6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Для проведения энергетического расчета гидравлического привода необходимо располагать механическими и нагрузочными характеристиками.

В общем случае момент нагрузки на гидравлический привод можно записать

Первое слагаемое — это составляющая момента, зависящая от скорости. Второе слагаемое представляет собой ту часть момента нагрузки, которая не зависит от выходной координаты привода и ее производных (регулярная или случайно изменяющаяся нагрузка). В свою очередь момент состоит из линейно и нелинейно зависящих от скорости моментов Линейная функция может быть записана в операторной форме:

где — линейный оператор нагрузки с постоянными или переменными параметрами.

С помощью оператора возможно учесть инерционную и позиционную нагрузки, а также вязкое трение, т. е.

где — момент инерции, включающий вращающиеся части гидродвигателя и приведенную к его валу внешнюю инерционную нагрузку;

— коэффициент вязкого трения;

С — коэффициент позиционной (пружинной или шарнирной) нагрузки.

Функция учитывает сухое трение и прочие нелинейные составляющие нагрузки, зависящие от выходной координаты гидравлического привода и ее производных. Кроме внешней нагрузки, момент учитывает трение и гидравлические сопротивления в самом гидродвигателе [8].

Аналитическое описание перечисленных составляющих нагрузки сложно и не всегда возможно. Точный расчет механических характеристик гидравлических или электрогидравлических приводов также затруднителен, поэтому для проверки энергетического расчета приводов желательно располагать экспериментальными данными.

Рис. XIV.ll. Экспериментальные установки для исследования энергетических характеристик гидроприводов: а — для определения нагрузочных диаграмм; б — для получения механических характеристик; 1 — управляющее устройство; 2 — электрогидравлический усилитель; 3 — гидродвигатель; 4 — редуктор; 5 — регулируемый объект; 6 — датчик перепада давлений; 7 — тахогенератор; 8 — осциллограф; 9 — трубопроводы

Для получения нагрузочных характеристик в координатах скорость — нагрузка система (рис. XIV. ll,а), включающая электрогидравлический усилитель 2, гидродвигатель 3 вращательного движения, редуктор 4 и регулируемый объект 5 должна иметь тахогенератор 7 и датчик 6 перепада давлений в трубопроводах 9. Использование датчика перепада давлений вместо датчика для непосредственного измерения момента нагрузки на выходном валу гидродвигателя позволяет учесть собственные потери давления в гидродвигателе, которые в некоторых режимах работы привода оказываются соизмеримыми с внешней нагрузкой. Применение датчика перепада давлений целесообразно также и потому, что в паспортных данных гидромашин номинальные и предельные режимы работы обычно характеризуются рабочими и перегрузочными давлениями.

Типовые, а также наиболее тяжелые режимы работы привода задаются управляющим устройством Сигналы с датчика перепада давлений и тахогенератора, поступающие соответственно в каналы горизонтальной и вертикальной разверток осциллографа 8, позволяют наблюдать и регистрировать нагрузочные диаграммы.

На рис. XIV. 12, а показана расчетная нагрузочная диаграмма 1 при синусоидальном движении выходного вала гидродвигателя, полученная в результате одновременного действия инерционной нагрузки (эллипс 2) и момента трения (прямые 3).

Диаграммы 1, 2, 3 получаются при совместном решении зависимостей скорости и нагрузки путем исключения времени Там же приведены предельные механические характеристики 4 привода. Экспериментальные нагрузочные диаграммы, полученные на установке, изображенной на рис. XIV.11, а, приведены на рис. XIV.12, б-г.

На осциллограммах (рис. XIV.12, б) показано изменение нагрузочной характеристики при переходе с квазистических на динамические режимы работы. Первая из этих осциллограмм соответствует режиму отработки синусоидального воздействия, изменяющегося с частотой Гц. При таком медленном изменении входного сигнала нагрузка определяется в основном сухим трением. С увеличением частоты (вторая и третья осциллограммы на рис. становится заметным влияние инерционной нагрузки, которая приводит к появлению эллипса, как бы разрезанного на две сдвинутые части в результате одновременного действия сил сухого трения. Приведенные осциллограммы по форме достаточно близки к расчетной нагрузочной характеристике 1 (рис. XIV. 12, а).

Трансформация эллипса нагрузки с ростом частоты отрабатываемого синусоидального сигнала от 1 до 8 Гц при работе привода без реверса на линейном участке статической характеристики показана на осциллограммах рис. XIV. 12, в. В этом режиме входной сигнал не меняет свой знак, а изменяется только его величина. Момент сухого трения также не меняет знак и остается практически постоянным по величине. На осциллограммах рис. XIV.12, в заметен наклон вертикальной оси эллипса, что свидетельствует о наличии, кроме инерционной нагрузки и сухого трения, также и вязкого трения.

