Конструкция и принцип действия бесконтактного реле, электромеханических муфт сухого трения и изделий, изготовленных на базе пьезокерамики

1

Вопрос № 1.

Пьезоэлектрический датчик: принцип действия, конструкция, область применения.

Работа пьезоэлектрического датчика основана на прямом пьезоэлектрическом эффекте, а именно на преобразовании механической энергии в электрическую. Пьезоэлектрический эффект возникает из-за связи между электрическими и механическими свойствами материала, обычно - кристаллического.

Когда к пьезоэлектрику прикладывается механическое напряжение, он поляризуется в указанном направлении, и между его гранями появляется электрическая разность потенциалов. Величина механического напряжения, приложенного к кристаллу, прямо связана с величиной его деформации, а, следовательно, и с разностью потенциалов между его гранями. Это позволяет по измеренной величине напряжения узнать величину действующей на пьезокристалл силы.

Конструкция пьезоэлектрического датчика.

Рисунок 1.

Р - Измеряемое давление; 1- Пьезопластины; 2-Гайка из диэлектрика; 3-Электрический вывод; 4-Корпус (служащий вторым электрическим выводом); 5-Изолятор; 6-металлический электрод.

Область применения.

Пьезоэлектрические элементы идеальны при использовании в качестве электромеханических преобразователей. Они достаточно широко используются для изготовления пьезокерамических компонентов, узлов и устройств. Некоторые пьезокерамические элементы уже изначально могут выполнять функции компонента или узла (например, пластинчатые биморфы) и не нуждаются в дополнительной доработке. Все изделия, изготовленные на базе пьезокерамики, подразделяют на следующие основные группы: генераторы, датчики (сенсоры), актюаторы (пьезоприводы), преобразователи и комбинированные системы). Пьезокерамические генераторы Они преобразуют механическое воздействие в электрический потенциал, используя прямой пьезоэффект.

Примерами могут служить искровые воспламенители нажимного и ударного типов, применяемые в разного рода зажигалках и поджигающих системах, а также твердотельные батареи на основе многослойной пьезокерамики, применяемые в современных электронных схемах.

Пьезокерамические датчики преобразуют механическую силу или движение в пропорциональный электрический сигнал, то есть также основаны на прямом пьезоэффекте. В условиях активного внедрения компьютерной техники датчики являются незаменимыми устройствами, позволяющими согласовывать механические системы с электронными системами контроля и управления.

Выделяются два основных типа пьезокерамических датчиков: осевые (механическая сила действует вдоль оси поляризации, мода 33) и гибкие (сила действует перпендикулярно оси поляризации (мода 31)). В осевых датчиках в качестве пьезоэлементов используют диски, кольца, цилиндры и пластины. В качестве примеров можно привести датчики ускорения (акселерометры), датчики давления, датчики детонации, датчики разрушения и т.п.

Гибкие датчики строятся на основе последовательных (слои керамики имеют противоположную направленность поляризации) и параллельных (направленность поляризации слоев совпадает) пьезокерамических биморфов. Наиболее распространены датчики силы и ускорения.

Пьезокерамические актюаторы (пьезоприводы). Актюаторы строятся на принципе обратного пьезоэффекта и поэтому предназначены для преобразования электрических величин (напряжения или заряда) в механическое перемещение (сдвиг) рабочего тела. Актюаторы подразделяются на три основные группы: осевые (мода d33), поперечные (мода d31) и гибкие (мода d31). Осевые и поперечные актюаторы имеют еще общее название -- многослойные пакетные, так как набираются из нескольких пьезоэлементов (дисков, стержней, пластин или брусков) в пакет. Они могут развивать значительное усилие (блокирующую силу) до 10 кН при управляющем напряжении 1 кВ, но при очень малых отклонениях рабочей части (от единиц нанометров до сотен микрон). Такие актюаторы также называют мощными.

