Леонов И.В., Леонов Д.И. Теория машин и механизмов

Подождите немного. Документ загружается.

1.2. Функциональные элементы машинного агрегата

зующую энергию отходящих газов, и компрессор, кото-

рый сжимает воздух, поступающий в цилиндр ДВС.

Преимущества дизельного ДВС:

автономность, так как используется энергия жидкого •

топлива;

высокая экономичность расхода топлива;•

надежность и хорошее соотношение•

мощность

вес

;

В настоящее время получают распространение дизель-

электрические агрегаты (ДЭА) – комбинированные двига-

тели, обладающие повышенной экономичностью на неуста-

новившихся режимах работы за счёт рекуперации энергии

при торможении.

Бензиновый ДВС имеет меньшие массу и стоимость по

сравнению с дизелем, но экономичность его ниже. Наиболее

экономичным тепловым двигателем является дизельный

ДВС, максимальный КПД которого достигает 0,35. Энер-

гетический баланс дизеля, характеризующий распределе-

ние энергии топлива, показан на рис. 1.10. Площадь круга

диаграммы пропорциональна химической энергии топлива,

принимаемой за 100%, а площади отдельных сегментов –

долям использования этой энергии топлива.

15%

25%

35%

– КПД или доля полезной мощности на валу ДВС;

– доля потерь тепла с отходящими газами (ОГ);

– доля потерь тепла в системе охлаждения;

–

доля энергии, затрачиваемая на привод

вспомогательных агрегатов.

Рис.1.10. Энергетический баланс

Двс на номинальном режиме

работы:

Глава 1. Строение и характеристики машин

Экономичность машин с тепловым двигателем резко па-

дает при снижении используемой мощности в эксплуата-

ции. КПД теплового двигателя может быть повышен за счет

применения теплофикационного цикла – использования

тепловой энергии отходящих газов и пара для технических

нужд.

1.2.2.2. Характеристики электродвигателей

асинхронный двигатель

Схема трехфазного электродвигателя переменного тока

с короткозамкнутым ротором показана на рис. 1.11. Его

отличает: простота устройства и эксплуатации, низкая

стоимость, высокие надежность и экономичность расхода

энергии. Однако электрическая энергия часто производит-

ся с помощью тепловых двигателей, поэтому её стоимость

гораздо выше энергии, заключённой в топливе, используе-

мом ДВС.

Принцип действия асинхронного двигателя основан

на том, что обмотки статора 1, питаемые трехфазным током,

создают вращающееся со скоростью ω

син

магнитное поле,

которое пересекает проводники ротора 2, на которые дейс-

твует крутящий момент M

кр

. Однако, этот момент является

движущим М

кр

= М

дв

> 0 до тех пор, пока угловая скорость

Рис. 1.11. схема асинхронного электродвигателя:

1 – обмотки статора; 2 – ротор

1.2. Функциональные элементы машинного агрегата

ротора ω < ω

син

. При ω = ω

син

двигатель работает на холостом

ходу с M

кр

= 0.

Статическая характеристика (рис. 1.12) асинхронного

электродвигателя может быть описана в виде

крит

син

крит

син

крит

МS

ω −ω

= =

где М

кр

, ω – крутящий момент и угловая скорость ротора;

син

– синхронная скорость; М

крит

, S

крит

– критические мо-

мент и скольжение при M

кр

= М

крит

Асинхронный двигатель может работать в различных

режимах:

1) в режиме двигателя, в котором крутящий момент М

кр

и скорость вращения ротора ω имеют одинаковые направ-

ления 0 < ω < ω

син

. Двигатель потребляет энергию из сети

и создаёт движущий момент М

кр

= М

дв

> 0;

2) в режиме противовключения, который образуется пу-

тем переключения двух обмоток при неизменной скорости

кр

син

Рис 1.12. статическая характеристика асинхронного ЭДв:

1 – область работы двигателя; 2 – область противовключения;

3 – область работы электрогенератора

Глава 1. Строение и характеристики машин

вращении ротора ω. При этом направление вращения маг-

нитного поля меняется и возникает момент сопротивления

сопр

= М

кр

< 0;

3) в режиме электрогенератора, где скорость вала превы-

шает синхронную скорость магнитного поля ω > ω

син

, а кру-

тящий момент ротора М

кр

направлен в сторону, обратную

скорости вала, и представляет собой момент сопротивления

вращению М

кр

= М

сопр

< 0. При этом движущий момент необ-

ходимо приложить к валу извне. В данном режиме тормо-

жения двигателем вырабатывается электроэнергия, которая

отдается в сеть. Это положительное качество – обратимость

машины из двигателя в генератор у асинхронного электро-

двигателя с короткозамкнутым ротором не легко использо-

вать из-за трудности его включения в систему управления.

4) на холостом ходу при ω

хх

= ω

син

и М

кр

= 0.

