Регулирование скорости машин при различных нагрузках

Задача регулирования состоит в поддержании скорости движения при различных нагрузках на достаточно постоянном уровне. Это обеспечивается за счет регулирования движущей силы (движущего момента) с помощью различных регуляторов.

Регуляторами называются механизмы или приборы, предназначенные для автоматического поддержания непериодических колебаний угловой скорости вращения ведущих звеньев машин в заданных пределах. Непериодические колебания скорости воз­никают вследствие случайного изменения движущих сил или сил сопротивлений, действующих на звенья машин. Так, например, внезапное увеличение подачи энергии к двигателю вызывает по­вышение частоты вращения его вала, а увеличение сопротивления на ведомом валу машины влечет за собой снижение этой частоты. Регулирование средней скорости вращения вала машины осущест­вляется путем воздействия на приток энергии к двигателю или путем изменения сопротивления на ведомом валу машины. В на­стоящее время широкое распространение получили центробежные, тормозные и электрические регуляторы.

Центробежные регуляторы. Принцип действия центробежных регуляторов основан на использовании силы инерции враща­ющихся грузов для регулирования притока топлива (или электри­ческой энергии) к двигателю. Схема центробежного регулятора показана на рис.8.14, а. К валу регулятора 1, получающему вра­щение от двигателя, с помощью подвижных звеньев и муфты 2 подвешены грузы 3. Возникающие при вращении регулятора центробежные силы инерции грузов Р_и посредством рычагов 4 и тяг 5 воздействуют на муфту 2, которая может скользить вдоль вала вверх и вниз. Муфта регулятора с помощью рычага 6 соеди­нена с рабочим органом (заслонкой) 7, регулирующим питание двигателя топливом (или турбины — паром).

При нарушении равенства работ движущих сил и сил сопро­тивления, например, когда Ад > А _с угловая скорость вала двигателя станет возрастать. В этом случае увеличится величина сил инерции Р_и, благодаря чему шары начнут расходиться и муфта переместится вверх. При этом заслонка 7 опустится и уменьшится количество топлива, подаваемого в двигатель. В ре­зультате вновь восстановится равенство Ад = А_с и угловая скорость двигателя стабилизируется.

Таким образом перемещение муфты регулятора под воздей­ствием сил инерции грузов дает возможность автоматически под­держивать равновесную угловую скорость вращения вала двигателя.

Установившееся движение машины (Ад = Ас) может проходить при различных угловых скоростях ведущего звена.

Наиболь­шая скорость ω_max, допустимая по условиям безопасности, соот­ветствует «холостому» ходу машины.

Холостым называется такое движение машины, при котором энергия движущих сил затрачи­вается только на преодоление сил вредных сопротивлений.

Рис.8.14

Наи­меньшая угловая скорость ω_min наблюдается при наибольшей нагрузке машины, когда Ад = А_{с max}; дальнейшее увеличение сил полезных сопротивлений вызовет нарушение этого равенства работ, которое регулятор не может восстановить, поэтому угловая скорость уменьшится и машина остановится.

Таким образом, регулятор должен обеспечивать поддержание установившегося движения машины при любом изменении ско­рости вращения вала в пределах от ω_min до ω_max. Это достигается подбором соответствующих значений параметров регулятора (массы и размеров звеньев, деформации пружины).

Чувствительность регулятора к колебаниям угловой скорости, т. Е. реагирование его на изменение угловой скорости, зависит от величины сил трения между звеньями регулятора. Чем меньше приведенная к муфте регулятора сила трения, тем меньшее понадобится изменение угловой скорости вала регулятора, при котором муфта придет в движение.

Тормозные регуляторы. При регулировании скорости движения с помощью тормозных регуляторов избыточная энергия двигателя затрачивается на преодоление механического, жидкостного или воздушного трения в регуляторе. Тормозные регуляторы приме­няются в приборах и аппаратах, потребляющих небольшую мощность, например в телеграфных аппаратах, патефонах и дру­гих приборах точной механики.

При регулировании посредством тормозных регуляторов урав­нение движения машины или прибора для установившегося периода в форме моментов имеет следующий вид:

М_д = М_с + М_рег, (8.58)

где М_д, М_с и М_рег — приведенные к ведущему звену моменты дви­жущих сил, сил сопротивлений и сил трения регулятора.

. На рис. 8.14 б приведена схема тормозного регулятора теле­фонного номеронабирателя. На его валу помещены тормозные ко­лодки 8, которые под действием центробежной силы инерции Р _и могут прижиматься к тормозному цилиндру 9. Для определения момента сил трения М_рег регулятора введем следующие обозна­чения:

т — масса колодки;

Q — сила упругости пружины;

r — радиус тормозного цилиндра;

f — коэффициент трения скольже­ния;

ω — угловая скорость вращения вала;

r_s — расстояние от оси вращения вала до центра тяжести колодки.

Центробежная сила инерции колодки Р_и = т r_s ω ². Момент сил трения регулятора

М_рег = (Р_и – Q)fr = fmr r_s ω ² – fQr (8.59)

или

М_рег = к₁ω² – к₂Q, (8.60)

где: к₁ = fmr r_s; к₂ = fr.

Величина угловой скорости ω₀ вала регулятора, при которой тормозная колодка станет касаться тормозного цилиндра, опре­делится из условия

М_рег = к₁ω² – к₂Q = 0 ( 8.61)

Подставив значения к₁ и к₂, получим ω₀ =

Пользуясь уравнением (8.59), нетрудно построить график изменения момента сил трения регулятора в зависимости от угло­вой скорости ω.

Регуляторы воздушного трения (ветрянки), электрические и др., широко применяемые в приборостроении, рассматриваются в специальной литературе.

Вопросы для самоконтроля:

1.Какое устройство называется регулятором?

2.Назовите виды наиболее распространенных регуляторов.

3.Каков принцип действия центробежных регуляторов?

4.В каких пределах центробежный регулятор обеспечивает режим установившегося движения?

5.Каков принцип действия тормозного регулятора?