автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Энергосберегающие пневматические приводы технологических машин

На правах рукописи

ОСИПОВ Владимир Александрович

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Специальность 05.02.02 - машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 2004

Работа выполнена во Владимирском государственном университете

Научный руководитель.

доктор технических наук, профессор А.И. Евдокимов

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор В.В: Козырев

кандидат технических наук Ю.В.Черкасов

Ведущее предприятие

научно-исследовательский проектно-технологический институт «МИКРОН»

Защита состоится «_»_2004 г. в_часов_мин. на заседании диссертационного совета Д.212.025.05 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан «_»_2004 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

; Кострольсь::"] экземпляр}

СИ. Малафеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пневматические приводы нашли широкое применение в различных технологических машинах (в станках, автооператорах, промышленных роботах, различных приспособлениях и т.д.). Это объясняется целым рядом их достоинств: относительно малая стоимость, высокие скорости перемещения груза, надежность, пожаро- и взрывобезо-пасность, малая чувствительность к условиям работы (к радиации, перегрузкам и т.д.). Сжатый воздух является одним из самых дорогих видов энергии, используемых в современной промышленности: 1 кДж энергии, получаемый в пневмоприводах машин и механизмов, использующих сжатый воздух, обходится в 7 - 10 раз дороже, чем 1 кДж, получаемый при работе электропривода. На производство сжатого воздуха расходуют в среднем около 20 % всей потребляемой промышленностью электрической энергии. В типовом пневматическом приводе сжатый воздух после выполнения технологического процесса из выхлопной полости бесполезно сбрасывается в атмосферу. Для сохранения этой энергии разработано множество способов ее вторичного использованияЛ Известные схемы приводов с вторичным использованием сжатого воздуха могут позволить сэкономить не более 40 % энергии газа, находящегося в выхлопных полостях пневмодвигателей, значительная же часть энергии сжатого воздуха бесполезно сбрасывается в атмосферу. Также данные схемы приводят к снижению скорости срабатывания привода и, следовательно, к снижению производительности; представляют сложную конструкцию; могут позволить сэкономить энергию только при рабочем ходе привода или при использовании неполного хода привода; приводят к снижению требуемого усилия в конце хода. Таким образом, работа по созданию энергосберегающего пневматического привода с высокими динамическими свойствами, способного сэкономить значительно больше энергии, чем в известных схемах, актуальна и представляет большой практический интерес.

Цель н основные задачи - разработка энергосберегающих пневмоприводов с высокими Динамическими свойствами для технологических машин-автоматов, способных сэкономить значительно больше энергии, чем экономится в известных схемах. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать структурные схемы энергосберегающих пневматических приводов.

2. Разработать критерий количественной оценки энергосбережения пневмоприводов.

3. Разработать режимы работы энергосберегающих пневмоприводов.

4. Разработать математическую модель

ских приводов.

5. Построить опытный образец привода, провести исследования его динамики и подтвердить эффективность предложенных структурных схем.

Методы исследований, Теоретические исследования влияния параметров привода на его динамические характеристики выполнены расчетным путем с помощью семейства специально разработанных программ, использующих, методы численного интегрирования. Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке, созданной на базе промышленного пневматического привода. Для получения экспериментальных данных использовались датчики с выводом показаний на персональный компьютер при помощи платы АЦП и программного обеспечения PowerGraph.

Научную новизну работы составляют:

- критерий энергосбережения пневматических приводов;

- структурное решение привода, заключающееся в использовании в качестве энергосберегающего устройства аккумулятора энергии сжатого воздуха, подключенного к выхлопной линии пневмопривода через обратный клапан;.

- математическая модель энергосберегающих пневматических приводов; Практическая ценность работы заключается:

- в разработанном программном обеспечении;

в рекомендациях по проектированию энергосберегающих пневмоприводов;

- в разработке устройства пневмопривода со значительным энергосбережением и высокими динамическими свойствами.

Реализация результатов. Результаты работы используются:

- Владимирским ЗАО НПО «Техкранэнерго» при проектировании приводов технологического оборудования;

- Владимирским - государственным университетом в учебном процессе при прохождении студентами лабораторного практикума. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ВлГУ 2002 - 2004 гг., международных научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы, управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств» (Владимир, 2002 г.), «Актуальные проблемы машиностроения» (Владимир, 2002 г.), «Итоги строительной науки» (Владимир, 2003 г.), международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей» (Владимир, 2003 г.).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- структурная схема энергосберегающего пневматического привода;

- критерий количественной оценки энергосбережения в пневматических приводах;

- математическая модель энергосберегающих пневматических приводов;

- результаты экспериментальных исследований динамики привода;

- схемы энергосберегающих пневмоприводов с вторичным использованием сохраненной энергии сжатого воздуха.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 8 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложений. Общий объем работы - 182 страницы машинописного текста, включая 86 рисунков на 65 страницах, 11 таблиц. Список использованной литературы состоит из 78 наименований. Приложение объемом 28 страниц содержит тексты программ и два акта внедрения результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цели настоящей работы и представлена краткая аннотация.