Номинальный режим двигателя выбирается на линей-

ном участке характеристики, которую можно описать урав-

нением

дв

кр дв син

или

M M ab

= = − ω ω=ω −

где а и b – постоянные коэффициенты.

Электродвигатель постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока может работать

в двух режимах: двигательном или генераторном. Электри-

ческая схема с выделенным U

ов

– напряжением на обмотке

возбуждения, с помощью которого она включается в систе-

му управления, показана на рис. 1.13. Соединение обмот-

ки возбуждения, которая создаёт магнитный поток, может

ОВ

Рис.1.13. Электрическая схема электродвигателя постоянного тока:

– напряжение на обмотке возбуждения; U

– напряжение

питания якоря ЭДВ; ω – скорость вращения вала

1.2. Функциональные элементы машинного агрегата

кр

ОВ1

ОВ2

ОВ3

Область

ДВ

Генераторная

область

Рис. 1.14. Характеристика электродвигателя

с независимым возбуждением:

ω – скорость вращения вала; M

кр

– крутящий момент;

– напряжение на обмотке возбуждения

быть параллельным обмотке якоря, последовательным или

комбинированным. Механи ческая характеристика изобра-

жена на рис. 1.14 и имеет следующие области работы:

• в режиме электродвигателя (ЭДВ), который потребля-

ет энергию из сети и создаёт движущий момент М

кр

= М

дв

> 0,

совпадающий со скоростью вращения ротора ω;

• в тормозном режиме.

В генераторном режиме, или режиме рекуперативного

торможения, крутящий момент направлен в сторону, обрат-

ную скорости вала ω, и представляет собой момент сопротив-

ления вращению М

кр

= М

сопр

< 0. При этом движущий момент

необходимо приложить к валу извне. В данном режиме тор-

можения двигателем вырабатывается электроэнергия, кото-

рая может быть использована для рекуперации энергии при

торможении двигателем. Примерами рекуперативного тор-

можения являются:

• быстрый спуск груза на кране, когда двигатель вклю-

чён в направлении спуска;

• перевод машины с большей скорости на меньшую, ког-

да запасённая кинетическая энергия «перекачивается» в ак-

кумулятор или обратно в сеть.

Режим работы противовключением получается в резуль-

тате мгновенного переключения обмоток двигателя на про-

тивоположное вращение, при этом электрическая машина

Глава 1. Строение и характеристики машин

потребляет мощность из электрической сети и механичес-

кую мощность с вала. Например:

• спуск груза на кране, когда его момент превышает мо-

мент двигателя и якорь вращается в обратную сторону;

• ускоренный принудительный останов шпинделя то-

карного станка для съёма, установки или измерения детали

за счёт переключения двигателя на обратное вращение.

Статическая характеристика двигателя описывается ли-

нейным уравнением,

кр

хх

= ,

ω ω−

где коэффициент пропорциональности

()

;

R – сопротивление; k – константа; Φ – магнитный поток;

хх

ω=

– скорость вращения холостого хода М

кр

= 0.

Напряжение питания якоря U

= Е + IR связано с током

в цепи якоря I и электродвижущей силой Е = kΦω.

Следует отметить удобство управления, при котором

происходит обратимость электрической машины с незави-

симым возбуждением из двигателя в генератор путём изме-

нения напряжения на обмотке возбуждения U

ов

. Применение

одной и той же машины и как двигателя, и как гене ратора

позволяет повысить экономичность на неустановившихся

режимах, полезно используя запас кинетической энергии

при торможении машины. Процесс «перекачки» энергии

электрогенератором в аккумулятор при торможении маши-

ны и, наоборот, из аккумулятора в ЭДВ при разгоне или

установившемся движении является примером рекупера-

ции энергии.

1.2.2.3. Характеристики

гидравлического привода машин

Системы автоматики, использующие гидравлическую

энергию, могут содержать следующие элементы: 1 – гидро-

аккумулятор; 2 – механизм управления, позволяющий

отключать или менять направление движения (реверси-

рование) потока жидкости; 3 – рабочий орган (поршень

гидроцилиндра); 4 – исполнительный механизм (гидро-

1.2. Функциональные элементы машинного агрегата

цилиндр); 5 – бак; 6 – гидравлический насос. Схема гид-

равлического привода с питанием от гидроаккумулятора

показана на рис. 1.15. Шестерёнчатый насос 6 приводится

во вращение от двигателя (не показан на схеме) и питается

маслом из бака 5. Питание гидроцилиндра 4 осуществляет-

ся с помощью обратного клапана 7, пропускающего масло

от насоса под давлением в гидроаккумулятор и сохраняю-

щего давление в нём и при открытии разгрузочного клапана

7. Управление перемещением поршня 3 исполнительного

механизма 4 осуществляет механизм управления потоком

жидкости 2 (золотник), перемещение которого влево сооб-

щает левую полость гидроцилиндра 4 с гидроаккумулято-

ром 1, а правую полость гидроцилиндра 4 с баком 5, что

вызывает перемещение поршня 3 вправо, т.е. в обратную

сторону движения золотника 2. И наоборот, перемеще-

ние золотника 2 вправо вызывает перемещение поршня 3

исполнительного механизма 4 влево. Величина давления

в гидроаккумуляторе 1 задаётся предварительной дефор-

мацией пружины 9 разгрузочного клапана 6.

