- •МЕХАНИКА МАШИН
- •1.1. Структура машинного агрегата
- •1.4. Управление движением машинного агрегата
- •СТРОЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ
- •2.1. Основные определения
- •2.2. Кинематические пары и соединения
- •2.5. Структурный синтез механизмов
- •2.6. Классификация механизмов
- •КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕХАНИЗМОВ
- •3.1. Основные понятия
- •tgfa
- •3.6. Примеры графического исследования механизмов
- •pc = fivVB\ Р'Ь" = цайв', Ь"Ь'= цаагВ-
- •3.7. Кинематические характеристики плоских механизмов с высшими парами
- •3.8. Кинематические характеристики пространственных механизмов
- •3.9. Метод преобразования декартовых прямоугольных координат
- •4.1. Динамическая модель машинного агрегата
- •4.2. Приведение сил
- •4.3. Приведение масс
- •4.8. Неравномерность движения механизма
- •JTnp,
- •4.10. Динамический анализ и синтез с учетом влияния скорости на действующие силы
- •5.1. Динамическая модель машинного агрегата
- •5.2. Установившееся движение машинного агрегата
- •5.3. Исследование влияния упругости звеньев
- •СИЛОВОЙ РАСЧЕТ МЕХАНИЗМОВ
- •6.1. Основные положения
- •6.4. Силовой расчет механизма с учетом трения
- •6.5. Потери энергии на трение. Механический коэффициент полезного действия
- •ВИБРОАКТИВНОСТЬ И ВИБРОЗАЩИТА МАШИН
- •7.1. Источники колебаний и объекты виброзащиты
- •7.3. Анализ действия вибраций
- •7.6. Статическая и динамическая балансировка изготовленных роторов
- •Щ = у/g sina/<5CT,
- •7.8. Демпфирование колебаний. Диссипативные характеристики механических систем
- •7.9. Динамическое гашение колебаний
- •тт(р - рт) = mjyE.
- •7.11. Ударные гасители колебаний
- •7.12. Основные схемы активных виброзащитных систем
- •ТРЕНИЕ И ИЗНОС ЭЛЕМЕНТОВ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАР МЕХАНИЗМОВ И МАШИН
- •8.1. Виды и характеристики внешнего трения
- •8.2. Основные понятия и определения, используемые в триботехнике
- •8.3. Механика контакта и основные закономерности изнашивания
- •8.4. Методика расчета износа элементов кинематических пар
- •МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СХЕМ ОСНОВНЫХ ВИДОВ МЕХАНИЗМОВ
- •МЕТОДЫ СИНТЕЗА МЕХАНИЗМОВ С ВЫСШИМИ ПАРАМИ
- •9.1. Основные понятия и определения
- •9.2. Основная теорема зацепления
- •9.3. Скорость скольжения сопряженных профилей
- •9.4. Угол давления при передаче движения высшей парой
- •9.5. Графические методы синтеза сопряженных профилей
- •9.7. Производящие поверхности
- •МЕХАНИЗМЫ ПРИВОДОВ МАШИН
- •10.1. Основные понятия и определения
- •10.2. Строение и классификация зубчатых механизмов
- •10.4. Планетарные зубчатые механизмы
- •ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА
- •11.2. Эвольвента, ее свойства и уравнение
- •11.3. Эвольвентное прямозубое колесо
- •11.4. Эвольвентная прямозубая рейка
- •11.5. Эвольвентное зацепление
- •11.8. Подрезание и заострение зуба
- •11.9. Эвольвентная зубчатая передача
- •11.10. Качественные показатели зубчатой передачи
- •11.11. Цилиндрическая передача, составленная из колес с косыми зубьями.