В первой главе диссертационной работы дан информационный обзор существующих схем и способов снижения энергопотерь при производстве, транспортировании и использовании сжатого воздуха в пневматических системах и приводах, проведен анализ схем с точки зрения энергосбережения, рассмотрены их области применения, преимущества и недостатки, поставлена задача исследования. ;

Разработке пневмоприводов со сниженными затратами энергии посвящены работы Е.В. Герц, Г.В. Крейнина, А.И. Кудрявцева, В.И. Дегтярева и других. В известных работах рассматривался вопрос о сохранении энергии сжатого воздуха выхлопных полостей пневмоприводов в аккумулирующей емкости, с последующим вторичным использованием этой энергии.

Известные схемы приводов, которые используют вторично энергию сжатого воздуха, способны сэкономить не более 40 % энергии. Также эти схемы приводят к снижению скорости срабатывания привода, представляют сложную конструкцию; позволяют сэкономить энергию только при рабочем ходе привода или при использовании неполного хода привода; приводят к снижению требуемого усилия в конце хода.

На сегодняшний день существует потребность в разработке пневмопривода со значительным энергосбережением, который является при этом взрыво- и пожаробезопасным, компактным и недорогим.

На основании проведенного информационного обзора и анализа схем, способов энергосбережения в пневмоприводах следует, что наиболее пер-

спективным является разработка схем пневматических приводов со снижением энергозатрат за счет перераспределения энергии из выхлопных полостей пневмоприводов в аккумулирующую емкость и вторичного использования сохраненной энергии в пневматических системах и приводах.

Исходя из вышеизложенного, были сформулированы задачи исследования:

- разработать принципиальные структурные схемы и режимы работы энергосберегающих пневматических приводов;

- разработать критерий количественной оценки энергосбережения пневмоприводов;

- для разработанных схем приводов разработать математическую модель,

алгоритм и программное обеспечение для расчета динамических параметров;

- при помощи математического моделирования определить влияние пара-

метров привода на его работу;

- экспериментально подтвердить полученные результаты.

Во второй главе рассмотрены структурные схемы энергосберегающих пневмоприводов, вводится понятие коэффициента возврата энергии из выхлопной полости, приведен вывод формул коэффициента возврата энергии для различных случаев перераспределения энергии и математической модели энергосберегающих пневматических приводов. Описан алгоритм и на его основе разработана программа для исследования динамики привода.

Одна из структурных схем энергосберегающих пневмоприводов представлена на рис. 1. Схема состоит из пневмодвигателя 1, в котором перемещается поршень 3. Поршень жестко соединен со штоком 5, который перемещает груз 6. В схеме имеется пневматическая емкость (аккумулирующая) 15, которая может подключаться к поршневой полости 2 через распределитель 9 и обратный клапан 12 или к штоковой полости через распределитель 10 и обратный клапан 13 в зависимости от направления хода. Аккумулирующая емкость предназначена для сохранения перераспределенной энергии из выхлопной полости для* дальнейшего вторичного ее использования по каналам 16,17.

Для сообщения полостей привода, включая вредное пространство («врожденный» объем пневмоцилиндра и объем соединительных линий от пневмоцилиндра до обратного клапана), с атмосферой предусмотрен распределитель 18, который через обратный клапан 11 соединяет с атмосферой пространство поршневой полости 2, а через обратный клапан 14 -штоковой полости 4. Управление прямым и обратным ходом осуществляется при помощи распределителей 9,10 с пневматическим управлением.

Рис. 1. Структурная схема энергосберегающего пневматического привода: 1 - силовой пневмоцилиндр; 2 - поршневая полость; 3 - поршень; 4 - штоковая полость; 5 - шток; б — инерционная нагрузка; 7 - технологическая нагрузка; 8 - датчики положения; 9, 10 - двухпо-зиционпые трехлинейные распределители; 11, 12, 13, 14 - обратные клапаны; 15 - пневмоемкость; 16, 17 - каналы съема низкого давления; 18 - двухпозиционный двухлинейный распределитель; 19 — регулятор давления; 20 - система программного управления; Рм — магистральное давление

Для количественной оценки сохраненной энергии из выхлопной полости пневмоцилиндра вводится понятие критерия энергосбережения. В качестве критерия энергосбережения предлагается коэффициент возврата энергии К (коэффициент энергосбережения), который равен отношению энергии, перераспределенной и сохраненной в аккумулирующей емкости, к энергии, содержащейся в выхлопной полости до ее перераспределения.

(1)

где Эг - энергия сжатого газа в выхлопной полости пневмоцилиндра 1 до открытия клапана 3 (рис. 2), определяемая по формуле (Дж);

Э, - энергия сжатого газа, перешедшая из выхлопной Полости пневмоци-

3=3,-3,, (2)

где Э3 - энергия сжатого газа, оставшаяся в выхлопной полости пнев-моцилиндра 1 после открытия вентиля 3, которая определяется по формуле

Давление равновесия Р в выхлопной полости и аккумулирующей емкости после перераспределения энергии определяется из закона Дальтона:

(у2+у3)>

р = р2(у1+ч>в) + р1у, .-умите^О. (4)

Рис. 2. Схема перераспределения энергии между выхлопной полостью 1 и аккумулирующей емкостью 2 при открытии клапана 3; 4 - объем вредного пространства выхлопной полости

Были выведены математические функции для различных случаев перераспределения энергии, соответствующих различным режимам работы пневмопривода. .