Гибкие актюаторы (биморфы) развивают незначительную блокирующую силу при малых (сотни микрон) отклонениях рабочей части. Однако американской компании APC International Inc. удалось создать и выйти на рынок с новым типом пластинчатого биморфа -- «ленточным актюатором» (зарегистрированная торговая марка). Ленточный актюатор может обеспечивать блокирующую силу 0,95 Н и величину отклонения 1,2 мм или отклонение до 3 мм и блокирующую силу 0,6 Н.

Гибкие актюаторы относятся к группе маломощных. К этой же группе будут относиться и перспективные осевые актюаторы, представляющие собой моноблок, изготовленный по технологии многослойной пьезокерамики.

Пакетные актюаторы могут производиться предприятиями, не связанными с производством пьезокерамики. Гибкие же и осевые актюаторы из многослойной керамики сами по себе являются пьезокерамическими элементами. Их могут производить только предприятия, владеющие технологиями и оборудованием для производства пьезокерамических элементов.

Пьезокерамические преобразователи предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Так же как и актюаторы, основываются на принципе обратного пьезоэффекта. Преобразователи в зависимости от диапазона частот подразделяются на три вида:

- звуковые (ниже 20 кГц) -- зуммеры, телефонные микрофоны, высокочастотные громкоговорители, сирены и т.п.;

- ультразвуковые -- высокоинтенсивные излучатели для сварки и резки, мойки и очистки материалов, датчики уровня жидкостей, дисперсионные распылители, генераторы тумана, ингаляторы, увлажнители воздуха. Значительной группой выделяются так называемые ультразвуковые измерители расстояния в воздушной среде (Air Transducers), являющиеся пьезокерамическими компонентами. Они используются в качестве измерителей расстояния для автотракторной техники, сенсоров наличия и движения в охранных системах, в уровнемерах, для дистанционного контроля и управления, в устройствах отпугивания птиц, зверей и сельскохозяйственных вредителей и т.д. Производятся устройства трех типов: передающие, приемные и приемо-передающие;

- высокочастотные ультразвуковые -- оборудование для испытания материалов и неразрушающего контроля, диагностика в медицине и промышленности, линии задержки и т.д.

Комбинированные пьезокерамические системы. Такие системы преобразуют электрические величины в электрические, при последовательном использовании обратного и прямого пьезоэффектов. В качестве примеров таких систем можно привести эхолоты, измерители потоков, пьезотрансформаторы, «искатель ключа».

Вопрос №2

Бесконтактное реле, выполненное на нелинейных элементах (динисторах, тиристорах и т.п.): схема, принцип действия.

Бесконтактными электрическими аппаратами называют устройства, предназначенные для включения и отключения (коммутации) электрических цепей без физического разрыва самой цепи. Основой для построения бесконтактных аппаратов служат различные элементы с нелинейным электрическим сопротивлением, величина которого изменяется в достаточно широких пределах, в настоящее время это - тиристоры и транзисторы, раньше использовались магнитные усилители.

Тиристорное реле представляет собой полупроводниковое переключающее устройство, выполненное на основе тиристора.

Тиристор - полупроводниковый прибор, имеющий четырехслойную p-n-p-n или n-p-n-p структуру.

Рисунок 2. Структурная схема

Рисунок 3. Схема тиристорного тиристора реле.

При подаче напряжения Еn на эмиттер и коллектор два крайних p-n перехода будут включены в прямом направлении, а центральный p-n переход в обратном. Если напряжение Еn не большое, то через тиристор протекает не большой ток, который определяется сопротивлением центрального p-n перехода. При увеличении Ep ток Iэ через тиристор увеличивается не значительно. Увеличение тока происходит до тех пор, пока напряжение на тиристоре не будет равно напряжению переключения, при котором происходит отпирание тиристора и ток увеличивается скачком. После того как откроется тиристор, его сопротивление становится небольшим и падение напряжения на нем будет равно U. Запирание тиристора осуществляется за счет уменьшения тока, проходящего через тиристор, изменения En.