- •11.12. Особенности точечного круговинтового зацепления Новикова
- •ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
- •12.1. Коническая зубчатая передача
- •МЕХАНИЗМЫ С НИЗШИМИ ПАРАМИ
- •13.1. Основные этапы синтеза
- •13.4. Синтез четырехзвенных механизмов по двум положениям звеньев
- •13.5. Синтез четырехзвенных механизмов по трем положениям звеньев
- •13.6. Синтез механизмов по средней скорости звена и по коэффициенту изменения средней скорости выходного звена
- •tijivu) < [tfj]-
- •КУЛАЧКОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ
- •14.1. Виды кулачковых механизмов и их особенности
- •14.2. Закон перемещения толкателя и его выбор
- •sinx4
- •sinx2 = [(*2 “ Vj3)/f34]sm03;
- •14.5. Определение габаритных размеров кулачка по условию выпуклости профиля
- •14.6. Определение координат профиля дисковых кулачков
- •14.7. Механизмы с цилиндрическими кулачками
- •МЕХАНИЗМЫ С ПРЕРЫВИСТЫМ ДВИЖЕНИЕМ ВЫХОДНОГО ЗВЕНА
- •15.1. Зубчатые и храповые механизмы
- •15.2. Мальтийские механизмы
- •15.3. Рычажные механизмы с квазиостановками
- •УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ СИСТЕМЫ МЕХАНИЗМОВ
- •16.2. Циклограмма системы механизмов
- •МАНИПУЛЯЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ
- •17.3. Задачи о положениях манипуляторов
- •17.4. Задачи уравновешивания и динамики
- •Glos
1.4. Управление движением машинного агрегата
Процесс движения машины в общем случае состоит из трех фаз: разбега, установившегося режима и выбега и по казан на рис. 1.11.
Фаза разбега характеризуется увеличением скорости глав ного вала машины. Это наблюдается при пуске машины или переводе ее с меньшей скорости на большую.
При установившемся режиме скорость главного вала из меняется периодически, ее среднее значение поддерживается на постоянном уровне. В таком режиме обычно работают тех нологические и информационные, т.е. стационарные, машины.
Во время выбега скорость главного вала уменьшается. Это происходит при останове машины или при переводе ее с большей скорости на меньшую.
Разбег и выбег относятся к неустановившемуся движе нию, которое характеризуется непериодическими, т.е. непов торяющимися, изменениями скорости главного вала машины. Такой процесс движения называют переходным.
Не следует, однако, думать, что каждый механизм во вре мя своего движения всегда строго последовательно проходит три указанные фазы. Так, многие механизмы в установившем ся режиме вообще не работают. Это особенно характерно для целого ряда приборов и аппаратов (реле, контакторы и т.п.). Их механизм во время срабатывания переходит из одного по ложения в другое, не совершая замкнутого, повторяющегося кинематического цикла. Сначала скорость такого механизма нарастает от нуля — разбег (разгон), а затем, пройдя макси мум, уменьшается до нуля — выбег (торможение).
Часто установившееся движение машины чередуется с разгонами (при повышении скоростного режима) и торможе нием (при понижении скоростного режима). Так работает, например, автомобильный двигатель и другие транспортные машины.
Рис. 1.11
Установившийся режим нарушается также и при измене нии нагрузки на двигатель со стороны рабочей машины. Начи нается переходный процесс, во время которого двигатель дол жен привести агрегат к новому установившемуся режиму с из менившимся уровнем нагружения. Это характерно для агрега тов с энергетическими рабочими машинами (турбогенераторы, дизель-компрессоры и т.п.), которые, согласно своему назна чению, должны работать в установившемся режиме, но при изменяющейся время от времени нагрузке на двигатель.
При установившемся режиме вращение главного вала ма шины вследствие колебаний угловой скорости не является, строго говоря, равномерным (см. рис. 1.11). Степень нерав номерности оценивается коэффициентом неравномерности 6 = = (^max —^min)/^ср •Коэффициент 6 равен 1/15 и часто имеет значительно меньшее значение. Значит, отклонения текущего значения угловой скорости и от ее среднего значения иср не превышают ±(2 - 3) %, так что вращение хоть и не строго равномерное, но весьма близко к равномерному. Будем счи тать, что в начальном приближении при установившемся ре жиме главный вал машинного агрегата вращается с постоян ной угловой скоростью и = const.
Отметим, что условие и = const приемлемо, поскольку для многих машинных агрегатов оно выполняется точно. Рав номерное вращение главного вала этих машинных агрегатов является частным, но распространенным случаем. К таким агрегатам прежде всего относятся те, которые составлены из
роторных машин: турбогенераторы на электростанциях, элек тродвигатели, приводящие в движение роторные рабочие ма шины, т.е. центробежные насосы, воздуходувки, вентиляторы и т.п.; равномерно вращаются шпиндели токарных станков, рабочие органы сверлильных, фрезерных и т.п. станков, а так же главные валы многих других машин. При установившемся режиме угловая скорость всех этих машин остается постоян ной (и —const).