После того как давление в гидроаккумуляторе 1 при из-

расходовании жидкости упадет до нижнего допустимого

предела, шариковый клапан 9 перемещается вправо и закры-

Рис. 1.15. схема гидравлического привода:

1 – гидроаккумулятор; 2 – золотник; 3 – рабочий орган исполни-

тельного механизма 4; 5 – бак; 6 – насос; 7 – разгрузочный кла-

пан; 8 – обратный клапан; 9 – шариковый клапан; 10 – пружина;

11 – поршенёк разгрузочного клапана

Глава 1. Строение и характеристики машин

вается, происходит подзарядка давлением гидроаккумуля-

тора от насоса 6. Как только давление достигнет требуемой

величины, поршенёк 11 разгрузочного клапана 7, преодо-

левая усилие пружины 10, открывает шариковый клапан 9.

Нагнетательная полость насоса 6 соединяется сливной ма-

гистралью с баком 5 и происходит разгрузка насоса 6. Так

как при открытом разгрузочном клапане 7 насос 6 работает

вхолостую, то он практически не потребляет энергии. Сис-

тема с гидроаккумулятором имеет более высокий КПД, чем

гидросистема с насосом постоянной производительности

и управлением перепуском сжатой жидкости в бак.

1.2.2.4. Характеристики рабочих машин

роторные рабочие машины

В рабочих машинах процесс совершается за счет подво-

да механической работы (энергии) от двигателя. Наиболь-

шей простотой отличаются роторные машины, которые

(рис.1.16) используются в качестве рабочего органа лопат-

ки (гребные винты судов, осевые компрессоры и насосы,

гидротормозы и т.п.).

Момент сопротивления M

сопр

= kω

роторных машин

(см. рис. 1.16) является функцией скорости вала ω, где:

k – коэффициент; n > 1 – показатель степени. Крутизна

характеристики

сопр

()

∂

=ω

∂ω

зависит от угла наклона

лопасти β к оси вращения винта. Это явление ис-

пользуется в винтах регулируемого шага, в кото-

рых можно получить семейство кривых разной

производительности при различных наклонах β.

Поршневые компрессоры и насосы

Поршневые компрессоры и насосы используются для

сжатия рабочих тел. Принципы их работы похожи, но от-

личия заключаются в рабочем теле. У компрессоров рабо-

чим телом являются газы, обладающие значительной сжи-

маемостью, у насосов – жидкости, сжимаемостью которых

можно пренебречь. Управление производительностью осу-

ществляется перепуском рабочего тела на впуск или из-

менением скорости вращения вала. В качестве механизма

1.2. Функциональные элементы машинного агрегата

поршневых насосов и компрессоров используется криво-

шипно-ползунный (см. рис.1.5). Процессы в одноступенча-

тых компрессорах и насосах осуществляются за один обо-

рот кривошипа в два такта.

1. Сжатие, когда при движении поршня вверх оба само-

действующих клапана закрыты. При достижении рабочего

давления автоматически открывается выпускной клапан

и газы из цилиндра вытесняются в ресивер. Работа за цикл

сжатия отрицательна.

2. Всасывание, когда при движении поршня вниз снача-

ла происходит снижение давления в мёртвом пространстве

цилиндра, а затем под действием разряжения открывается

всасывающий клапан и происходит заполнение цилиндра.

При давлении ниже атмосферного будет преодолеваться

сила сопротивления и затрачиваться работа, которая имеет

отрицательный знак, определяемый косинусом угла давле-

ния 180

между силой давления и скоростью поршня.

Плунжерный топливный насос высокого давления

регулируемой производительности с управлением от Эвм

Плунжерный топливный насос высокого давления

(ТНВД) регулируемой производительности применяет-

ся для впрыскивания топлива через форсунку в цилиндр

дизеля как было показано на (см. рис. 1.8.). Такой насос

сопр

Рис. 1.16. схема (а) и характеристики (б)

винта регулируемого шага:

1 – вал; 2 – лопасть винта

Глава 1. Строение и характеристики машин

к ЭВМ

Рис. 1.17. Топливный насос высокого давления ТнвД дизеля:

1 – кулачок; 2 – толкатель; 3 – пружина; 4 – плунжер; 5 – отсечная

кромка плунжера; 6 – отсечное отверстие гильзы; 7 – полость низ-

кого давления; 8 – электромагнитный клапан (ЭМК); 9 – отверстие

(ЭМК); 10 – форсунка; 11 – трубопровод; 12 – запорный клапан,

13 – гильза