к = 1_РУг + Щ при у2 =соп51и(о0=>0.

(5)

РгЪ + Рг*;

, Рг[Уг +<в0)ет0 + ЛКсо.

\v\vtv2 V приГ2=уагисо0*0. (6)

где со0объем вредного пространства выхлопной полости:

®0 = ^02.+ -Т^. (7)

4

где уп - «врожденный» объем пневмоцилиндра;

nd%

—"— - объем соединительных линий диаметром d и длиной / от вы-

4 "

хлопной полости пневмоцилиндра до обратного клапана аккумулирующей

емкости.

^ = ^ при Уг = const, Р> = const, со0 =>0. (8)

Используя уравнение (5), были построены графики зависимости коэффициента энергосбережения К от объема аккумулирующей емкости У} при различных объемах выхлопной полости пневмопривода с начальными параметрами рг =0,7 МПа, р} =0,1 МПа (рис. 3). Из графиков видно, что при росте V3 от 0 до 15 л коэффициент К резко возрастает, при V3 больше 15 л рост коэффициента К происходит плавно. При У} выше 50 л коэффициент К увеличивается незначительно.

Используя уравнение (5), также были построены зависимости коэффициента энергосбережения К от объема аккумулирующей емкости при различных давлениях в выхлопной полости Р2 (давление в выхлопной полости в начале процесса перераспределения равно давлению пневмосети Рм) для пневмопривода с начальными параметрами К2=2 Ji, ij=0,l МПа (см. рис. 4). Из графиков видно, что при росте Р2 коэффициент К возрастает. При давлении Рг больше 0,7 МПа коэффициент энергосбережения увеличивается незначительно.

Используя уравнение (6), была построена зависимость коэффициента энергосбережения К от объема аккумулирующей емкости для случая перераспределения энергии при переменном объеме (движение поршня) (кривая 9, см. рис. 4). Зависимость построена для пневмопривода с начальными параметрами МПа. Из графика видно, что если перераспределять энергию из выхлопной полости при подвижном поршне, будем иметь максимальный коэффициент возврата энергии практически независимо от объема аккумулирующей емкости.

Для схемы пневмопривода разработаны четыре режима работы, которые реализуются определенной очередностью срабатывания распределителей 9, 10, 18 (см. рис. 1). Режимы обеспечивают максимальное энергосбережение, минимальное время рабочего хода штока и максимальное усилие на штоке привода в конце хода. Ниже приведен алгоритм реализации режимов на примере прямого хода поршня (движение поршня слева направо).

"1-Г--Г-1-I-1—|-1-1

10 15' 20 25 30 35 40 45 50

Объём Уъ, л

Рис. 3. Зависимость коэффициента энергосбережения К от объема аккумулирующей емкости У3дляразличныхобъемов выхлопныхпо-лостей V.2

40 45 50 Объем К3, л

Рис. 4. ЗависимостькоэффициентаэнергосбереженияКотобъема аккумулирующей емкостиУ^ для различных давлений сети, МПа:

Режим № 1 осуществляется следующим образом (см. рис. 1): в исходном состоянии (поршень втянут) давление в штоковой полости 4 равно давлению сети давление в поршневой полости 2 и аккумулирующей емкости 15 равно атмосферному, После одновременного переключения

распределителя 9, подающего сжатый воздух из магистрали в поршневую полость 2, и распределителя 10, соединяющего штоковую полость и аккумулирующую емкость, давление в поршневой полости растет, а в штоко-вой - снижается. Между штоковой полостью и аккумулирующей емкостью происходит процесс перераспределения энергии, содержащейся в полости, до переключения распределителей. Давление в рабочей полости возрастает настолько, чтобы преодолеть силы сопротивления привода, поршень начинает движение. Во время заключительного периода давление в поршневой полости растет до давления сети Рм, а в штоковой - снижается до давления равновесия между выхлопной полостью и аккумулирующей емкостью.

При каждом такте давление в аккумулирующей емкости4 растет и растет воздушная подушка (давление равновесия) в выхлопной полости пнев-моцилидра, которая снижает быстродействие привода. Этому режиму соответствует коэффициент возврата энергии, определяемый по формулам (6) и (9). Аналогично происходит обратный ход привода. Из формул видно, что при стремлении объема вредного пространства <а0 к нулю коэффициент возврата энергии Кх стремится к единице; Однако если учесть, что в очередном такте выхлопная полость будет выполнять функцию рабочей полости, то энергия сжатого воздуха в нерабочей полости в

этом случае является сохраненной, т.е. результирующий коэффициент /Г, = 1. Таким образом, режим № 1 обеспечивает полное сохранение потенциальной энергии выхлопной полости (в реальных системах присутствуют незначительные потери на утечки и теплообмен с окружающей средой). Недостатком режима № 1 является то, что подпор в выхлопной полости приводит к уменьшению быстродействия привода и результирующего усилия на штоке.