Рассмотрим, как формируется установившийся режим ма шинного агрегата и при каких условиях он поддерживается устойчиво без всякого воздействия органов управления на дви гатель. При этом для простоты рассуждений (но отнюдь не в ущерб их сути) будем считать, что двигатель напрямую, т.е. без передаточного механизма, соединен с рабочей ма шиной. Кроме того, принятое выше начальное приближение (и = const) вынуждает сделать следующее упрощение: если момент двигателя или рабочей машины изменяется периоди чески (см. § 1.3), будем использовать его среднее за цикл зна чение, а не текущее. Этого упрощения, равно как и условия, что при установившемся режиме главный вал машинного агре гата вращается равномерно, будем придерживаться только в пределах первой главы.
Установившийся режим достигается лишь при равенстве моментов двигателя и рабочей машины, т.е. движущего Мдв и сопротивления Мс:
Л/дв — M Q ,
где Мс — момент сопротивления рабочей машины, Мс = = |Мрм|. При Мдв / Мс угловая скорость главного вала не может оставаться постоянной, т.е. в случае Мдв > Мс она будет увеличиваться, а при Мдв < Мс уменьшаться.
Пусть механические характеристики машинного агрега та имеют вид, показанный на рис. 1.12, а, где h = const (ор ган управления двигателем зафиксирован в постоянном поло жении). Установившийся режим будет достигнут в случае ра венства моментов (Мдв)у = (Мс)у, а угловая скорость при этом составит и = шу = const (точка у на рис. 1.12, а).
Обратим внимание, что при росте угловой скорости и дви жущий момент М в области, прилегающей к установившемуся
режиму |
(к точке у), уменьша |
|
|
|
||||||
ется, |
а |
момент |
сопротивления |
|
|
|
||||
Мс растет, т.е. |
у заданных ха |
|
|
|
||||||
рактеристик dM^/du < 0, а |
|
|
|
|||||||
dMc/du > |
0. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Представим себе, что вслед |
|
|
|
|||||||
ствие некоторой причины уста |
|
|
|
|||||||
новившийся режим был нарушен |
|
|
|
|||||||
и угловая скорость главного ва |
|
|
|
|||||||
ла агрегата |
уменьшилась |
до |
|
|
|
|||||
значения и/, после чего возму |
|
|
|
|||||||
щающая |
причина |
прекратила |
|
|
|
|||||
свое |
действие. |
|
В результате |
|
|
|
||||
при и = |
и1 движущий момент |
|
|
|
||||||
МдВпревысит момент сопротив |
|
|
|
|||||||
ления |
М' |
(см. рис. 1.12, а), |
по |
|
|
|
||||
этому |
угловая |
скорость начнет |
|
|
|
|||||
увеличиваться, стремясь к уста |
|
|
|
|||||||
новившемуся значению иу, а мо |
|
|
|
|||||||
менты МдВ и Мс, как видно из |
|
|
|
|||||||
рис. 1.12, а, будут |
сближаться, |
|
|
|
||||||
стремясь к своему равенству, в |
|
|
|
|||||||
результате чего |
установивший |
|
|
|
||||||
ся режим и = иу вновь будет до |
|
h = const |
|
|||||||
стигнут. |
|
|
|
|
|
М» |
|
|
||
Рассуждая |
аналогично, |
не |
1 |
:2 |
||||||
трудно |
заметить, |
что если |
ка |
\ |
] |
|
||||
- г |
|
|
||||||||
кая-либо возмущающая причина |
|
|
||||||||
м „ |
|
|
||||||||
вызвала увеличение угловой ско |
|
|
|
|||||||
рости |
до ип (см. рис. 1.12, a), a |
|
|
|
||||||
затем прекратила свое действие, |
|
в |
|
|||||||
то после этого угловая скорость |
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
вследствие избытка момента со |
|
|
|
|||||||
противления |
|
|
над МдВ бу |
Рис. 1.12 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дет уменьшаться, стремясь к иу;
это вызовет сближение моментов Мдв и Мс вплоть до их равенства, что и приведет к восстановлению установившегося режима и — иу.
2 - 11273
Из сказанного следует, что машинный агрегат с харак теристиками, расположенными друг относительно друга так, как показано на рис. 1.12, а, обладает способностью самостоя тельно, без всякой помощи извне (орган управления двигате лем зафиксирован в постоянном положении: h = const) устой чиво поддерживать установившийся режим. Назовем такую способность саморегулированием.