Вопрос №3

Электромеханические муфты сухого трения. Принцип действия муфты сухого трения иллюстрируется рис. 3.1а. Муфта состоит из двух половин 1 и 2 (полумуфт), на которых укреплены диски трения 3 из фрикционного материала. Одна полумуфта может перемещаться вдоль своего вала на шпонке, другая соединена со своим валом жестко. Если прижать обе половины муфты друг к другу, то неподвижный до этого ведомый вал станет вращаться заодно с ведущим, т.е. произойдет сцепление валов за счет силы трения, препятствующей проскальзыванию дисков трения друг относительно друга.

Рис. 3.1. Принцип действия муфт сухого трения:

а - реверсивной, b - нереверсивной.

На рис. 3.1b показан принцип действия реверсивной муфты трения, позволяющей изменять направление вращения ведомого вала. Она представляет собой комбинацию двух простых нереверсивных муфт: ведомый диск 1 находится между двух ведущих дисков 2 и 3, вращающихся в разные стороны. Направление вращения ведомого диска можно менять, прижимая его то к одному, то к другому ведущему диску. Ведущие диски приводятся во вращение или двумя отдельными двигателями или одним общим. В последнем случае один из дисков соединяется с двигателем через зубчатую передачу, изменяющую направление его вращения по сравнению с другим диском.

Если необходимо быстро тормозить, то ведомый вал муфты трения комбинируют с тормозом. Такая комбинированная муфта выглядит как реверсивная (рис. 3.1 b), только второй ведущий диск в этом случае заменяется неподвижным диском, жестко укрепленным на основании муфты. Торможение ведомого диска осуществляется путем прижатия его к этому неподвижному диску.

Прижатие частей муфты друг к другу может осуществляться, например, с помощью гидравлического или пневматического сервомотора. Тогда мы имеем соответственно гидравлическую или пневматическую муфту трения с гидравлическим или пневматическим управлением. Если же части муфты сжимаются с помощью какого-либо электромеханического преобразователя, то получается электромеханическая муфта трения.

Основное распространение получили электромеханические муфты трения с электромагнитным управлением, где для сцепления обеих половин муфты применяется электромагнит. Наиболее быстродействующие электромеханические муфты трения выполняются с магнитоэлектрическим управлением. В этом случае вместо электромагнита применяется магнитоэлектрический преобразователь электрического сигнала в перемещение и силу.

На рис. 3.2а показан фрагмент простейшей нереверсивной муфты трения с электромагнитным управлением. Она представляет собой электромагнит, состоящий из якоря 1 и магнитопровода 2 с обмоткой 3. Подвод тока в обмотку осуществляется с помощью двух контактных колец со щетками.

Рис. 3.2. Муфта трения с электромагнитным управлением:

а - однодисковая, b - многодисковая; 1 - якорь, 2 - магнитопровод, 3 - обмотка, 4 - диски трения, 5 - контактное кольцо.

На магнитопроводе и якоре укреплены диски трения 4. Якорь может перемещаться вдоль одного вала на шпонке. Магнитопровод укреплен на другом валу жестко. Якорь оттягивается от магнитопровода возвратной пружиной (она на рисунке не показана). Поэтому при отсутствии тока в обмотке ведомый вал неподвижен. При подаче входного сигнала на обмотку якорь притягивается к магнитопроводу и происходит сцепление валов.

Муфты трения с электромагнитным управлением бывают однодисковыми (рис. 3.2 а) и многодисковыми (рис. 3.2 b). Многодисковыми делают мощные муфты для уменьшения их габаритов.

На рис. 3.3 показан вариант муфты трения с электромагнитным управлением и неподвижной обмоткой. Такие муфты не только свободны от скользящих контактов для подвода тока в обмотку, но и обладают большим быстродействием (имеют меньшую постоянную времени обмотки). Но зато они отличаются повышенными размерами обмотки из-за увеличенного воздушного зазора.

