Понятие “мехатроника”. Структура и принципы интеграции мехатронных систем.

ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ ЭКЗАМЕНА ПО РОБОТОТЕХНИКЕ

Понятие “мехатроника”. Структура и принципы интеграции мехатронных систем.

В.1. Понятие “мехатроника”

В настоящее время мехатроника как наука находится на стадии становления, поэтому ее определение и базовая терминология еще не полностью сформирована. Известно несколько определений, опубликованных в периодических изданиях, трудах международных конференций и симпозиумах, на основе которых в Государственном образовательном стандарте РФ 2000 года определена следующая трактовка: “Мехатроника – область науки и техники, основанная на синергетическом объединении точной механики, электротехники, электроники и интеллектуального управления, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, машин и систем с управлением их функциональными движениями”.

З аложенная в этом опре­делении триединая сущность мехатронных систем – глубо­кая взаимосвязь механиче­ских (в том числе гидравлических и пневматических), электротехнических компонен­тов и системы автоматизации (интеллектуального управления) может быть про­иллюстрирована рис. В.2. Главная методологическая идея мехатроники состоит в системном сочетании ранее обособленных научно-техниче­ских направлений с целью создания новых устройств, обладающих высокими функциональными качествами, конструктивной компактностью, высокой надежностью и долговечностью.

В.2. Структура и принципы интеграции мехатронных систем

Объектом исследования в мехатронике как науке является мехатронная система, в состав которой входят:

- механическое устройство с преобразователями движения и рабочим органом;

- блок привода (исполнительный электро- либо гидропривод);

- интеллектуальное устройство управления с локальной системой регулирования исполнительным приводом и системой комплексной автоматизации.

На рис. В.3 приведена обобщенная структура мехатронной системы. Задачей мехатронной системы является преобразование информации о цели управления, поступающей с верхнего уровня от человека-оператора либо промышленного компьютера, в целенаправленное функциональное движение.

Сигнал задания обрабатывается локальной системой автоматического регулирования, усиливается и преобразуется в силовом электронном преобразователе и воздействует на исполнительный двигатель. Исполнительный двигатель совместно с преобразователем движения и рабочим органом совершает заданное движение и выполняет при этом необходимую полезную работу.

Основные понятия и законы электротехники. Сущность. Электрическое и магнитное поле. Источники. Параметры.

ЗАКОН ОМА (по имени немецкого физика Г. Ома (1787-1854)) – единица электрического сопротивления. Обозначение Ом. Ом – сопротивление проводника, между концами которого при силе тока 1 А возникает напряжение 1 В. Определяющее уравнение для электрического сопротивления R= U / I.

Закон Ома является основным законом электротехники, без которого нельзя обойтись при расчете электрических цепей. Взаимосвязь между падением напряжения на проводнике, его сопротивлением и силой тока легко запоминается в виде треугольника, в вершинах которого расположены символы U, I, R.

К закону Ома

Самый главный закон электротехники - закон Ома

Закон Ома для участка цепи

Применение закона Ома на практике

Что такое удельное электрическое сопротивление

ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА (по имени английского физика Дж.П.Джоуля и русского физика Э.Х.Ленца) – закон, характеризующий тепловое действие электрического тока.

Согласно закону, количество теплоты Q (в джоулях), выделяющейся в проводнике при прохождении по нему постоянного электрического тока, зависит от силы тока I (в амперах), сопротивления проводника R (в омах) и времени его прохождения t (в секундах): Q = I²Rt.

Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах. Тот же эффект в электрических машинах и аппаратах приводит к непроизвольным затратам энергии (потере энергии и снижении КПД). Тепло, вызывая нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку. При перегрузке повышение температуры может вызвать повреждение изоляции или сокращение срока службы установки.

Закон Джоуля-Ленца

Как провод нагревается электрическим током

Как влияет нагрев на величину сопротивления

ЗАКОН КИРХГОФА (по имени немецкого физика Г.Р.Кирхгофа (1824-1887)) – два основных закона электрических цепей. Первый закон устанавливает связь между суммой токов, направленных к узлу соединения (положительные), и суммой токов, направленных от узла (отрицательные).