Обратимся к двум другим машинным агрегатам с иным взаимным расположением характеристик (рис. 1.12,5, б). На зовем их условно агрегатами « б » и « в » . Они саморегулиро ванием не обладают. Действительно, рассуждая как и преж де, установим, что в агрегате « б » уменьшение угловой скоро сти и от значения ыо приведет к неравенству Мдв и Мс, при чем Мс > Мдв (см. рис. 1.12, б). Это, в свою очередь, вызовет дальнейшее уменьшение угловой скорости, в процессе которого моменты МдВ и Мс к своему равенству стремиться не будут. Следовательно, возврата угловой скорости и к значению CJO не произойдет. Такой же результат получится и при увеличении угловой скорости и от значения .
Что же касается агрегата « в » , то, поскольку у него ра венство Мдв = Мс практически соблюдается на всем участке 1
—2 (см. рис. 1.12, б), вращение главного вала такого агрегата
впределах этого участка может происходить с любой скоро
стью: никакого четкого скоростного режима у агрегата « в » не будет. Способностью устойчиво поддерживать установив шийся режим агрегаты « б » и « в » не обладают.
Заметим, что при наличии саморегулирования (см.
рис. 1.12, а) справедливо следующее соотношение: F = ——-- -
---- > 0. Двучлен F называют фактором устойчивости
машинного агрегата; он введен в курс динамики машин проф. МВТУ им. Н.Э. Баумана В.И. Крутовым. Положительный фактор устойчивости является, таким образом, математиче ским признаком наличия саморегулирование* Для агрегата « а » F > 0, для агрегата « б » F < 0, для агрегата « в » F = 0.
Подводя итог, заключаем, что если фактор устойчивости машинного агрегата положительный, то такой агрегат поддер живает установившийся режим самостоятельно, за счет своих
собственных внутренних свойств, без специального внешнего воз действия на него посредством ор гана управления.
Рассмотрим способность двигателей задавать нужную ско рость рабочей машине, а также способность двигателей поддер живать заданную скорость с до статочной точностью.
Механическая характеристи ка Мдв шунтового электродвига теля постоянного тока при h = = h\ (рис. 1.13, а) близка к вер тикали, или, иначе говоря, она жесткая. Ее пересекает механи ческая характеристика Мс рабо чей машины. Режим установится при угловой скорости cjyi, когда
-^дв1 — М с1.
Допустим, что для продол жения технологического процес са угловую скорость нужно сни зить до значения иу2 - (Такая необходимость возникает, напри
мер, при управлении поворотом ковша во время разливки ста ли.) При шунтовом электродвигателе сделать это просто: достаточно уменьшить регулировочное сопротивление в це пи возбуждения, т.е. уменьшить параметр управления от hi до /&2 - Получим новую механическую характеристику двигате ля МДВ2 и, соответственно, новый скоростной режим иу2 (см. рис. 1.13, б). Аналогично можно перейти и на большую угло вую скорость. При этом ступени перехода могут быть и зна чительными и, что очень ценно, мелкими. Благодаря гибкости в управлении и способности задавать рабочей машине любую требуемую скорость, шунтовые электродвигатели постоянного тока в промышленном приводе достаточно широко распростра нены.
|
Теперь рассмотрим |
по |
||
|
лезные свойства электродви |
|||
|
гателей |
с жесткой механи |
||
|
ческой характеристикой. |
К |
||
|
ним, помимо шунтовых, от |
|||
|
носятся |
асинхронные двига |
||
|
тели |
переменного |
тока. |
|
|
Их механическая характери |
|||
|
стика МдВ(сс>), в ее рабочей |
|||
|
части, |
представлена |
|
на |
Рис. 1.14 |
рис. 1.14; она близка к верти |
|||
кали. В связи с этим |
обра |
тим внимание, что у рассматриваемых двигателей второй член фактора устойчивости F, т.е. производная (1Мдв/с1и;, отрица тельна, а ее модуль велик. Следовательно, фактор устойчи вости агрегатов с такими двигателями является очень значи тельным.
Наложим на характеристику Мдв(^) двигателя характе ристику Мс\(и) рабочей машины. Режим установится при и = и\, т.е. когда МДВ1 = Мс\. При этом устойчивость режима будет очень высокой, поскольку фактор устойчивости агрегата весьма велик.
Допустим, нагрузка со стороны рабочей машины сильно возросла и изображается характеристикой Мс2 (и). Установив шийся режим будет нарушен, так как сразу же после увеличе ния нагрузки нарушится равенство моментов в сторону избыт ка момента сопротивления: Мс2 > Мдв1 ; угловая скорость и поэтому начнет уменьшаться.