Режим № 2 осуществляется следующим образом (см. рис. 1): исходное состояние аналогично режиму № 1. Работа привода осуществляется за два такта. Первый такт - сжатый воздух из штоковой полости 4 перераспределяется в аккумулирующую емкость 15 через распределитель 10, при этом давление в штоковой полости снижается до давления равновесия между выхлопной полостью и аккумулирующей емкостью. Второй такт начинается с включения распределителя 9, подающего сжатый воздух из магистрали в поршневую полость 2, при включенном распределителе 10, соединяющем штоковую полость и аккумулирующую емкость. Давление в поршневой полости растет, а в штоковой не изменяется до начала движения поршня и равно давлению равновесия. Давление в поршневой полости возрастает настолько, чтобы преодолеть силы сопротивления привода, поршень начинает движение. Заключительный период режимов № 1 и 2 аналогичен. Второму режиму соответствуют коэффициенты возврата энер-

гии, определяемые по формулам (6) и (9). Так как в момент подачи давления сети в поршневую полость давление в выхлопной полости равно давлению равновесия, .то поршень начинает двигаться быстрее, чем в режиме № 1. Таким образом, режим № 2 позволяет аналогично режиму № 1 сохранить практически всю потенциальную энергию из выхлопной полости и увеличить быстродействие привода, но результирующее усилие, как и в режиме № 1, снижается.

Режим № 3 осуществляется следующим образом (см. рис. 1): исходное состояние аналогично режиму № 1. Работа привода осуществляется за три такта. Первый такт аналогичен первому такту режима № 2. Второй такт представляет собой сбрасывание в атмосферу воздуха из штоковой полости 4 и соединительных линий между обратным клапаном 13 и пневмоци-линдром 1 через распределитель 18. В штоковой полости устанавливается атмосферное давление. Третий такт начинается с одновременного переключения распределителя 9, подающего сжатый воздух из магистрали в поршневую полость 2, при переключении распределителей 10 и 18 в положение, обеспечивающее сообщение штоковой полости с атмосферой. Давление в поршневой полости растет, а в штоковой до начала движения не изменяется и равно атмосферному. Давление в поршневой полости возрастает настолько, чтобы преодолеть силы сопротивления привода, поршень начинает движение. После выполнения прямого хода давление в рабочей полости растет до давления сети а в штоковой полости снижается до атмосферного давления. Коэффициент возврата для режима № 3 определяется по формулам (5) и (8). Режим обеспечивает сохранение более 65 % энергии сжатого воздуха выхлопной полости. Так как движение поршня происходит со сбросом воздуха из штоковой полости в атмосферу, то и скорость такого движения больше чем в режимах № 1 и 2. Режим № 3 обеспечивает максимальную скорость поршня и максимальное усилие на штоке.

Режим № 4 осуществляется следующим образом (см. рис. 1): исходное состояние аналогично режиму № 1. Работа привода осуществляется за два такта. Первый такт аналогичен работе привода по первому режиму. Второй такт - в конце хода после завершения процесса перераспределения энергии между штоковой полостью 4 и аккумулирующей емкостью 15 полость соединяется с атмосферой через распределитель 18. Этому режиму соответствует коэффициент возврата энергии, определяемый по формулам (6) и (9). Режим № 4 обеспечивает сохранение энергии более 90 % и максимальное усилие на штоке в конце хода.

Математическая модель энергосберегающего пневматического привода для прямого хода записывается в виде системы из семи нелинейных дифференциальных уравнений следующим образом:

- уравнение движения поршня пневмоцилиндра

м

X =•

уравнение наполнения рабочей полости цилиндра

к

л - л*1*); (П)

- уравнение опорожнения выхлопной полости цилиндра

(12)

- уравнение наполнения аккумулирующей емкости, подключаемой к выхлопной полости цилиндра,

(13)

- уравнение, описывающее изменение температуры в рабочей полости цилиндра,

• Тх • __Р]\_' О.Щ2 „,ч

04)

- уравнение, описывающее изменение температуры в выхлопной полости цилиндра,

Г ... тг ' , од ,

2~р/2 (УВг+К(5-х))Х+ р^.+ К^))' (15)

- уравнение, описывающее изменение температуры в аккумулирующей емкости, подключенной к выхлопной полости цилиндра,

(16)

Рз РУг

При составлении математической модели энергосберегающего пневмопривода приняты следующие обозначения:

- площади поршня в рабочей и выхлопной полостях пневмоци-линдра;

- площадь штока;

- расход воздуха, поступающего из магистрали;

- расход воздуха, вытекающего из выхлопной полости привода в присоединенную к ней аккумулирующую емкость;

- показатель адиабаты;

- масса груза, перемещаемого приводом;

- суммарная масса поступательно движущихся частей привода;

РоРг

> Ты -

Г«> Уш -

-

сила трения;

давление воздуха в рабочей и выхлопной полостях привода соответственно;

давление воздуха в аккумулирующей емкости, подключенной

к выхлопной полости привода;

давление окружающей среды;

универсальная газовая постоянная воздуха;

рабочий ход привода;

абсолютные температура воздуха в рабочей и выхлопной полостях;

абсолютная температуры воздуха в аккумулирующей емкости, подключенной к выхлопной полости привода; абсолютные температуры окружающей среды и магистрали; объемы вредного пространства в рабочей и выхлопной полостях;

объем аккумулирующей емкости, подключенной к выхлопной полости привода;

координата, скорость и ускорение поршня пневмопривода;

Расход воздуха через дроссели и штуцеры рассчитывается по формулам Сен Венана и Ванцеля в зависимости от режима течения воздуха.