На каждой из трех осциллограмм рис. XIV. 12, г показано несколько нагрузочных характеристик, полученных при различных фиксированных или непрерывно изменяемых значениях частоты управляющего сигнала привода в режимах с реверсированием скорости. В отличие от осциллограмм рис. XIV. 12, в здесь заметно влияние нагрузки типа сухого трения. Подобные осциллограммы позволяют выявить область возможных значений скоростей и нагрузок, имеющих место в рабочих режимах. Границу этой области следует рассматривать в качестве предельной нагрузочной характеристики, позволяющей оценить максимальную необходимую мощность привода.

При воспроизведении малых медленно изменяющихся управляющих сигналов, когда привод работает с минимальными скоростями вблизи зоны нечувствительности, основное значение имеют нагрузки, вызываемые различными видами трения, а также динамические нагрузки, связанные с неустойчивостью движения в этой области. Трение, как правило, не поддается расчету и наиболее достоверные результаты. даже для элементарных кинематических пар находят экспериментальным путем. В отличие от широко применяемого способа

определения характеристик по отдельным точкам, соответствующим фиксированным значениям аргумента, рассматриваемый метод непрерывного изменения аргумента, кроме количественной оценки момента нагрузки, позволяет исследовать динамику движения привода в области малых скоростей, когда при реверсе и трогании имеют место нелинейные колебания.

Рис. XIV. 12. (см. скан) Нагрузочные диаграммы: а — расчетные (характеристики 1, 2, 3); б, в, г — экспериментальные при различных частотах управляющих воздействий

Механические характеристики электрогидравлического привода, в том числе и предельные, могут быть определены на установке, схема которой показана на рис. XIV.11, б. Здесь в качестве следящего нагружающего устройства используется однотипный с исследуемым электрогидравлический привод, хотя возможно применение привода и другого типа, включая электрический. Обозначения на рис. XIV.ll, б те же, что и на рис. XIV.11, а.

Если на вход нагружающего привода от управляющего устройства 1 непрерывно поступает медленно изменяющийся сигнал, пропорциональный задаваемой нагрузке, то при постоянном открытии дросселирующего проходного сечения в гидроусилителе исследуемого привода можно наблюдать и регистрировать на осциллографе 8 механические характеристики исследуемого привода. При этом в качестве сигнала обратной связи по нагрузке используется перепад давлений в полостях исследуемого, а не нагружающего привода.

Рис. XIV. 13. Экспериментальные характеристики: а — механические; б, в — совмещенные механические характеристики и нагрузочные диаграммы

Это исключает необходимость коррекции управляющего сигнала для учета потерь в нагружающем приводе.

На первой осциллограмме (рис. XIV. 13, а) показаны механические характеристики электрогидравлического привода, полученные на описанной выше установке при четырех различных значениях смещения золотника исследуемого привода, включая два крайних от нейтрали положения. На вход нагружающего привода подавался сигнал типа равнобокой треугольной «пилы» с амплитудным значением, соответствующим максимальному перепаду давления.

На осциллограммах (рис. XIV. 13, а) траектории изображающей точки близки к механическим характеристикам дроссельного гидропривода, приведенным, например, в работе [3] и полученным при дискретных значениях нагрузки лишь в I и III квадрантах. Установка, показанная на рис. XIV.ll, б, позволяет определять механические характеристики во всех четырех квадрантах плоскости , соответствующих как двигательным, так и насосным режимам работы привода. Возможности установки не исчерпываются определением механических характеристик. Она может использоваться для анализа влияния нагрузки на характеристики замкнутых гидравлических систем регулирования скорости или положения, а также при синтезе систем, инвариантных к нагрузке.

На второй и третьей осциллограммах (рис. XIV. 13, б, в) совмещены нагрузочные диаграммы (кривые I, II) и механические характеристики привода, полученные описанным выше способом. Несимметричная нагрузочная диаграмма I на второй осциллограмме приближается к предельной механической характеристике, что не позволяет форсировать привод по скорости при движении в верхней части плоскости . Взаимное расположение нагрузочных диаграмм (кривые I, II) и механических характеристик привода на третьей осциллограмме показывает, что энергетические возможности привода используются далеко не полностью. Подобные осциллограммы позволяют уточнить результаты энергетического расчета и при необходимости внести обоснованные коррективы.

Рассмотренная методика энергетического расчета и экспериментального исследования энергетических характеристик электрогидрав-лических сервомеханизмов в основном может быть применена и при разработке сервомеханизмов других типов, так как использовавшиеся здесь понятия «механическая характеристика», «пусковой момент», «скорость холостого хода», «нагрузочная характеристика» и др. являются общими для всех следящих приводов, независимо от их принципа действия.

В частности, схемы экспериментальных установок на рис. XIV. 11 могут быть использованы не только для исследования гидропривода, но и для пневматического и газового привода, где аналогом момента или усилия также является перепад давлений в рабочих полостях исполнительного двигателя. Применительно к электроприводу постоянного тока в этих схемах датчик перепада давлений следует заменить на датчик тока якоря исполнительного двигателя.

Следует отметить, что для всех типов сервомеханизмов при выборе силовых элементов, управляющего и исполнительного, следует отдельно оценить и согласовать не только их энергетические, но и регулировочные (статические и динамические) характеристики.