Электродвигатель немедленно прореагирует на это умень шение момента Мдв и быстро приведет машинный агрегат к новому установившемуся режиму: Мдв2 = М с2 , который будет поддерживаться по-прежнему с большой устойчивостью.
В новом установившемся режиме угловая скорость станет меньше: U2 < (см. рис. 1.14). Однако вследствие жест кости характеристики электродвигателя уменьшение угловой скорости Аи = —и>2 будет очень небольшим. Так, при уве личении движущего момента Мдв от нуля (холостой ход) до номинального Мн (см. рис. 1 .5 ) «просадка» угловой скорости
Ди;н = ихх —ин составляет всего лишь несколько процентов от ихх. Таким образом, электродвигатели с жесткой характери стикой обладают существенным качеством: они поддержива ют скоростной режим почти постоянным при любой нагрузке со стороны рабочей машины, автоматически доводя движущий момент до момента сопротивления. Такое качество органиче ски присуще этим двигателям, поскольку вытекает из их соб ственных электромагнитных свойств; поэтому ни в каком спе циальном регуляторе скорости они не нуждаются. Кроме то го, отметим ярко выраженную способность электродвигателей с жесткими характеристиками устойчиво поддерживать уста новившийся режим. Вследствие таких ценных свойств шунтовые и особенно асинхронные двигатели получили широкое распространение в промышленном электроприводе.
Перейдем к исследованию машинных агрегатов, двигате ли которых имеют мягкие характеристики. Напомним, что движущий момент таких машин сравнительно слабо зависит от угловой скорости их вала. Мягкие характеристики имеют очень многие двигатели.
Механические характеристики паровой турбины М^ъ\{и) при h\ = const и электрогенератора Мс\(и) (машины, выра батывающей электроэнергию) изображены на рис. 1.15, а. Ре жим установится при и = шу\ = CJh, когда Мдв\ — Мсi; он будет поддерживаться устойчиво, поскольку фактор устойчи вости турбогенераторного агрегата F > 0 .
Допустим, что к генератору подключилась новая группа потребителей электроэнергии (началась трансляция по теле видению футбольного матча). Момент сопротивления генера тора вследствие этого возрос и изображается теперь другой
характеристикой |
МС2 {и). Новый режим вновь установится, |
но при скорости |
, много меньшей, чем ик (рис. 1.15, б). |
Если же от генератора группа потребителей электроэнергии отключится, то характеристика Мс$(и) переместится вниз; режим установится при скорости о;*3, значительно большей, чем иИ.
Из сказанного следует, что паровая турбина в отличие от асинхронного или шунтового электродвигателей не обла дает способностью поддерживать скоростной режим агрегата
|
практически на постоянном |
||||||
|
уровне. В то же время произ |
||||||
|
водство электроэнергии тре |
||||||
|
бует, чтобы вал генератора |
||||||
|
вращался с постоянной угло |
||||||
|
вой скоростью CJH) одинако |
||||||
|
вой при всех нагрузках от ну |
||||||
|
ля до наибольшей. Допуск на |
||||||
|
отклонение от номинального |
||||||
|
значения задается очень ма |
||||||
|
лым, поэтому турбине нужен |
||||||
|
специальный регулятор ско |
||||||
|
рости. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Регулятор, |
изменив |
па |
|||
|
раметр управления с h = |
hi |
|||||
|
на h = |
/&2 ) т.е. |
увеличив |
||||
|
подачу пара в турбину, дол |
||||||
|
жен перевести ее характери |
||||||
|
стику с MJXQ\(U ) на такую |
||||||
|
Мдв2 (^)> при которой равен |
||||||
|
ство моментов МДВ2 = МС2 |
||||||
|
соблюдалось бы при иу2 = |
||||||
|
= ия (рис. 1.15, в). |
Соответ |
|||||
|
ственно |
регулятор |
|
должен |
|||
|
действовать и при уменьше |
||||||
|
нии |
нагрузки |
на |
турбину. |
|||
|
Все это надлежит регулято |
||||||
|
ру |
выполнять |
без |
всякого |
|||
|
участия человека-оператора, |
||||||
|
т.е. автоматически. |
|
|
|
|||
|
|
Заметим, |
что |
|
достиг |
||
|
нуть равенства Мдв |
= |
Мс, |
||||
|
необходимого для поддержа |
||||||
|
ния |
установившегося режи |
|||||
|
ма при обязательном условии |
||||||
|
и = CJH = const, можно не |
||||||
|
только |
за счет |
воздействия |
||||
Рис. 1.15 |
на движущий |
момент Мдв, |
но также и за счет воздействия на момент сопротивления Мс путем смещения характеристики Мс(и>). Но такой способ до стижения установившегося режима применяют очень редко. В большинстве случаев управление движением машинного агре гата осуществляется воздействием именно на движущий мо мент МдВ, т.е. на двигатель.
