Файл: Диплом КУСТОВА 8.05.doc

В астатических системах по отношению к управляющему воздействию после окончания переходного процесса ошибка равна нулю.

Линейные и нелинейные САР.

САР подразделяют на линейные и нелинейные в зависимости от того, какую математическую модель выбирают при их исследовании (являются ли линейными или нелинейными дифференциальные, интегральные, дифференциально-разностные уравнения, которые применяют при их математическом описании).

Линейные и нелинейные системы подразделяют на следующие три класса: непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные. Непрерывные системы описываются дифференциальными уравнениями; дискретные—дифференциально-разностными, а дискретно-непрерывные — обоими видами уравнений. Каждый из этих трех классов подразделяют на подклассы:

стационарные системы с сосредоточенными параметрами;

стационарные системы с сосредоточенными и распределенными параметрами;

нестационарные, или переменные, системы с сосредоточенными параметрами;

нестационарные, или переменные, системы, с сосредоточенными нераспределенными параметрами.

Кроме того, системы (или их математические модели) каждого из классов и подклассов могут быть подразделены на детерминированные или статистические.

Математическую модель системы называют детерминированной, если приложенные к ней воздействия и параметры модели являются постоянными или детерминированными функциями переменных состояния и времени. Математическую модель системы называют статистической, если приложенные к ней воздействия и параметры модели являются случайными функциями или случайными величинами.

В зависимости от прохождения и характера сигналов системы автоматического регулирования могут подразделяться на непрерывные и дискретные, или прерывистые.

Если в процессе регулирования структура всех связей в системе остается неизменной, то такая система является системой непрерывного регулирования. Сигналы на выходе элементов такой системы являются непрерывными функциями воздействий и времени. Между элементами на входе и выходе системы существует непрерывная функциональная связь.

Системы прерывистого регулирования отличаются тем, что в них через дискретные промежутки времени происходит размыкание или замыкание цепи воздействий.

Системы прерывистого действия подразделяют на импульсные и релейные. В импульсных системах размыкание цепи воздействий производится принудительно и периодически специальным прерывающим устройством. В течение передачи импульсов процессы в этих системах протекают так же, как и в непрерывных САР. Импульсные системы содержат импульсные элементы и осуществляют квантование сигнала по времени. В системах релейного действия размыкание или замыкание цепи воздействия производится одним из элементов системы при непрерывном значении входного воздействия. Размыкание или замыкание осуществляется с помощью реле или элемента, имеющего релейную характеристику. Реле срабатывает при определенном значении воздействия на его чувствительный орган.

Релейные системы осуществляют квантование сигнала по уровню. Следует отметить, что существуют релейно-импульсные, или кодово-импульсные системы, в которых происходит квантование как по времени, так и по уровню.

К кодово-импульсным системам относятся системы, содержащие в контуре управления цифровые вычислительные машины (ЦВМ), или их элементы. Такие кодово-импульсные системы называют цифровыми. В зависимости от конструктивного выполнения САР подразделяют на электронные, электрические, электромеханические, пневматические, электрогидравлические и гидравлические.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ГИДРОПРИВОДОВ.

Жидкость гидропривода — его рабочий элемент, поэтому к ней предъявляются требования обеспечения прочности и долговечности. Она, как и всякий иной конструктивный элемент, подвержена механическому и химическому разрушению (деструкции), имеет ограниченный срок службы, причем последний во многом зависит от типа жидкости, условий и режима эксплуатации. Помимо этого жидкость служит смазывающим материалом (должна обеспечивать смазку мехнизмов гидропривода), а также охлаждающей средой.

В качестве рабочих жидкостей в гидросистемах станков применяют минеральные масла, изготовленные на нефтяной основе как с присадками, так и без них, а также синтетические жидкости, основу которых составляют эфиры, кремний- и фтороуглеродистые полимеры. Иногда, в частности для гидроприводов кузнечно-прессовых машин, используют масляно-водные эмульсии.

Существуют два вида присадок для жидкости: 1) изменяющие химические свойства основы — антиокислители и ингибиторы коррозии; 2) изменяющие физические свойства — вязкость, температуру застывания, смазочные способности и др.

Контроль за состоянием жидкости в процессе эксплуатации ведут по стабильности химического состава и вязкости, по уровню загрязнения.

Стабильность состава характеризуется постоянством содержания водорастворимых кислот, осадков, соответствующим кислотным числом. Под кислотным числом подразумевают количество КОН (едкого кали) в миллиграммах, необходимое для нейтрализации свободных кислот в одном грамме масла. Само по себе кислотное число о пригодности жидкости к дальнейшей эксплуатации не свидетельствует. Чтобы оценить работоспособность жидкости, надо знать величину, на которую оно изменилось. В свежем минеральном масле, например, кислотное число составляет 0,1...0,2 мг КОН. Жидкость считается непригодной к эксплуатации, если кислотное число достигнет значений 4... ...5 мг КОН.

