Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Описание механической передачи

В состав гидравлической передачи входят аксиально-поршневой насос TFH-080 фирмы Takako и поворотный гидродвигатель.

Для определения КПД гидроквадранта необходимо рассчитать утечки по зазорам между сопрягаемыми деталями. Схема для расчета утечек показана на рис. 17.

17.tif

Рис. 17. Схема для расчета утечек в гидроквадранте

Красным цветом показаны полости с высоким давлением, синим – полости с низким давлением. Выноской 1 обозначен поворотный разделяющий элемент, выноской 2 – корпус с секторами. Утечка жидкости происходит в радиальных зазорах Δ1 и Δ2, а также в торцевых зазорах Δ3 (показано белыми пунктирными стрелками). Ширина рабочей камеры квадранта равна B.

Величина утечки в малом зазоре может быть рассчитана по формуле:

072.wmf (15)

где Δp –

перепад давлений, под которым происходит утечка;

B –

ширина зазора;

Δ –

величина зазора;

μ –

динамический коэффициент вязкости рабочей жидкости;

L –

длина зазора.

Утечка в зазоре Δ1 определяется следующим образом:

073.wmf (16)

Утечка в зазоре Δ2 определяется следующим образом:

074.wmf (17)

В зазоре Δ3 ширина переменная, поэтому необходимо проинтегрировать:

075.wmf (18)

Перепад давлений в полостях определяется моментом на выходном валу (обозначения величин приведены на рис. 17):

076.wmf (19)

Расход жидкости через гидродвигатель зависит от скорости вращения выходного вала:

077.wmf (20)

КПД насоса взят из заявленным производителем характеристик [38]. На рис. 18 точками показаны табличные данные, а сплошной линией – их аппроксимация степенной функцией.

Целесообразно применить регулируемый насос для достижения плавного изменения суммарного передаточного отношения. В этом случае нужно ввести величину – параметр регулирования:

078.wmf (21)

где V0 –

текущий рабочий объем насоса;

V0max –

максимальный рабочий объем насоса.

18.tif

Рис. 18. КПД насоса

С учетом параметра регулирования и КПД насоса выражение для момента на валу насоса запишется следующим образом:

079.wmf (22)

Скорость вращения вала электродвигателя равна скорости вращения вала насоса и определяется необходимой подачей гидродвигателя и утечками:

080.wmf (23)

где ηоб – объемный КПД насоса.

Электродвигатель был описан выше соотношениями (7)–(12).

Суммарный КПД передачи запишем в виде:

081.wmf (24)

На рисунках представлены поля характеристик при значениях параметра регулирования ε = 1, ε = 0,75 и ε = 0,32, что соответствует передаточным отношениям i = 6, i = 9, i = 21.

19.tif

Рис. 19. Поле характеристик при ε = 1

20.tif

Рис. 20. Поле характеристик при ε = 0,75

21.tif

Рис. 21. Поле характеристик при ε = 0,32

Анализируя представленные на рис. 14, 15, 16, 19, 20, 21 характеристики, можно сделать вывод, что в целом гидравлическая передача несколько уступает по КПД (на величину до 10 %) механической в области малых моментов и примерно равна ей в области больших моментов.

В робототехнике нередки проблемы, связанные с заклиниванием каких-либо устройств в процессе передвижения, что ведет к резкому возрастанию усилия на исполнительном механизме. Так же возможна иная ситуация, когда необходимо без нагрузки быстро переместиться до какого-либо объекта, выполнить операции с высокой нагрузкой, и без нагрузки вернуться в исходное положение. Для подобных задач с использованием механического редуктора одним из вариантов решения будет установка электродвигателя заведомо более мощного, способного перекрыть весь диапазон нештатных моментов и скоростей, которые не требуются в номинальном режиме работы привода. Вторым вариантом будет установка после редуктора коробки передач, что еще сильнее снизит КПД системы и существенно увеличит ее габаритные размеры и массу. Этого недостатка лишена гидравлическая передача на основе регулируемого насоса. При этом габаритные размеры нерегулируемого и регулируемого насоса мало отличаются друг от друга [23]. Изменяя рабочий объем насоса Vн0 можно быстро и плавно менять передаточное отношение электрогидравлической передачи, что существенно расширит диапазон рабочих режимов. На рис. 22 представлены графики выходной мощности в координатах частота вращения и момент на входном валу гидропередачи. На рис. 22(а) видно, что рабочий диапазон передачи с одним передаточным числом (область, заштрихованная синим цветом) ограничен максимальным значением частоты вращения и максимальным моментом, которые определяются величиной коэффициента редукции, и максимальной мощностью электродвигателя. На рис. 22(б) представлены области, для двух значений коэффициентов редукции: высокого (зеленая область) и низкого (оранжевая область). Это наглядно демонстрирует расширение рабочего диапазона передачи с переменным значением коэффициента редукции, по сравнению с постоянным.