Рис. 3.3. Муфта трения с электромагнитным управлением и неподвижной катушкой: 1 - обмотка, 2 - магнитопровод, 3 и 4 - полумуфты, 5 - диски трения

В электромагнитных муфтах трения применяют, как правило, электромагниты постоянного тока, поскольку они обладают известными преимуществами перед электромагнитами переменного тока. При наличии сигнала переменного тока в электромагниты постоянного тока встраивают выпрямитель.

Расчет муфты трения с электромагнитным управлением состоит из расчета поверхностей трения и расчета электромагнита. Исходными данными являются величина вращающего момента, который должен передаваться муфтой, и габариты муфты. Рассмотрим порядок расчета муфты на примере дисковой муфты.

Передаваемый муфтой вращающий момент

,

где m - число поверхностей трения, определяемое числом дисков трения; К_р = (R₁/R₂)К_тр - расчетное отношение; К_тр - коэффициент трения, зависящий от материала дисков и состояния их поверхностей; R₁ и R₂ - внутренний и наружный радиусы дисков трения; р - давление, с которым диски прижимаются электромагнитом.

Задавшись наружным радиусом дисков трения R₂, можно найти число поверхностей трения m, необходимое для передачи заданного вращающего момента M, или задавшись m, можем найти R₂.

Тяговое усилие от электромагнита, определяется как

.

Далее проводится расчет электромагнита. Для уменьшения размеров обмотки, ограниченных допустимым ее нагревом, в мощных муфтах устраивают жидкостное охлаждение. Менее мощные просто снабжают ребрами, повышающими охлаждения.

Ориентировочные значения входящих в формулы величин: коэффициент трения К_тр для трущихся тел из стали, чугуна, бронзы примерно равен 0,1 - 0,2; для специальных фрикционных материалов типа ферродо его значение берут равным 0,4 - 0,8; отношение К_р берут равным 0,3-0,6; величина давления p=23 кг/см.

Рассмотрим динамику работы электромеханической муфты трения. Переходный процесс от момента подачи напряжения на обмотку муфты, когда ведомый вал неподвижен, до установления постоянной скорости вращения ведомого вала состоит из следующих трех этапов.

Первый этап - от подачи входного напряжения до момента соприкосновения поверхностей трения - представляет собой этап срабатывания электромагнита. Его продолжительность равна времени срабатывания электромагнита. При необходимости его уменьшения применяют обычные способы изменения временных параметров электромагнитов.

Второй этап заканчивается полным сцеплением поверхностей трения. Это этап, на протяжении которого прекращается скольжение ведомого вала относительно ведущего. Однако переходный период этим не заканчивается, так как в результате сцепления полумуфт, к двигателю, вращающему ведущий вал и работавшему ранее вхолостую, оказывается приложенной нагрузка ведомого вала. Поэтому после второго этапа наступает третий этап, представляющий собой переходный процесс для приводного двигателя, вызванный набросом нагрузки.

Полное время срабатывания муфты с электромагнитным управлением, равное сумме времен всех трех этапов переходного процесса измеряется сотыми и десятыми долями секунды.

Рассмотренные муфты трения применяются, главным образом, для жесткого соединения валов. Однако и с их помощью можно осуществить плавное изменение установившегося значения скорости ведомого вала путем импульсного управления муфтой. В этом случае входной сигнал представляет собой импульсы напряжения, следующие с постоянной частотой, За время импульса муфта срабатывает и ведомый вал начинает разгоняться; за время паузы между импульсами происходит отпускание муфты и торможение вала. При этом скорость ведомого вала колеблется относительно некоторого среднего значения с частотой следования управляющих импульсов.

Величиной этого среднего значения можно управлять, изменяя скважность выходных импульсов.

Список литературы

1. Андреев Ф.Ф. Электронные устройства автоматики и их расчет. М., «Машиностроение», 1971. 350 с.

2. Башта Т.М. Теоретические основы электротехники. Госэнергоиздат, 1960. 368 с.

3. Основы автоматического управления. М., Воениздат. 1964. 607 с.