Общего решения для таких систем не существует, поэтому на практике для их решения используются методы численные интегрирования, реализованные на ЭВМ.

Для исследования динамики пневмопривода и влияния на работу привода различных параметров был разработан алгоритм, реализующий математическое моделирование работы привода. Предложенный алгоритм производит решение систем дифференциальных уравнений стандартным методом Рунге-Кутта четвертого порядка..

На основе составленных алгоритмов разработано семейство программ, которые могут исследовать динамику приводов и быть использованы для проектирования приводов такого типа. Все разработанные программы написаны на языке программирования рассчитаны на русскоязычного пользователя и могут работать в средах DOS и Windows.

В третьей главе описаны методика и содержание машинных экспериментов, произведенных с математической моделью энергосберегающих пневмоприводов, приведены выводы по этим исследованиям.

Сущность машинных- экспериментов заключалась в исследовании режимов работы энергосберегающих пневмоприводов, а также в выяснении, как влияет на работу привода изменение давления в пневматической сети Рм, аккумулирующей емкости Р3 и массы груза на штоке. Переходные про-

цессы в исследуемых моделях приводов получались при помощи разработанного программного обеспечения в виде текстовых файлов с массивами чисел, на основе которых строились графики переходных процессов в редакторе MSExcel 8.O. При проведении машинных экспериментов было исследовано более 500 математических моделей пневматических приводов с длиной хода 300 мм, как наиболее часто применяемых в технологических машинах.

Проведенные машинные эксперименты показали эффективность предложенной схемы энергосберегающего пневматического привода, т.е. подтвердили возможность перераспределения и сохранения значительной части энергии выхлопной полости привода при высоких динамических свойствах.

Выяснилось, что на работу привода главным образом влияет давление в аккумулирующей емкости Р) (режимы № 1,2, 4). С увеличением давления в аккумуляторе до 0,25 МПа время хода tu увеличивается на 10 % по сравнению с типовым приводом, а в абсолютных величинах порядка 0,05 с. В большинстве пневматических технологических машин такое увеличение времени хода допустимо.

В процессе исследований было проверено влияние возможных упрощений математической модели энергосберегающего пневмопривода на точность результатов расчетов. Выяснилось, что помимо сокращения машинного времени упрощения модели приводят к значительным расхождениям результатов расчета по сравнению с точной моделью.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям энергосберегающего пневматического привода.

Для проведения опытов была создана экспериментальная установка (рис. 5). Установка состоит из следующих элементов: 1 - пневмодвигатель с длиной хода S - 0,3 м; 3 - поршень диаметром D„= 0,08 м; 2,4 - поршневая и выхлопная полости; 5 - шток; 6 - набор грузов; 7, 8, 13 - пневматические трехлинейные двухпозиционные распределители; 9, 10 - обратные клапаны; 11 - ¿/-образный манометр; 12 - образцовый манометр; 14 - аккумулирующая емкость объемом Vj = 0,05 м3; 23, 25 — ресиверы; 15 -пневматический блок управления; 16, 17 - датчики давления; 18 - датчик перемещения; 19 - датчик скорости; 20,21 - манометры; 22 - компрессор с электродвигателем; 24, 26, 27 - регуляторы давления; 28 - датчики положения; 29 - кулачок; 30, 31 - двухпозиционные двухлинейные распределители. Информация с четырех датчиков передается на компьютер через плату АЦП. Установка предназначена для получения осциллограмм перемещения и давлений воздуха в полостях привода в реальном времени. Давление в аккумулирующей емкости контролируется с помощью образцового манометра и iZ-го манометра.

На данной экспериментальной установке были исследованы четыре режима работы привода, которые описаны выше.

В ходе экспериментальных исследований1 проверялась работоспособность предложенной схемы привода, т. е. определялась возможность получения в пневматическом приводе переходных процессов, которые сочетали бы значительное сохранение энергии из выхлопной полости и высокие динамические свойства.

На рис. 6 представлены наиболее характерные осциллограммы, полученные в результате экспериментов. Расхождения экспериментальных и теоретических кривых во всех случаях составили 3 - 15 %.

На рис. 7 показаны экспериментальные и полученные при помощи математического моделирования сводные графики зависимостей времени хода от начального давления в аккумулирующей емкости при различных давлениях в пневмосети рм. Расхождения экспериментальных и расчетных сводных графиков составили: по начальному давлению в аккумулирующей емкости 3-8 %, по массе груза 3 %. Расхождения экспериментальных и расчетных значений давлений в аккумулирующей емкости в конце хода составили: по начальному давлению в аккумулирующей емкости 4 - 8 %.

Полученные расхождения экспериментальных и теоретических результатов вызваны допущениями общего и частного порядка (допущения, принятые при составлении математической модели, погрешности измерительных приборов и погрешности в изготовлении'привода).

Для вторичного использования сохраненной энергии были разработаны следующие схемы пневмоприводов. Схема использования энергии сжатого воздуха выхлопной полости для питания пневматических систем управления. Энергия выхлопной полости пневмоцилиндра перераспределяется в аккумулирующие емкости систем питания среднего и низкого давления и затрачивается на питание мембранных и струйных элементов пневматической системы управления приводом.