Алгебраическая сумма сил токов In, сходящихся в любой точке разветвления проводников (узле), равна нулю, т.е. SUMM(In)= 0. Например, для узла A можно записать: I1 + I2 = I3 + I4 или I1 + I2 – I3 – I4 = 0.

Узел тока

Второй закон устанавливает связь между суммой электродвижущих сил и суммой падений напряжений на сопротивлениях замкнутого контура электрической цепи. Токи, совпадающие с произвольно выбранным направлением обхода контура, считаются положительными, а не совпадающие – отрицательными.

Контур тока

Алгебраическая сумма мгновенных значений ЭДС всех источников напряжения в любом контуре электрической цепи равна алгебраической сумме мгновенных значений падений напряжений на всех сопротивлениях того же контура SUMM(En)=SUMM(InRn). Переставив SUMM(InRn) в левую часть уравнения, получим SUMM(En) – SUMM(InRn) = 0. Алгебраическая сумма мгновенных значений напряжений на всех элементах замкнутого контура электрической цепи равна нулю.

Законы Кирхгофа

ЗАКОН ПОЛНОГО ТОКА один из основных законов электромагнитного поля. Устанавливает взаимосвязь между магнитной силой и величиной тока, проходящего через поверхность. Под полным током понимается алгебраическая сумма токов, пронизывающих поверхность, ограниченную замкнутым контуром.

Намагничивающая сила вдоль контура равна полному току, проходящему сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. В общем случае напряженность поля на различных участках магнитной линии может иметь разные значения, и тогда намагничивающая сила будет равна сумме намагничивающих сил каждой линии.

ЗАКОН ЛЕНЦА - основное правило, охватывающее все случаи электромагнитной индукции и позволяющее установить направление возникающей э.д.с. индукции.

Согласно закону Ленца это направление во всех случаях таково, что ток, созданный возникшей э.д.с., препятствует тем изменениям, которые вызвали появление э.д.с. индукции. Этот закон является качественной формулировкой закона сохранения энергии в применении к электромагнитной индукции.

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ, закон Фарадея – закон, устанавливающий взаимосвязь между магнитными и электрическими явлениями. ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Величина ЭДС поля зависит от скорости изменения магнитного потока.

Закон электромагнитной индукции

ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ (по имени английского физика М.Фарадея (1791-1867)) – основные законы электролиза.

Устанавливают взаимосвязь между количеством электричества, проходящего через электропроводящий раствор (электролит), и количеством вещества, выделяющегося на электродах.

При пропускании через электролит постоянного тока I в течение секунды q = It, m = kIt.

Второй закон ФАРАДЕЯ: электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам.

ПРАВИЛО БУРАВЧИКА — правило, позволяющее определить направление магнитного поля, зависящее от направления электрического тока. При совпадении поступательного движения буравчика с протекающим током направление вращения его рукоятки указывает направление магнитных линий. Или при совпадении направления вращения рукоятки буравчика с направлением тока в контуре поступательное движение буравчика указывает направление магнитных линий, пронизывающих поверхность, ограниченную контуром.

Как работает правило буравчика в электротехнике

Правило буравчика

ПРАВИЛО ЛЕВОЙ РУКИ — правило, позволяющее определить направление электромагнитной силы. Если ладонь левой руки расположена так, что вектор магнитной индукции входит в нее (вытянутые четыре пальца совпадают с направлением тока), то отогнутый под прямым углом большой палец левой руки показывает направление электромагнитной силы.

Правило левой руки

ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ — правило, позволяющее определить направление наведенной эдс электромагнитной индукции. Ладонь правой руки располагают так, чтобы магнитные линии входили в нее. Отогнутый под прямым углом большой палец совмещают с направлением движения проводника. Вытянутые четыре пальца укажут направление индуктированной эдс.

Рис. В.3. Обобщенная структура мехатронной системы

В процессе движения объект оказывает возмущающее воздействие на рабочий орган. Примерами таких воздействий могут служить силы сопротивления металла при его прокатке, силы резания для операций механообработки, сила тяжести при подъеме груза и т.п. Поэтому с целью обеспечения заданного качества движения необходимо иметь информацию о фактическом состоянии внешней среды, механического устройства, исполнительных двигателей и силовых преобразователей. Для получения этой информации в мехатронную систему вводятся специальные датчики и информационные устройства.

