Глава 2. Гидропривод мехатронных устройств

Движение рабочего органа в мехатронной системе в ряде случаев может осуществляться от гидравлических приводов. Схема передачи энергии в приводе такого типа приведена на рис. 2.1.

В гидроприводах происходит трехступенчатое преобразование энергии. Первоначально электрическая или тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем в гидравлическую. В этой форме энергия перемещается, управляется или регулируется и затем снова преобразуется в механическую энергию.

Для первоначального преобразования энергии используются электродвигатели, реже двигатели внутреннего сгорания, еще реже ручной привод. Преобразование механической энергии в гидравлическую выполняется гидравлическими насосами.

Управление координатами осуществляется специальными гидроаппаратами – клапанами, гидрораспределителями, дросселями и регуляторами расхода.

Исполнительными двигателями гидравлических систем являются: гидроцилиндры – устройства создающие определенные усилия при поступательных (линейных) перемещениях; гидромоторы – устройства, преобразующие гидравлическую энергию в энергию вращательного движения и поворотные гидроцилиндры, осуществляющие поворотное движение выходного вала на угол до 280 градусов.

Основными достоинствами гидроприводов являются большие усилия при компактном исполнении (отношение удельной мощности гидромоторов к электродвигателям 1:10 и более), а также высокое быстродействие при передаче поступательных перемещений.

Основные понятия и законы гидравлики

Основным законом гидростатики (учения о системах с неподвижной жидкостью) является закон Паскаля (см. рис. 2.2): “ Воздействие силы на неподвижную жидкость распространяется по всем направлениям внутри этой жидкости. Величина давления жидкости равна нагрузке, соотнесенной с площадью на которую она действует

. (2.1)

Давление оказывает свое воздействие всегда вертикально на ограничивающую поверхность резервуара ”.

На рис. 2.3 приведен пример передачи силы. Если на площадь А₁ действует сила F₁, то возникающее при этом давление p оказывает воздействие на все точки системы, в том числе и на поверхность А₂. Следовательно,

или , (2.2)

т.е. отношение сил равно отношению площадей.

Перемещение S₁ и S₂ обоих поршней (при пренебрежении силами трения в жидкости и допущении что жидкость не сжимается) обратно пропорционально их площадям

, (2.3)

а работа силового поршня равна работе нагрузочного поршня

. (2.4)

Учение о законах движения жидкости и действующих при этом силах называется гидрокинетикой. Если через трубопровод с различными сечениями проходит одинаковый объем жидкости, то скорость потока в наиболее узком месте должна возрастать. Иначе, поток (расход жидкости через трубопровод) равен произведению площади проходного сечения А на скорость течения жидкости V

. (2.5)

Откуда можно записать уравнение непрерывности потока в виде (см. рис. 2.4)

. (2.6)

 

В гидрокинетике закон сохранения энергии гласит, что “ общая энергия потока жидкости не изменяется до тех пор, пока не будет осуществлен подвод энергии извне, или пока энергия не будет отдаваться наружу системы ” и может быть записан в виде уравнения Бернулли

, (2.7)

где g – ускорение свободного падения, для Земли g = 9,81 м/с²; – высота столба жидкости; ρ – плотность жидкости, кг/м³.

Совместное рассмотрение уравнений непрерывности (2.6) и Бернулли (2.7) позволяет сделать следующие выводы. Если из-за уменьшения проходного сечения увеличивается скорость, то кинетическая энергия возрастает. Так как полная энергия гидравлической системы неизменна, то потенциальная энергия и/или давление должны уменьшаться. Поскольку потенциальная энергия в случае только сужения сечения практически не изменяется, то существенно изменяется статическое давление. Иначе, изменение давления обратно пропорционально изменению проходного сечения.

Передача гидравлической энергии всегда сопровождается потерями. Так на стенках трубопровода и в самой жидкости возникает трение, переходящее в тепло. Возникающие при этом потери гидравлической энергии вызывают в системах потери давления (см. рис. 2.5), зависящие от длины, проходного сечения, формы и шероховатости стенок трубопровода, скорости потока и вязкости жидкости.