Схема использования энергии сжатого воздуха выхлопной полости для холостого хода пневмоцилиндра и для работы привода, работающего на пониженном давлении.

Схема использования энергии сжатого воздуха выхлопной полости для повышения давления на входе компрессора. Аккумулирующая емкость присоединяется к всасывающей линии компрессора, это приводит к увеличению давления на входе в компрессор, тем самым значительно увеличивается КПД компрессора и соответственно всей системы.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

В приложениях приведены листинг программ и документы, в которых отражено использование результатов диссертационной работы.

Рис. 6. Опытные (сплошные) ирасчетные (штриховые) осциллограммы давлений (избыточных) в рабочей полости (1, 2), выхлопной полости (3, 4), аккумулирующей емкости (7), перемещения (5, 6),пневмопривода' £>,,=0,08 м, Э =0,3 м, Ри =0,7 МПа, Рз = 0,25 МПа

о «

о X к

8.

па

0,5

0,45

0.35

\ 3 5

:::: ;;;;; :Т • • • ' "

1 1,5 2 . 2,5

Давление в аккумулирующей ёмкости х 10% Па

Рис. 7. Сводные экспериментальные (сплошные) и расчетные (штриховые) графики зависимости времени хода (ц пневмопривода (П„ =0,08 м, 5 = 0,313 м, У} ■= 0,05 м3) от начального давления Рз в аккумулирующей емкости при различных давлениях в пневмо-сети■ 1, 2 - Ры «= 0,7 МПа; 3, 4 - Рт = 0,6 МПа; 5, б-Л, = 0,5 МПа

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны структурные схемы энергосберегающих пневматических приводов, которые позволяют сохранить энергию сжатого воздуха из выхлопной полости больше на 25 - 60 %, чем экономится в известных схемах.

2. Составлена математическая модель энергосберегающих пневматических приводов, которая позволяет проанализировать изменение динамических параметров приводов при их работе.

3. Разработан количественный критерий энергосбережения - коэффициент возврата энергии, который может быть применен при оценке величины сохраненной энергии сжатого воздуха из выхлопной полости пневмо-цилиндра. Получены математические функции для коэффициента возврата энергии.

4. Разработаны алгоритмы управления и исследованы различные режимы работы пневматических приводов, обеспечивающие максимальное энергосбережение, минимальное время рабочего хода штока и максимальное усилие на штоке привода в конце хода.

5. Разработаны алгоритмы расчета и программное обеспечение для ЭВМ, которые могут быть использованы для определения параметров, обеспечивающих эффективную работу энергосберегающего пневматического привода.

6. Проведены машинные эксперименты, которые подтвердили работоспособность предложенной схемы энергосберегающего пневматического привода.

7. Разработан, практически построен, отлажен, экспериментально исследован энергосберегающий пневматический привод.

8. Экспериментальные исследования пневматического привода показали его высокие динамические и энергосберегающие свойства. В результате экспериментальных исследований получены данные, подтверждающие приемлемую адекватность математической модели реальным динамическим параметрам привода.

9. Предложены энергосберегающие схемы пневмоприводов с вторичным использованием энергии, сохраненной в аккумулирующей емкости.

10. Основными результатами работы являются развитие теории и разработка пневматических приводов со значительным энергосбережением.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Евдокимов А.И., Осипов В.А. Схемы энергосбережения для пневматических приводов // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: Сб. науч. тр. - Владимир, 2003.-С. 364-365.

2. Евдокимов А.И., Осипов В.А., Пиголкин С.А. Задачи системного проектирования пневматических приводов технологических машин // Строительная наука - производству: Сб. науч. тр. - Владимир, 2003.-С. 12-13.

3. Евдокимов А.И., Осипов В.А. Статика энергосберегающих пневмоприводов // Итоги строительной науки: Сб. науч. тр. - Владимир, 2003.-С. 178-181.

4. Осипов В.А., Евдокимов А.И. Энергосберегающий пневматический привод // Актуальные проблемы управления качеством производства и эксплуатации автотранспортных средств: Сб. науч. тр. - Владимир, 2002.-С. 165-166.

5. Осипов В.А., Евдокимов А.И., Шеногин М.В. Энергосберегающие пневматические приводы // Актуальные проблемы машиностроения: Сб. науч. тр. - Владимир, 2002. - С. 178 - 179.

6. Осипов В.А., Шеногин М.В. Математическая модель энергосберегающих пневматических приводов. Деп. реф. в библиографическом указателе ВИНИТИ «Депонированные научные - работы», 15. 03. 2004, № 435-В2004.

7. Осипов В.А. Экспериментальные исследования энергосберегающего пневматического привода. Деп. реф. в библиографическом указателе ВИНИТИ «Депонированные научные работы», 15. 03. 2004, № 436-В2004.

8. Осипов В.А. Схемы пневматических приводов со сниженными затратами энергии. Деп. реф. в библиографическом указателе ВИНИТИ «Депонированные научные работы», 15.03. 2004, № 437-В2004;

ЛР № 020275. Подписано в печать 29.04.04. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Times. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 0,93. Уч.- изд. л. 1 ДО. Тираж 100 экз.