В определение мехатроники под понятием синергетического объединения узлов механики, электротехники, электроники и интеллектуального управления заложено не простое соединение частей посредством механических сочленений и интерфейсных блоков (как это показано на рис. В.3), а их конструктивное встраивание в мехатронные модули. Здесь под модулем понимается функциональная часть системы, конструктивно выполненная как самостоятельное изделие.

Объединение двух элементов системы позволяет получить мехатронный модуль 1-го поколения. Типичным примером таких модулей является мотор-редутор, где механический редуктор и электродвигатель выпускаются как единый функциональный элемент. При этом сочленение двигателя и редуктора осуществляется без соединительной муфты путем закрепления вала двигателя в полом вале редуктора посредством шпонки. Примером мехатронного модуля 1-го поколения также является и современный преобразователь для питания электродвигателя, в котором одновременно с силовой схемой встроена система автоматического регулирования координатами электропривода и технологическими координатами.

Мехатронные модули 2-го поколения появились в 80-х годах в связи с развитием электронных технологий, позволивших создать миниатюрные датчики координат электропривода. Объединение двигателей с информационными датчиками привело к созданию так называемых мехатронных модулей движения, в которых достигнута интеграция уже трех устройств различной физической природы: механических, электротехнических и электронных.

Главной особенностью современного – 3-го этапа развития мехатроники стало создание интеллектуальных мехатронных модулей, являющимися конструктивно и функционально самостоятельными изделиями с интеграцией механической, электротехнической, электронной и интеллектуальной частей. По сравнению с мехатронными модулями движения (2-го поколения) в конструкцию интеллектуальных модулей движения встраивается микропроцессорные устройства, что придает им интеллектуальные свойства.

Первые образцы интеллектуальных мехатронных модулей появились в середине 90-х годов ХХ века. Сегодня они выпускаются рядом фирм уже серийно, и в последние годы их доля на рынке быстро увеличивается. В современных интеллектуальных мехатронных модулях используются различные типы электродвигателей: вращательного и линейного движения, переменного и постоянного тока, вентильные, шаговые и др. В качестве преобразователей движения применяют зубчатые, винтовые и прочие передачи. Силовые электронные преобразователи реализуются как на основе тиристоров, так и на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором. В состав модулей входят датчики положения, скорости, тока и др. координат, дающих достаточную информацию о фактическом состоянии подсистем модуля и объекта в целом. Встроенные управляющие контроллеры позволяют получать надежно функционирующие изделия, обладающие интеллектуальными свойствами, а также позволяют строить на их основе многокоординатные мехатронные системы с децентрлизованным управлением.

Резистор

Резисторы могут быть использованы для контроля и ограничения тока, следовательно, основным параметром резистора является его сопротивление, которое измеряется в Омах. Не следует забывать о мощности резистора, которая измеряется в ваттах (Вт), и показывает, какое количество энергии резистор может рассеять без перегрева и выгорания. Важно также отметить, что резисторы используются не только для ограничения тока, они также могут быть использованы в качестве делителя напряжения для получения низкого напряжения из большего. Некоторые датчики основаны на том, что сопротивление варьируется в зависимости от освещённости, температуры или механического воздействия, об этом подробно написано в конце статьи.

Закон Ома

Понятно, что эти 3 формулы выведены из основной формулы закона Ома, но их надо выучить для понимания более сложных формул и схем. Вы должны быть в состоянии понять и представить себе смысл любой из этих формул. Например, во второй формуле показано, что увеличение напряжения без изменения сопротивления приведет к росту тока. Тем не менее, увеличение тока не увеличит напряжение (хотя это математически верно), потому что напряжение - это разность потенциалов, которая будет создавать электрический ток, а не наоборот (см. аналогию с 2 емкостями для воды). Формула 3 может использоваться для вычисления сопротивления токоограничивающего резистора при известном напряжении и токе. Это лишь примеры, показывающие важность этого правила. Вы сами узнаете, как использовать их после прочтения статьи.

Токоограничивающий резистор

Самая основная роль токоограничивающих резисторов - это контроль тока, который будет протекать через устройство или проводник. Для понимания их работы, давайте сначала разберём простую схему, где лампа непосредственно подключена к 9В батареи. Лампа, как и любое другое устройство, которое потребляет электроэнергию для выполнения определенной задачи (например, светоизлучение) имеет внутреннее сопротивление, которое определяет его текущее потребление. Таким образом, отныне, любое устройство может быть заменено на эквивалентное сопротивление.

