со стандартным исходным производящим контуром, достаточно задать следующие характеристики:
· Число зубьев шестерни;
· Число зубьев колеса;
· Угол наклона линии зуба;
· Коэффициент смещения исходного контура шестерни;
· Коэффициент смещения исходного контура колеса;
· Ширину венца шестерни;
· Ширину венца колеса.
Основные характеристики передаточного механизма
Передаточные механизмы могут быть открытыми и закрытыми (расположенными в отдельном специальном корпусе).
Основной кинематической характеристикой передаточного механизма является передаточное отношение под которым понимают отношение угловой скорости выходного вала к угловой скорости входного вала:
В зависимости от значения передаточного отношения передаточные механизмы могут быть понижающими и повышающими.
Передаточные механизмы, которые обеспечивают несколько передаточных отношений, принято называть коробками передач, а которые обеспечивают одно постоянное передаточное отношение — передачами.
Закрытые понижающие передачи обычно называют редукторами, закрытые повышающие передачи — мультипликаторами.
Энергия, подводимая к входному звену передаточного механизму в виде работы Адв движущих сил и моментов за цикл установившегося режима, расходуется на совершение полезной работы Апс т.е. работы сил и моментов полезного сопротивления, а также на совершение работы Ат, связанной с преодолением сил трения в кинематических парах и сил сопротивления среды:
Механическим коэффициентом полезного действия (или сокращенно КПД) называют отношение
Как видно, КПД показывает, какая доля механической энергии, подведенной к передаточному механизму, полезно расходуется на совершение той работы, для которой механизм используется.
Отношение о = Ат/Адв называют механическим коэффициентом потерь, который характеризует, какая доля механической энергии Адв, подведенной к передаточному механизму, вследствие наличия различных видов трения превращается в конечном счете в теплоту и бесполезно теряется, рассеиваясь в окружающем пространстве. Так как потери на трение неизбежны, то всегда о > 0.
Между коэффициентом потерь и КПД существует очевидная связь:
В современных условиях, когда экономное расходование энергии является одной из первоочередных задач, КПД и коэффициент потерь являются важными характеристиками механизмов машин.