Как видно из выше приведенных примеров, осуществле ние требуемого закона движения (нужная скорость поворота разливочного ковша, постоянство угловой скорости электро генератора и др.) достигается воздействием на параметр h управления двигателем (шунтовым электродвигателем, паро вой турбиной и др.). Это воздействие оказывается на орган управления или вручную, например машинистом металлурги ческого крана, или автоматически — специальным регулято ром. Такой метод получения требуемого закона движения ма шины (по М.З. Коловскому) называют программным управле нием.
1.5. Структурные схемы системы автоматического регулирования хода машин
Современный машинный агрегат имеет сложную структу ру: кроме рассмотренной в § 1.1 основной (энергетической) си стемы, состоящей из трех главных частей, он содержит еще и ряд других систем, без которых работать не может. К ним от носятся система управления движением агрегата, системы за щиты, питания (топливом, заготовками обрабатываемых изде лий и другими материалами), обслуживания (смазкой, охлаж дающей жидкостью, сжатым воздухом) и др. Многие из них должны действовать автоматически. Познакомимся с распро страненной в технике системой автоматического регулирова ния (САР) скорости машинного агрегата. В качестве примера возьмем турбогенераторный агрегат Т — Г (рис. 1.16), рабо тающий на электростанции.
Пар поступает в турбину Т через орган регулирова ния ОР, который дозирует его подачу, определяемую положе нием ОР, т.е. координатой h. Производимая генератором Г электроэнергия направляется во внешнюю трехфазную сеть к ее потребителям.
Электро
энергия
Регулятор скорости кинематически, посредством зубча тых передач а и 6 , связан с валом агрегата. В состав регу лятора входит небольшой центробежный насос Н, создающий давление над поршнем П. Поршень нагружен пружиной, ниж ний конец которой неподвижен (упор У). При помощи штока и рычага АВС поршень связан с органом регулирования.
При установившемся режиме момент сопротивления гене ратора Мс равен моменту турбины Мдв, так что угловая ско рость и вала агрегата постоянна и равна требуемому значе нию ин. Именно при этом значении давление жидкости наД поршнем уравновешивается нажатием пружины снизу. Пор шень неподвижен, следовательно, неподвижен и орган регули рования, его координата h не изменяется: h = const. Регулятор бездействует.
Пусть нагрузка на генератор увеличилась (к нему под ключилась еще одна группа электропотребителей). Момент Мс генератора вследствие этого возрастет, равенство с мо ментом Мдв турбины нарушится, и угловая скорость и вала начнет уменьшаться, отклоняясь от требуемого значения. Од новременно будет уменьшаться угловая скорость насоса. Да вление жидкости над поршнем немедленно прореагирует на это тем, что начнет падать, вследствие чего под действием пружины поршень со штоком двинется вверх: регулятор при дет в действие. Благодаря рычагу АВС орган регулирования будет перемещаться вниз, увеличивая координату h и откры вая больший доступ пара в турбину. Ее движущий момент Мдв начнет увеличиваться, сближаясь с возросшим моментом сопротивления Мс генератора; спад угловой скорости и замед лится.
Регулятор должен привести угловую скорость и к нужно му постоянному уровню. Он будет действовать, т.е. переме щать ОР, до тех пор, пока возникшее отклонение Аи угловой скорости от требуемого значения не будет им ликвидировано. Именно тогда наступит равновесие поршня П, и он остановит ся. Орган регулирования ОР займет новое положение с новой возросшей координатой Л, при которой подача пара возрастет настолько, что равенство Мдв = Мс восстановится. Вместе с ним установится и новый режим.
Следует иметь в виду, что в новом режиме установивше еся значение угловой скорости станет несколько отличным от предшествующего. Величина получившегося различия зави сит от системы регулятора. Но при правильно спроектиро ванном регуляторе оно будет столь малым, что уложится в назначенный жесткий допуск.