Теперь, когда лампа будет рассматриваться как резистор, мы можем использовать закон Ома для расчета тока, проходящего через него. Закон Ома гласит, что ток, проходящий через резистор равен разности напряжений на нем, поделенное на сопротивление резистора: I=V/R или точнее так:
I=(V₁-V₂)/R
где (V₁-V₂) является разностью напряжений до и после резистора.

Теперь обратите внимание на рисунок выше, где добавлен токоограничительный резистор. Он будет ограничивать ток идущий к лампе, как это следует из названия. Вы можете контролировать, количество тока протекающего через лампу, просто выбрав правильное значение R1. Большой резистор будет сильно снижать ток, а небольшой резистор менее сильно (так же, как в нашей аналогии с водой).

Математически это запишется так:

Из формулы следует, что ток уменьшится, если значение R1 увеличится. Таким образом, дополнительное сопротивление может быть использовано для ограничения тока. Однако важно отметить, что это приводит к нагреву резистора, и вы должны правильно рассчитать его мощность, о чем будет написано дальше.

Вы можете воспользоваться он-лайн калькулятором для расчета токоограничительного резистора светодиода.

Узловой анализ

Теперь, когда вы начинаете работать с электронными схемами, важно уметь их анализировать и рассчитывать все необходимые напряжения, токи и сопротивления. Есть много способов для изучения электронных схем, и одним из наиболее распространенных методов является узловой, где вы просто применяете набор правил, и рассчитываете шаг за шагом все необходимые переменные.

Определение узла

Узел – это любая точка соединения в цепи. Точки, которые связаны друг с другом, без других компонентов между ними рассматриваются как единый узел. Таким образом, бесконечное число проводников в одну точку считаются одним узлом. Все точки, которые сгруппированы в один узел, имеют одинаковые напряжения.

Конденсатор состоит из двух пластин (или обкладок), находящихся одна перед другой и сделанных из проводящего материала. Между пластинами находится изолирующий материал, называемый диэлектриком (рис. 4.1). Простейшими диэлектриками являются воздух, бумага, слюда и т. д.

Рис. 4.1. Конденсатор

Зарядка конденсатора

Основным свойством конденсатора является его способность запасать электрическую энергию в виде электрического заряда.
На рис. 4.2(а) изображена схема, в которой конденсатор соединяется через ключ с источником питания. Когда ключ замкнут (рис. 4.2(б)), положительный полюс источника «откачивает» электроны с обкладки А, и она приобретает положительный заряд. Отрицательный полюс источника питания тем временем «поставляет» электроны на обкладку В, в результате чего она приобретает отрицательный заряд, по абсолютной величине равный положительному заряду обкладки А. Такой поток электронов называется током заряда. Он продолжает течь до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не сравняется с ЭДС источника питания. В этом случае говорят, что конденсатор полностью заряжен. Электрический заряд обозначается буквой Q, а его величина измеряется в кулонах (Кл).

Рис. 4.2. Заряд и разряд конденсатора

Когда конденсатор заряжен, между его обкладками возникает разность потенциалов, а следовательно, и электрическое поле.
Если в момент, когда конденсатор уже зарядился, разомкнуть ключ (рис. 4.2(в)), конденсатор будет хранить заряд. В этом случае внутри диэлектрика между обкладками возникает электрическое поле. При разряде конденсатора через сопротивление нагрузки (рис. 4.2(г)) электрическое ноле исчезает.

Емкость конденсатора

Способность конденсатора накапливать электрический заряд называется емкостью, а величина этой емкости обозначается буквой С и измеряется в фарадах (Ф). Фарада — очень большая единица емкости, и поэтому она практически не используется. Чаще используются дробные единицы:

1 микрофарада (мкФ) = Ф = 10^-6 Ф,

1 пикофарада (пФ) = мкФ = 10^-6 мкФ = 10^-12 Ф.

Емкость конденсатора возрастает с увеличением площади обкладок и убывает с увеличением расстояния между ними.
Например, при возрастании площади обкладок вдвое емкость также увеличивается в два раза. Если же увеличить вдвое расстояние между обкладками, емкость станет вдвое меньше.