Окисление масел кислородом воздуха, молекулярно-структурные изменения в них от воздействия меняющихся давлений и температур, электрогальванические процессы, возникающие из-за различия электрических зарядов на смачиваемых поверхностях деталей, изготовленных из разнородных материалов, и ряд других факторов являются причинами старения жидкости. Этот процесс сопровождается изменением вязкости и однородности жидкости, ухудшением ее смазывающей способности, образованием осадков, а также усиливает коррозионные процессы деталей элементов гидропривода. В практике принято заменять рабочую жидкость в гидросистеме, если ее вязкость в процессе эксплуатации изменилась по сравнению с первоначальной на 20... ...25%.

Загрязнение масла частицами органического и неорганического происхождения размерами более 200 мкм не допускается.

В гидроприводах машин, предназначенных для работы в ста­бильных температурных условиях, обычно применяют рабочие жид­кости минерального происхождения с диапазоном вязкости при темпе­ратуре 50 °С примерно 10—40 сСт, а именно: трансформаторное, веретенное АУ, индустриальное, тур­бинное и другие масла. Применение ме­нее вязких жидкостей приводит к уве­личению утечек, а более вязких — к увеличению гидравлических потерь.

Для работы в условиях широкого температурного диапазона от 333 до 213 К (±60 °С) применяют специаль­ные смеси минеральных масел, обеспе­чивающих вязкость в диапазоне темпе­ратур от 320 до 220 К (±50 °С) в пре­делах от 10 до 1200 сСт. Этим требованиям отвечает масляная смесь АМГ-10.

Для работы при температурах около 450—500 К (180—230 °С) применяют синтетические жидкости на кремнийорганической основе. Последние годы из-за увеличивающегося дефицита нефтепродуктов " и стремления к использованию негорючих материалов все более широкое применение в гидросистемах находят водомасляные эмульсии и синтетические негорючие жидкости на водяной основе. Используя такие материалы, надо учитывать их повышенную склонность к де­струкции, коррозионную и кавитационную активность. Как пра­вило, при этом

следует снижать рабочие давления р и частоту вра­щения п гидромашин в 1,5—2 раза.

В практике часто используют понятия относительный удельный вес и относитель­ная плотность, являющиеся безразмерными величинами. Первая характеризует отношение удельного веса жидкости, взятой при определенной температуре, к удельному весу ди­стиллированной воды при температуре около 4 °С и нормальном атмос­ферном давлении, вторая — отношение плотностей исследуемой жи­дкости и дистиллированной воды.

Плотность часто называют характеристикой инерционности жи­дкости, поскольку она определяет значения ударных явлений в замк­нутых объемах, а также сопротивления перемещению жидкости с раз­личными ускорениями.

Вязкость жидкостей. Силы поверхностного натяжения жидкостей. При движении реальных жидкостей различные слои потока имеют раз­ные скорости перемещений В 1686 г. И. Ньютон высказал предположение, что разность в скоростях перемещений слоев жидкости вызвана наличием между ними сил Р внутреннего трения, которые прямо пропорциональны скорости относительного движения слоев и площади соприкосновения.

Динамическая вязкость равна силе трения, приходя­щейся на единицу поверхности соприкасающихся слоев жидкости, градиент скорости которых равен единице. Числовое значение коэф­фициента вязкости выражается в паскаль-секундах (Па • с).

Изучая характер движения жидкости, принимают во внимание, наряду с вязкостью, и ее инерционность. Отношение динамической вяз­кости к плотности жидкости называют кинематической вязкостью. В СИ кинематическую вязкость измеряют в квадратных метрах в секун­ду (м²/с). Известно из опыта, что на поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать объ­ему жидкости сферическую формуй вызывающие некоторое дополни­тельное давление в объеме. Заметно это давление лишь в малых объ­емах (каплях) жидкости.

Это дополнительное давление вызывает подъем жидкости в трубах малого диаметра.

Влияние температуры и давления на характеристики рабочих жи­дкостей В процессе эксплуатации гидросистем жидкость подвергает­ся воздействию нагрева и охлаждения, меняющихся давлений. Это существенно изменяет ее характеристики.

Влияние температуры. Повышение температуры уве­личивает объем большинства рабочих жидкостей. Эта зависимость ха­рактеризуется температурным коэффициентом объемного расшире­ния, который равен отношению относительного изменения иссле­дуемого объема к изменению температуры Т при постоянном давлении

Практика показывает, что температурный коэффициент объемно­го расширения зависит от природы жидкости и ее исходной плот­ности. Нагревание жидкости, находящейся в закрытой жест­кой емкости (резервуаре, силовом цилиндре и так далее), может привести к возникновению недопустимо высоких давлений. Для предотвращения таких аварийных ситуаций в гидросистемах устанавливают гидро­аппараты управления давлением жидкости.