Заказ J6£'£00W Редакционно-издательский комплекс Владимирского государственного университета. 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87.

312 5 40

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СХЕМ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОПОТЕРЬ

В ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ И ПРИВОДАХ

1.1. Система снабжения сжатым воздухом пневматических приводов и устройств

1.2. Снижение энергопотерь при производстве сжатого воздуха

1.3. Снижение энергопотерь при транспортировании сжатого воздуха

1.4. Снижение энергопотерь при использовании сжатого воздуха

1.4.1. Снижение энергопотерь путем снижения расхода сжатого воздуха

1.4.2. Снижение энергопотерь путем улучшения энергетических характеристик пневмоприводов.

1.4.2.1. Оптимизация взаимного расположения пневмоустройств в пневмоприводе

1.4.2.2. Схемы обеспечения повторного (многократного) использования энергии сжатого воздуха

1.4.2.3. Схемы снижения давления холостого хода до минимально допустимого значения

1.4.2.4. Снижение энергозатрат при использовании расширения сжатого воздуха

1.4.2.5. Снижение потребления сжатого воздуха при позиционном управлении пневмоцилиндрами двустороннего действия

1.4.2.6. Снижение энергозатрат при использовании пневмоприводов одностороннего действия

1.4.2.7. Энергосберегающие схемы торможения

1.5. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ

МОДЕЛЬ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ПНЕВМОПРИВОДОВ

2.1. Структурные схемы энергосберегающих пневмоприводов

2.2. Критерий оценки энергосбережения в пневматических приводах

2.3. Коэффициент энергосбережения известных схем пневматических приводов

2.4. Энергосберегающие режимы работы пневматических приводов

2.5. Математическая модель энергосберегающих

0 пневматических приводов . • , • • ■

2.6. Реализация математической модели энергосберегающих пневматических приводов на ЭВМ

Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ

ПРИВОДОВ.

3.1. Общая методика проведения машинных экспериментов

3.2. Исследование влияния параметров привода на его работу

3.3. Возможные упрощения математической модели

И' и их влияние на точность результатов

Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ

4.1. Экспериментальная установка для исследования параметров энергосберегающих пневматических приводов

4.2. Экспериментальные исследования энергосберегающих пневматических приводов

4.3. Сравнение результатов экспериментальных исследований с данными машинных экспериментов

4.4. Энергосберегающие схемы пневматических приводов с вторичным использованием энергии Выводы

Пневматические приводы получили широкое применение в самых различных отраслях народного хозяйства: в станкостроении, транспортном машиностроении, литейном и кузнечном производстве, строительном и автомобильном деле, полиграфическом машиностроении, самолётостроении, в ракетных двигателях, в космонавтике, в кожевенной и пищевой промышленности, на железнодорожном транспорте, в топливно-энергетическом комплексе, химической промышленности и т. д. В настоящее время трудно назвать отрасль промышленности, в которой бы не нашли применение пневматические приводы. Они используются в качестве приводов зажимных и транспортирующих механизмов, для дистанционного управления и регулирования, в контрольно-измерительных приборах, при автоматизации машин и устройств, работающих в агрессивных средах, в условиях пожаро - и взрывоопасности, радиации, а также в условиях высоких температур и значительных вибраций. Элементы пневмоавтоматики и пневмоприводы всё больше внедряются в медицинские приборы различного назначения - для искусственного дыхания, кровообращения, инъекций и т. д. [16].

Сжатый воздух является одним из самых дорогих видов энергии, используемых в современной промышленности: 1 кДж энергии, получаемый в пневмоприводах машин и механизмов, использующих сжатый воздух, обходится в 7-10 раз дороже, чем 1 кДж, получаемый при работе электропривода. На производство сжатого воздуха расходуется в среднем около 20 % всей потребляемой промышленностью электрической энергии. Поэтому вопросы сокращения энергетических потерь пневматических систем чрезвычайно актуальны.

Пневмоприводы работают на сжатом газе, который поочередно под давлением пневматической сети подается в ту или иную рабочую полость исполнительного пневмоцилиндра, при этом сжатый воздух из выхлопной полости выбрасывается в атмосферу, что связано со значительными потерями энергии и низким КПД пневмоцилиндров.

Таким образом, работа по созданию энергосберегающего пневматического привода, способного сэкономить значительную часть затраченной энергии, является актуальной и представляет большой практический интерес.

Проблеме разработки энергосберегающих пневматических приводов для технологических машин посвящены работы Герц Е.В., Крейнина Г.В. [15, 16], Кудрявцева А.И. [42], Дегтярева В.И. [24] и ряд других.

Цель работы. Разработка энергосберегающих пневматических приводов технологических машин.

Методы исследований. Теоретические исследования влияния параметров привода на его динамические характеристики выполнены расчётным путём с помощью специально разработанных программ, которые используют методы численного интегрирования. Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке, созданной на базе промышленного пневматического привода. Для получения экспериментальных данных использовались датчики с выводом показаний на персональный компьютер при помощи платы АЦП и программного обеспечения РолуеЮгар!!. Научную новизну работы составляют:

- критерий энергосбережения пневматических приводов;

- структурное решение привода, заключающееся в использовании в качестве энергосберегающего устройства - аккумулятора энергии сжатого воздуха, подключенного к выхлопной линии пневмопривода через обратный клапан;

- математическая модель энергосберегающего пневматического привода; Практическая ценность работы заключается:

- в разработанном программном обеспечении;

- в рекомендациях по проектированию энергосберегающих приводов;

- в разработке устройства энергосберегающего пневмопривода.