Источники напряжения

Для того, что бы создать напряжение необходимо электроны, находящиеся на своих орбитах удалить с этих орбит. Следовательно, для этого необходимо приложить энергию, природа которой может быть самой различной. Мы знаем, что энергия из пустоты не возникает, она просто переходит из одной формы в другую.
Источники напряжения – это устройства, преобразующее один из видов энергии в электрическую энергию.
В мире существует шесть видов источников напряжения:
1. Источники напряжения построенные на явлении электризации трением.
2. Источники напряжения основанные на явлении магнетизма.
3. Химические источники напряжения.
4. Источники напряжения, преобразующие световую энергию в электрическую.
5. Источники напряжения, преобразующие тепловую энергию в электрическую.
6. Пьезоэлектрические источники напряжения.

Источники напряжения построенные на явлении электризации трением (генератор Ван де Граафа).

Самым древним способом получения электричества является трение. Если взять стеклянную или эбонитовую палочку и потереть ее кусочком меха или шелка, то она зарядится. На этом самом принципе работает генератор Ван де Граафа (рис 3.1.).

Рисунок 3.1.Генератор Ван де Граафа.

Генератор Ван де Граафа способен вырабатывать напряжения величиной в миллионы вольт. Но, к сожалению, это устройство нигде, кроме как в научных исследованиях не используется, да еще в кабинетах физики.

Виды транзисторов

Транзистор – это полупроводниковый активный радиоэлемент, который необходим для генерирования, преобразования и усиления электрического сигнала (его частоты и силы). Его еще называют полупроводниковым триодом. Этот элемент схемы необходим для работы практически всех известных электрических устройств (коммутатор зажигания, диодный мост, блок питания, переключатель нагрузки, датчик и т. д.). Он был запатентован в начале 20-го века при участии известного ученого-физика Юлия Эдгара Лилиенфельда, но его совершенствование произошло только на базе уже существующего биполярного в 60-х. Только спустя 20 лет Шокли, Бардином и Браттейном были созданы первые биполярные триоды.

Фото — конструкция

Конструктивно транзистор состоит из трех электродов: база, эмиттер, коллектор. Здесь эмиттером и коллектором представлены основные детали устройства, база выполняет функции управления сетью, усиления тока и его преобразования. Схема с этим электрическим элементом обозначается в виде трех электродных отводов, заключенных в круг. Стрелка указывает направление тока в эмиттере.

Фото — виды триодов

Существует два типа транзисторов: полевой и биполярный, они отличаются друг от друга принципом работы и областью использования. Полевой элемент управляется входящим напряжение сети, в то время, как биполярный – током. Рассмотрим их работу более подробно.

Биполярный транзистор известен своим свойством пропускать заряды с разным знаком через одну базу. В этом элементе ток продвигается через базу на коллектор. Бывает таких исполнений:

1. n-p-n;

2. p-n-p;

3. С изолированным отводом IGBT.

npn – это транзисторы с обратной проводимостью. pnp – с прямой. Одним из подвидов обратного полупроводникового триода является оптотрон, который открывается не за счет тока, а при распознавании света. Элемент в таком режиме работы используется в разных датчиках освещенности, выключателях и т. д.

Фото — устройство биполярного

Помимо этого, данные элементы могут разниться по мощности, размеру, используемому материалу для базы. Мощность транзисторов находится в пределах от 100 мВт до 1 Вт и более, современная электроника использует все виды, в зависимости от назначения и конструктивных особенностей прибора.

Ранее биполярные транзисторы имели относительно большой размер, сравнительно с современными деталями. Сейчас электроника использует даже так называемые «острова» — это элементы, которые представлены на схеме в виде точки. Они практически незаметны постороннему глаз, но позволяют пропускать и контролировать сильные импульсы.

У каждого типа транзисторов есть определенные достоинства и недостатки:

1. Полевые могут разрушаться при низких температурах и высокой влажности;

2. Полевой регулятор сигналов очень чувствителен к статическому электричеству. Учитывая, что через усилитель проходят разряды тока до нескольких тысяч Вольт, его затвор может быть легко разрушен;

3. Биполярные модели имеют малое сопротивление;

4. Электронная схема с общей базой для подключения обратных транзисторов должна подключаться к двум разным источникам питания.