Таким образом, в САР турбогенераторного агрегата на блюдается замкнутая цепь воздействий: регулятор через ор ган регулирования воздействует на объект регулирования, т.е. на турбогенератор (линия 1 — 2 на рис. 1.17), а объект через зубчатые передачи — на регулятор (линия 3 — 4)• Воздей ствие по линии 3 — 4, по которой регулируемая величина с объекта подается обратно на регулятор, называется главной
Рис. 1.17
обратной связью. Она нужна для того, чтобы регулятор полу чил от объекта регулирования фактическое значение регули руемой величины и. Регулятор должен сравнивать это значе ние и с заданным значением ип и при появлении отклонения Аи = и - ик ликвидировать его, приводя тем самым регули руемое значение и к нужному постоянному уровню ин. Такой принцип действия САР называют регулированием по отклоне нию, или принципом Ползунова — Уатта*
Отметим обязательную направленность действия главной обратной связи. При увеличении Мс регулируемая величина и уменьшается, т.е. ее отклонение Аи = и —ик становится мень ше нуля. Регулятор, получив через главную обратную связь сигнал об этом, должен действовать так, чтобы увеличилось открытие ОР, т.е. увеличилась h: приращение Ah становится больше нуля. При уменьшении Мс угловая скорость уве личивается: отклонение Аи = и —ик > 0 , и регулятор, по лучив об этом сведения по главной обратной связи, должен уменьшить открытие ОР: изменение Ah становится меньше нуля. Ясно, что регулятор под воздействием главной обратной связи должен срабатывать так, чтобы изменение Ah положе ния органа регулирования осуществлялось всегда в направле нии, противоположном изменению Аи регулируемой величи ны; иначе говоря, главная обратная связь обязательно должна быть по знаку отрицательной.
* Этот принцип был впервые применен |
И.И. Ползуновым в 1765 г. |
для автоматического регулирования уровня |
воды в паровом котле и |
Дж. Уаттом в 1786 г. для автоматического регулирования скорости порш невой паровой машины.
а |
б |
Рис. 1.18
Систему поддержания регулируемой величины на посто янном уровне называют также системой автоматической стабилизации.
Заметим, что если упор У пружины регулятора (см. рис. 1.16) закреплен в одном неизменном положении, то регу лятор будет поддерживать угловую скорость постоянной на одном уровне ын; такой регулятор называют однорежимным.
Изобразим характеристику Мдв(и>) движущего момента турбины при действующем однорежимном регуляторе, назы ваемую регуляторной характеристикой; она представляет со бой вертикаль или линию, очень близкую к ней (рис. 1.18, а). Наложим на регуляторную характеристику семейство механи ческих характеристик генератора Mc(iV,cj), параметром кото рого является число потребителей электроэнергии N Незави симо от числа потребителей угловая скорость турбогенератора при различных установившихся режимах (или 1, или 2, или 3) будет неизменной что и требуется для производства элек троэнергии.
Вслучае, когда упор У можно фиксировать не в одном,
ав нескольких различных по высоте положениях, регулятор будет поддерживать угловую скорость постоянной на различ ных номинальных уровнях, соответствующих зафиксированно му положению упора. Чем выше зафиксирован упор, т.е. чем сильнее первоначальная затяжка пружины, тем выше номи нальный уровень ик. Такие регуляторы, которые можно на страивать на различные скоростные режимы, называют все
режимными. Для установки нового скоростного режима до статочно перевести настроечную рукоятку HP в нужное поло жение (см. рис. 1.16). Всережимные регуляторы применяют на транспортных машинах (тепловозы, мощные тракторы и др.), но, конечно, не на двигателях электростанций, у которых настройка должна быть единственной.
Регуляторная характеристика Мдв(А,а;) двигателя, уп
равляемого |
всережимным регулятором, изображена на |
рис. 1.18, б. |
Она представляет собой семейство линий с пара |
метром А, определяемым настройкой регулятора. На регуля торную наложена характеристика Мс{и) потребителя механи ческой энергии. Как видно, в зависимости от зафиксированной настройки регулятора машина может работать на различных скоростных режимах и: u i, и>2 , и>з, и развивать как частичную, так и полную мощность.
Отметим, что есть системы автоматического действия, в которых настройка А не фиксируется на том или ином уровне, а непрерывно изменяется по некоторому закону А = А(/) (турбо генераторы на электростанциях к таким системам, естествен но, не относятся). Устройства с переменной настройкой А(£), являющейся их входной величиной, отслеживают ее изменение и соответственно отрабатывают нужный закон изменения вы ходной величины.
