3. НАГРУЗОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Нагрузка на гидравлический привод в общем случае представляет собой случайную функцию времени и ряда других переменных, характеризующих условия работы привода, и может быть записана в виде суммы двух составляющих. Первая из них представляет собой функцию выходной координаты привода или координаты объекта и ее производных. Сюда относятся моменты или силы от несбалансированных масс, пружинные нагрузки или так называемые шарнирные моменты, сухое и вязкое трение, нагрузки типа вентиляторного момента, инерционная нагрузка. Перечисленные нагрузки возникают не только из-за движения присоединенного к приводу объекта управления с кинематическим передаточным механизмом, но и из-за движения самого гидродвигателя и рабочей жидкости.

Последнее обстоятельство определяет потери энергии на собственное движение привода. В ряде случаев гидродвигатель наряду с движением, заданным управляющим сигналом, в силу своих конструктивных особенностей генерирует паразитные движения, которые приводят к дополнительным потерям энергии (например, пульсация скорости аксиально-поршневого гидромотора, возникающая из-за ограниченного количества поршней и наличия кардана между блоком цилиндров и выходным валом).

Вторая составляющая передается на привод в результате воздействия внешних, чаще всего случайных, силовых возмущений на объект управления или в результате изменения в процессе функционирования объекта его некоторых параметров: массы или момента инерции, трения и т. д.

Для оценки мощности, необходимой для перемещения объекта или его регулирующего органа, и для сравнения ее с располагаемой мощностью используются нагрузочные характеристики, отражающие взаимосвязь между скоростью движения объекта и соответствующим этой скорости моментом или усилием.

На рис. XIV.6 приведены типовые нагрузочные характеристики некоторых видов нагрузок, относящихся к первой группе. Режиму движения с постоянной скоростью при постоянной нагрузке соответствует фиксированная точка (например, точка А на рис. XIV.6, а).

Сухое трение обычно представляется в виде

где — постоянная или возрастающая при уменьшении скорости величина (рис. XIV.6, а).

На рис. XIV. 6, б показаны нагрузочные характеристики, определяемые зависимостью

где — коэффициент пропорциональности;

k — показатель степени при скорости .

В частном случае при имеет место вязкое трение, при — квадратичное сопротивление, или так называемый вентиляторный

момент. В других конкретных случаях возможны иные, в том числе и дробные значения показателя к.

При испытаниях сервомеханизмов в качестве тестового режима часто используются синусоидальные законы движения.

Рис. XIV.6. Нагрузочные диаграммы: а — характеристики сухого трения; б — характеристики нагрузок вида ; в — инерционные нагрузки; г — сухое и вязкое трение, д — сухое трение и инерционная нагрузка; е — сухое и вязкое трение и инерционная нагрузка

Если нагрузка инерционная, то при движении объекта по синусоидальному закону нагрузочные характеристики имеют форму эллипсов (рис. XIV.6, в), трансформирующихся в зависимости от амплитудных значений скорости и ускорения (или момента нагрузки в соответствии с выражением

где — момент инерции подвижных частей объекта;

— частота синусоидальных колебаний выходного вала.

В общем случае нагрузка на гидравлический привод представляет собой комбинацию рассмотренных составляющих. Некоторые из возможных комбинаций показаны на рис. XIV.6, г—е.

Характеристика на рис. XIV.6, г соответствует случаю, когда на привод одновременно действуют нагрузки типа сухого и вязкого трения; на рис. XIV.6, д — инерционная нагрузка и сухое трение; на рис. XIV.6, е — инерционная нагрузка, сухое и вязкое трение. Результирующие нагрузочные характеристики получаются путем суммирования элементарных составляющих. При этом следует иметь в виду, что нагрузочные характеристики от типа привода не зависят и определяются лишь внешней нагрузкой и ее свойствами. Исключение представляют случаи, когда в форме нагрузочных характеристик заданы собственные потери энергии в приводе.

Имея заданную в виде графика или выраженную аналитически нагрузочную характеристику, можно найти необходимую для энергетического расчета функцию необходимой мощности . В частном

случае, когда нагрузочная характеристика задана в форме эллипса, функция необходимой мощности имеет вид

а максимум ее имеет место при

и составляет

Следует отметить принципиальное отличие энергетического расчета следящих приводов от приводов других типов, заключающееся в том, что наряду с учетом тепловых режимов [6] и максимальных скоростей, моментов или усилий, необходимо обеспечить постоянное превышение располагаемой мощности привода над необходимой при всех возможных значениях скоростей и моментов.

Рис. XIV.7. Совмещенные энергетические характеристики: 1 — механическая характеристика гидропривода с дроссельным управлением; 2, 3 — нагрузочные диаграммы; 4 — располагаемая мощность привода; 5, 6 — потребные мощности

Это может быть пояснено с помощью рис. XIV.7, где показаны в качестве примера предельная механическая характеристика гидравлического привода с дроссельным управлением (кривая 1) и две нагрузочные характеристики (кривые 2 и 3), построенные в тех же координатах. В случае нагрузки, представленной кривой 2, максимальное значение необходимой мощности (кривая 5) близко к максимуму располагаемой мощности привода (кривая 4). При этом энергетические возможности привода достаточны, чтобы преодолеть нагрузку на любом из участков нагрузочной характеристики 2 (механическая характеристика привода при всех значениях момента лежит выше нагрузочной характеристики). В случае нагрузочной характеристики вида кривой

3 максимум потребной мощности (кривая 6) значительно меньше максимума располагаемой мощности, но на участке возможно превышение допустимых ошибок слежения, так как энергетические возможности привода на этом участке ниже требуемых. Поэтому такие понятия, как «номинальная мощность привода» и «осредненная необходимая мощность» при расчете сервомеханизмов используются в меньшей степени, чем при расчете приводов, работающих в длительных установившихся режимах. При энергетическом расчете сервомеханизмов, в том числе и электрогидравлических, на первый план выдвигается сопоставление текущих значений необходимой и располагаемой мощностей.