Работа в схеме

Транзисторы – это одни из самых популярных и необходимых элементов схем в электронике. Рассмотрим, как эти элементы используются на триггере и регенераторе. Импульсный триггер Шмиттта – это генератор, в котором все входящее напряжение делится компаратором на три диапазона. Он состоит из транзисторов, которые соединены между собой гальванической связью и резистором, резисторов нагрузки и конденсатора.

Фото — работа транзистора в триггере Шмитта

Когда триггер подключается к источнику питания, то один его МОП-транзистор открывается, а второй закрывается. После этого в цепи появляется некоторое напряжение, уровень которого зависит от обвязки элементов схемы.

Использование полупроводниковых триодов в регенераторе необходимо для упрощения регулирования частоты тока. Главным достоинством использования транзисторной схемы здесь является то, что образующийся каскад может контролировать волны любой величины, начиная от ультразвука.

Фото — схема регенератора

Состоит такой регенератор из двух биполярных транзисторов 0,5 В, катушки и резистора. Такую схему можно подключить как автогенератор, тогда большая часть катушки уйдет в коллекторный отвод, а меньшая – в базовый. Напряжение к транзисторам подается через резисторы, с их помощью можно изменять напряжение и сопротивление сигнала между эмиттером и базой.

Фото — структура

Полевой транзистор – это однопереходный элемент, т. к. в нем протекает заряд только с одним знаком (= или -). Поэтому они называются униполярными. Эти детали классифицируются по типу управления:

1. С р-n переходом или барьером Шоттки;

2. С изолированным затвором MOSFET;

3. МДП или металл-диэлектрик-проводник.

Изолированный элемент практически ничем не отличается от неизолированного, за исключением дополнительного слоя диэлектрика между затвором и каналом. Его называют МОП-транзистором из-за конструкции: металл-оксид-полупроводник.

Заключение

В заключении можно отметить , что задания 1…4 выполнены , на мой взгляд, в полном объёме , а неудачный раздел 6.3. 5^го задания. Причина- недостаток используемых новоизданных первоисточников.

Гидропривод мехатронных устройств. Основные понятия и законы гидравлики. Устройство, принцип действия и характеристики гидравлических усилителей и двигателей.

В гидроприводах происходит трехступенчатое преобразование энергии. Первоначально электрическая или тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем в гидравлическую. В этой форме энергия перемещается, управляется или регулируется и затем снова преобразуется в механическую энергию.

Для первоначального преобразования энергии используются электродвигатели, реже двигатели внутреннего сгорания, еще реже ручной привод. Преобразование механической энергии в гидравлическую выполняется гидравлическими насосами.

Управление координатами осуществляется специальными гидроаппаратами – клапанами, гидрораспределителями, дросселями и регуляторами расхода.

Исполнительными двигателями гидравлических систем являются: гидроцилиндры – устройства создающие определенные усилия при поступательных (линейных) перемещениях; гидромоторы – устройства, преобразующие гидравлическую энергию в энергию вращательного движения и поворотные гидроцилиндры, осуществляющие поворотное движение выходного вала на угол до 280 градусов.

Основными достоинствами гидроприводов являются большие усилия при компактном исполнении (отношение удельной мощности гидромоторов к электродвигателям 1:10 и более), а также высокое быстродействие при передаче поступательных перемещений.

Основные понятия и законы гидравлики

Основным законом гидростатики (учения о системах с неподвижной жидкостью) является закон Паскаля (см. рис. 2.2): “Воздействие силы на неподвижную жидкость распространяется по всем направлениям внутри этой жидкости. Величина давления жидкости равна нагрузке, соотнесенной с площадью на которую она действует

. (2.1)

Давление оказывает свое воздействие всегда вертикально на ограничивающую поверхность резервуара”.

На рис. 2.3 приведен пример передачи силы. Если на площадь А₁ действует сила F₁, то возникающее при этом давление p оказывает воздействие на все точки системы, в том числе и на поверхность А₂. Следовательно,

или , (2.2)

т.е. отношение сил равно отношению площадей.