С повышением температуры уменьшается вязкость капельных жидкостей. Обычно эта зависимость выражается эмпирическими фор­мулами, используя которые, можно получить близкие к эксперимен­тальным значения коэффициентов вязкости.

Считается, что жидкость пригодна для эксплуатации, если ее вяз­кость в диапазоне температур ±50 °С изменяется не более чем в 100 раз.

Влияние давления. Реальные рабочие жидкости (ка­пельные) в отличие от «идеальных» с увеличением давления умень­шают первоначально занимаемые ими объемы. Для объемного гидро­привода эффект сжимаемости жидкости — явление, как правило, от­рицательное, так как не позволяет реально использовать энергию, затраченную на ее сжатие.

Степень сжатия жидкости зависит от ее природы. Так, у воды она незначительна, а у жидкостей, являющихся продуктами перегонки нефти или полученных синтезом, достигает весьма больших зна­чений.

Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объем­ного сжатия р, равного отношению относительного изменения ее объ­ема к изменению давления при постоянной температуре.

Величину Е_ж, обратную коэффициенту объемного сжатия, называют объемным модулем упругости жидкости

Объемный модуль упругости жидкости Е_ж зависит от ее физической природы, температуры, давления и количества растворенного возду­ха, что вызывает трудности при аналитическом определении значений Е_ж. Особенно сказываются на значениях Е_ж тепловые условия, при которых происходит сжатие. В связи с этим находят изотермиче­ский и адиабатический модули упругости.

Поскольку в объемных гидроприводах тепловое процессы проте­кают значительно медленнее, чем процессы изменений давлений, то под объемным модулем упругости, как правило, подразумевают адиа­батический модуль упругости. Значение его определяют эксперимен­тально.

С увеличением давления коэффициент объемного сжатия жи­дкостей уменьшается, а модуль упругости повышается. Отмечается при этом неравномерность изменения упомянутых характеристик с возрастанием давления. Наиболее интенсивно объемный мо­дуль упругости повышается при сравнительно низких давлениях — до 100...120 МПа. В общем случае для маловязких жидкостей объемный модуль упругости при атмосферном давлении и 20 °С составляет не более 135 МПа, вязких — 170 МПа.

Увеличение давления изменяет вязкость жидкости, что особенно заметно при высоких давлениях. Так, при росте давления от 0 до 150 МПа вязкость повышается в среднем в 15 раз, а при росте его от 0 до 200 МПа — в 50... 1000 раз. Большинство минеральных масел затвердевает при давлениях около 2500 МПа и температуре 20 °С, вода —при 840 Мпа.

Газы в жидкостях. Кавитация. Рабочие жидкости, применяемые в гидравлическом приводе, обладают способностью растворять в себе газы, в том числе и воздух.

Как показывает практика, пузырьки газа (пара) размером менее 10 мкм на поверхность не всплывают, а задерживаются в толще жидкости, оседают на стенках каналов, заполняют микротрещины де­талей гидросистемы. Когда давление меняется, количество пузырьков также изменяется, одновременно происходит их деформация, сопро­вождающаяся локальным выделением тепла и, следовательно, местным в микрообъеме повышением температуры жидкости.

Явление, связанное с выделением газа (пара) из жидкости в зонах низкого давления и последующим разрушением (конденсацией) этих пузырьков при повышении давления, т. е. образование в жидкости полостей с газом (паром), называют кавитацией. Кавитационные яв­ления, характеризующиеся гидравлическими микроударами и локаль­ными повышениями температуры, становятся причиной разрушения элементов гидроагрегатов. Такие разрушения носят форму эрозионных раковин, рыхлостей поверхностей трубопроводов и других устройств гидравлических систем. Кавитация, механизм ее действия и в настоя­щее время детально изучаются.

Теплоемкость и теплопроводность жидкостей. Рабочие жидкости, как и другие физические тела, характеризуются удельной теплоемко­стью и теплопроводностью, которые определяют интенсивность про­цесса поглощения и отвода от них избыточного тепла.

В практике расчетов гидравлических объемных систем наиболее часто используют удельную теплоемкость с, с помощью которой опре­деляют количество теплоты, затрачиваемой на нагревание на 1 °С одного килограмма жидкости. Для рабочих жидкостей, применяемых в гидросистемах станков

Под теплопроводностью понимают процесс переноса энергии теп­лового движения частиц от более нагретых частей тела (жидкости) к менее нагретым, вследствие чего температура всей массы тела вырав­нивается. Скорость передачи тепла

внутри тела характеризуется ко­эффициентом теплопроводности X. В практике станкостроения максимальные температуры нагрева рабочих жидкостей допускаются не выше 70 °С.