22_1.wmf 22_2.wmf

а б

Рис. 22. Диапазон рабочих режимов для:
а – привода с неизменяемым передаточным отношением;
б – привода с изменяемым передаточным отношением

В случае гидравлической передачи изменение передаточного числа можно осуществлять нижеописанными способами.

Для случая в котором необходимо ограниченное количество передаточных чисел гидропередачи и регулирование осуществляется дискретными приводами, в системе управления можно менять коэффициент kгп в соответствии с управляющими воздействием (рис. 23). К примеру, если в системе необходимо только два варианта передаточного числа, и они определяются включением и отключением электромагнита, то при включении электромагнита можно в системе управления установить одно значение коэффициента kгп, а отключению – другое. Если известно время переходного процесса изменения рабочего объема насоса, то можно производить изменения коэффициента kгп с задержкой на величину времени этого переходного процесса.

Если в гидропередаче необходимо ограниченное количество передаточных чисел гидропередачи, но изменения осуществляются пропорциональным приводом, необходимо установить соответствующее количество концевых выключателей, которые будут сигнализировать о необходимости изменения коэффициента kгп (рис. 24).

Для гидропередачи, в которой рабочий объем насоса может принимать любое значение в пределах диапазона регулирования необходимо устанавливать датчик, который будет непрерывно его контролировать (рис. 25).

23.wmf

Рис. 23. Управление рабочим объемом насоса
при помощи дискретного привода

24.wmf

Рис. 24. Управление рабочим объемом насоса с помощью линейного привода с ограниченным количеством занимаемых позиций

25.wmf

Рис. 25. Управление рабочим объемом насоса с помощью линейного привода

По всем перечисленным причинам для малогабаритной робототехники целесообразно использовать гидравлическую передачу.

При борьбе за проценты КПД необходимо снижать количество трущихся поверхностей. В случае гидравлической передачи можно поместить электродвигатель и насос в один корпус, а лишние уплотнения (например, уплотнения вала насоса и вала электродвигателя) убрать. При этом электродвигатель будет погружен в гидравлическое масло. В этом случае все системы подвода и отвода энергии (электрические и гидравлические линии) будут неподвижными, что
существенно облегчает их герметизацию. Если при этом еще организовать постоянное обтекание корпуса электродвигателя гидравлическим маслом, то, при правильном расчете и организации теплообмена, это будет эффективным методом отвода теплоты от обмоток электродвигателя, что позволит электродвигателю дольше работать в режимах, превышающих номинальный. Проблема отвода теплоты от электродвигателя и механического редуктора является серьезным недостатком механической передачи. Она особо сильно возникает в малогабаритных системах [30]. Следствием погружения электродвигателя в гидравлическое масло будет требование устойчивости датчика угла поворота вала электродвигателя к погружению в гидравлическую жидкость. В этом случае в качестве датчика угла поворота вала электродвигателя лучше всего подойдет резольвер (СКВТ). Кроме того, для снижения сил вязкого трения, возникающих в результате вращения ротора электродвигателя в гидравлическом масле, следует снижать частоту вращения ротора. Это является еще одним доводом к тому, чтобы снижать передаточное число.

Значение передаточного отношения гидропередачи можно получить из уравнения баланса расходов [23]

Qн = Qгм + Qут + Qпер, (25)

где Qн –

объемная подача насоса;

Qгм –

теоретический расход гидромотора;

Qут –

суммарные утечки насоса и мотора;

Qпер –

суммарные перетечки насоса и гидромотора.

Объемную подачу насоса можно рассчитать по следующей формуле

Qн = Vн0∙nн, (26)

где Vн0 –

рабочий объем насоса;

nн –

частота вращения вала насоса.

Теоретический расход гидромотора выражается формулой:

Qм = Vм0∙nм, (27)

где Vм0 –

рабочий объем гидромотора,

nм –

частота вращения вала гидромотора.

Теперь, если подставить выражения (26) и (27) в выражение (25) и сделать некоторые преобразования, получим

082.wmf

где iгп – передаточное отношение гидропередачи.

Из этого выражения видно, что утечки уменьшают передаточное число гидропередачи на некоторую величину, которая, в общем случае, зависит от давления в гидросистеме и скоростей вращения валов гидроагрегатов. Таким образом передаточное число может меняться в зависимости от режима работы гидравлической передачи. В связи с этим, нет возможности однозначно установить положение вала электродвигателя по положению вала гидромотора и наоборот. Угловое положение вала вентильно-индукторного электродвигателя необходимо знать для возможности управления им в векторном режиме управления. Такой принцип управления подобным двигателем позволяет значительно поднять его КПД и, как следствие, КПД всей передачи. В связи с этим невозможно установить датчик угла поворота только на один элемент, а угловое положение второго вычислять по значению первого. Необходимо устанавливать датчик угла поворота как на вал электродвигателя, так и на выходной вал гидро-
мотора (рис. 26).

26.wmf

Рис. 26. Схема установки датчиков угла на гидропередачу

В этом случае датчик угла поворота вала электродвигателя будет использоваться в системе управления двигателем, а датчик угла поворота вала гидромотора будет замыкать главную обратную связь привода.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074