Перемещение S₁ и S₂ обоих поршней (при пренебрежении силами трения в жидкости и допущении что жидкость не сжимается) обратно пропорционально их площадям

, (2.3)

а работа силового поршня равна работе нагрузочного поршня

. (2.4)

Учение о законах движения жидкости и действующих при этом силах называется гидрокинетикой. Если через трубопровод с различными сечениями проходит одинаковый объем жидкости, то скорость потока в наиболее узком месте должна возрастать. Иначе, поток (расход жидкости через трубопровод) равен произведению площади проходного сечения А на скорость течения жидкости V

. (2.5)

Откуда можно записать уравнение непрерывности потока в виде (см. рис. 2.4)

. (2.6)

В гидрокинетике закон сохранения энергии гласит, что “общая энергия потока жидкости не изменяется до тех пор, пока не будет осуществлен подвод энергии извне, или пока энергия не будет отдаваться наружу системы” и может быть записан в виде уравнения Бернулли.

где g – ускорение свободного падения, для Земли g = 9,81 м/с²; – высота столба жидкости; ρ – плотность жидкости, кг/м³.

Совместное рассмотрение уравнений непрерывности (2.6) и Бернулли (2.7) позволяет сделать следующие выводы. Если из-за уменьшения проходного сечения увеличивается скорость, то кинетическая энергия возрастает. Так как полная энергия гидравлической системы неизменна, то потенциальная энергия и/или давление должны уменьшаться. Поскольку потенциальная энергия в случае только сужения сечения практически не изменяется, то существенно изменяется статическое давление. Иначе, изменение давления обратно пропорционально изменению проходного сечения.

Передача гидравлической энергии всегда сопровождается потерями. Так на стенках трубопровода и в самой жидкости возникает трение, переходящее в тепло. Возникающие при этом потери гидравлической энергии вызывают в системах потери давления (см. рис. 2.5), зависящие от длины, проходного сечения, формы и шероховатости стенок трубопровода, скорости потока и вязкости жидкости.

Двигатель постоянного тока

Принцип действия двигателя постоянного тока может быть пояснен на примере работы простейшей одновитковой машины (рис. 1.8). При подключении обмотки якоря к источнику постоянного напряжения в ней будет протекать электрический ток, величина которого согласно закону Ома обратно пропорциональна сопротивлению этой обмотки

. (1.24)

К онструкция машины такова, что обмотка якоря находится в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами. Известно, что на проводник с током, размещенным в магнитном поле, действует электромагнитная сила

, (1.25)

направление которой определяется по правилу “левой руки” (см. рис. 1.9). Эти силы создают механический момент, называемый электромагнитным моментом

(1.26)

или с учетом (1.25)

. (1.27)

В выражениях (1.25)-(1.27): – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; – активная длина проводника; – диаметр якоря.

Электромагнитный момент приведет вращающуюся часть двигателя в движение. При этом проводники обмотки будут также вращаться в магнитном поле, а следовательно в них будет индуцироваться электродвижущая сила (э.д.с.). Направление э.д.с. определяется по правилу “правой руки” (см. рис. 1.9). Мгновенное значение индуцируемой в проводнике обмотки э.д.с определится по закону электромагнитной индукции в виде

, (1.28)

где – линейная скорость движения проводника.

Поскольку верхняя (см. рис. 1.8) часть обмотки якоря находится под северным полюсом магнита, а нижняя часть – под его южным полюсам, а также при условии разнонаправленности тока в них, полная э.д.с. одновитковой машины определится как

. (1.29)

При повороте обмотки якоря более чем на 90° от исходного положения его верхний проводник окажется под южным полюсом. Одновременно с этим из-за действия коллектора направление тока в нем также изменится, а следовательно направление электромагнитного момента, вызывающее вращение двигателя останется неизменным. Двигатель продолжит вращаться в прежнюю сторону.

Исходя из вышесказанного, напряжение на зажимах двигателя уравновешивается э.д.с. и падением напряжения на обмотке якоря

. (1.30)

Развиваемый двигателем электромагнитный момент расходуется на преодоление механических потерь в подшипниках якоря двигателя и рабочего органа , на создание полезного момента нагрузки и на создание динамического момента, необходимого для разгона или торможения

. (1.31)

Динамический момент может быть определен по выражению

, (1.32)

где – суммарный момент инерции всех вращающихся частей мех