Реализация результатов. Результаты работы используются:

- ЗАО НПО «Техкранэнерго» при проектировании приводов технологического оборудования;

- Владимирским государственным университетом в учебном процессе при прохождении студентами лабораторного практикума.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Владимирского государственного университета 2002/2004 гг., заседаниях кафедры «Тепло-газоснабжение, вентиляция и гидравлика» ВлГУ.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

- структурная схема энергосберегающего пневматического привода;

- критерий количественной оценки энергосбережения в пневматических приводах;

- математическая модель энергосберегающих пневматических приводов;

- результаты экспериментальных исследований динамики привода;

- схемы энергосберегающих пневмоприводов с вторичным использованием сохраненной энергии сжатого воздуха.

Публикации. Основные положения диссертационной работы представлены в 8 публикациях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и приложений. Общий объём работы 182 страницы машинописного текста, включая 86 рисунков на 65 страницах, Птаблиц. Список использованной литературы содержит 78 наименований. Приложение состоит из 28 страниц, содержит тексты программ и два акта внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны структурные схемы энергосберегающих пневматических приводов, которые позволяют сохранить энергию сжатого воздуха из выхлопной полости больше на 25 - 60 %, чем экономится в известных схемах.

2. Составлена математическая модель энергосберегающих пневматических приводов, которая позволяет проанализировать изменение динамических параметров приводов при их работе.

3. Разработан количественный критерий энергосбережения - коэффициент возврата энергии, который может быть применен при оценке величины сохраненной энергии сжатого воздуха из выхлопной полости пневмоцилинд-ра. Получены математические функции для коэффициента возврата энергии.

4. Разработаны алгоритмы управления и исследованы различные режимы работы пневматических приводов, обеспечивающие максимальное энергосбережение, минимальное время рабочего хода штока и максимальное усилие на штоке привода в конце хода.

5. Разработаны алгоритмы расчета и программное обеспечение для ЭВМ, которые могут быть использованы для определения параметров, обеспечивающих эффективную работу энергосберегающего пневматического привода.

6. Проведены машинные эксперименты, которые подтвердили работоспособность предложенной схемы энергосберегающего пневматического привода.

7. Разработан, практически построен, отлажен, экспериментально исследован энергосберегающий пневматический привод.

8. Экспериментальные исследования пневматического привода показали его высокие динамические и энергосберегающие свойства. В результате экспериментальных исследований получены данные, подтверждающие приемлемую адекватность математической модели реальным динамическим параметрам привода.

9. Предложены энергосберегающие схемы пневмоприводов с вторичным использованием энергии, сохраненной в аккумулирующей емкости. 10.Основными результатами работы являются развитие теории и разработка пневматических приводов со значительным энергосбережением.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. 824 с. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. Справочное пособие. Изд. 3-е, перераб. и доп. / Под ред. Б.Д. Кошарско-го. Л.: Машиностроение, 1976, 488 с.

2. А. с. SU 1497397 AI (СССР). Объемный привод / А.И. Евдокимов. -Опубл. в Б. И. 1989, № 28.

3. А. с. SU 1665115 AI (СССР). Пневматический цифровой привод / А.И. Евдокимов. Опубл. в Б. И. 1989, № 27.

4. Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. М.: Машиностроение, 1972. 320 с.

5. Бойков H.A., Звездин П.С., Резник Л.Б. Измерение давлений при быс-тропротекающих процессах. М.: Энергия, 1970, 125 с. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1986, 544 с.

6. Бруевич Н.Г., Герц Е.В., Полякова М.А. Метод автоматизации динамических расчетов типовых пневматических приводов // Автоматизация труда в машиностроении. М.: Наука, 1973. С. 5-12.

7. Волков Ю.Г. Диссертация: Подготовка, защита, оформление: Практическое пособие/ Под. ред. Н.И. Загузова. Изд. 2-е, испр. И доп. М.: Гарда-рики, 2003.- 185 с.

8. Герц Е.В. Пневматические приводы. Теория и расчет. М.: «Машиностроение», 1969. - 359 с.

9. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие. -М., «Машиностроение», 1975. 272 с.

10. Герц Е.В., Зенченко В.П., Крейнин Г.В. Синтез пневматических приводов. М.: «Машиностроение», 1966. - 212 с.

11. Герц Е.В. Динамика пневматических систем машин. М.: Машиностроение, 1985. 255 с.

12. ГОСТ 15608-81 Пневмоцилиндры поршневые. Технические условия.

13. Голфман И. Определяют дефект по свисту// Рационализатор и изобретатель. 1986,-№ 11, С. 15

14. Градецкий В.Г., Рачков М.Ю. Роботы вертикального перемещения. М.: Тип. Мин. Образования РФ, 1997, 223 с.

15. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.

16. Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М.: «Машиностроение», 1973. - 360 с.