В качестве примера такой системы можно указать про мышленный робот, где выходной величиной является поло жение его руки. Она должна взять обрабатываемое изделие, находящееся на движущейся ленте транспортера, и, согласно технологическому графику, перенести его к следующему стан ку. Эта система отслеживает изменение входной величины — текущей координаты перемещающегося с лентой изделия, ве дет за ним руку робота (положение руки — выходная вели чина) и в нужный момент дает сигнал на захват и перенос изделия. Такие устройства называют системами автоматиче ского слежения и относят их к одному из видов программою управления.
Вернемся к системе автоматического регулирования ско рости. Регулятор, изображенный на рис. 1.16, называют ре гулятором прямого действия: он должен не только измерять
Рис. 1.19
отклонения Аи = и —шн регулируемой величины, но и пере мещать орган регулирования с тем, чтобы ликвидировать воз никшие отклонения. Измерение отклонений До; и перемещение поршня выполняет система, состоящая из насоса, пружины и самого поршня. Эта система, называемая чувствительным элементом ЧЭ, и образует регулятор прямого действия.
Далеко не всегда регулятор прямого действия может раз вивать силу, необходимую для перемещения органа регулиро вания. Тогда эту задачу выполняет специальный, достаточно мощный вспомогательный поршневой двигатель-сервомотор, обычно гидравлический. Чувствительный элемент ЧЭ, из меряющий отклонения Да;, передвигает только легкий золот ник 3, который управляет движением поршня сервомотора СМ (рис. 1.19). Систему золотник-сервомотор называют усилите лем, а регулятор в этом случае — регулятором непрямого дей ствия. Его чувствительный элемент имеет небольшие разме ры и малую массу, что благотворно влияет на динамику про цесса регулирования.
Вместе с тем усложнение конструкции регулятора может и лишить его способности приводить регулируемую величи ну а; к заданному постоянному значению и = ин = const, т.е. усложнение приведет к тому, что процесс регулирования бу дет несходящимся. Исправить это можно введением местной обратной связи.
Поршень сервомотора СМ (выходное звено усилителя) ки нематически связывается с золотником 3, т.е. с его входным звеном (линия 5 — 6 на рис. 1.19). Воздействие от выхо да 5 усилителя передается обратно на его вход 6. При этом
действие местной обратной связи обязательно осуществляет ся так, что она замедляет движение золотника, благодаря че му приток жидкости в сервомотор через золотниковые окна уменьшается. Управляющее действие золотника становится менее активным, а управляемое золотником движение поршня сервомотора, а следовательно, и открытие органа регулиро вания более сдержанными. Таким образом, местная обратная связь, идущая от поршня сервомотора СМ, противодействует перемещению золотника, т.е., подобно главной обратной связи, является по знаку отрицательной. Это и приводит к тому, что введение именно отрицательной местной обратной связи дела ет процесс регулирования сходящимся к конечному результа ту: и = = const.
Изучение сходимости и качества процесса регулирования, а также исследование взаимодействия элементов САР и дру гих свойств, присущих ей, выходит за пределы учебного курса «Теория механизмов и механика машин» и является предме том специальной науки — теории автоматического регулиро вания, которая зародилась в курсе механики машин, стала раз виваться и вышла за его пределы. В настоящее время она явля ется самостоятельной отраслью знаний, в которой изучаются любые САР независимо от физической природы регулируемой величины и инженерного назначения объекта регулирования.
Контрольные вопросы
1.Сформулируйте, что называется машиной. На примере любой маши ны покажите, что она обладает теми признаками, которые указаны в сформулированном определении.
2.Сформулируйте, что называется механизмом. Покажите на приме ре любого механизма, что он обладает теми признаками, которые указаны в сформулированном определении. Почему машина должна иметь в своем составе механизм?
3.Назовите примеры машин, момент которых зависит от скорости вра щения их вала. В функции какой переменной изменяется движущая сила двигателя внутреннего сгорания?
4.Какими полезными свойствами обладают электродвигатели с весьма жесткой механической характеристикой?
5.Как работает система автоматического регулирования скорости тур богенераторного агрегата? Какова цепь воздействий, которые в про цессе регулирования оказывают звенья этой системы друг на друга? В чем физически выражаются эти воздействия?