автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Гидравлический позиционный привод исполнительных движений механизмов машин

Полешкин Максим Сергеевич

ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПОЗИЦИОННЫМ ПРИВОД ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИИ

МЕХАНИЗМОВ МАШИН

Специальность: 05.02.02.- Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону - 2013

1 2 СЕН ¿013

005533015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Сидоренко Валентин Сергеевич.

Официальные оппоненты:

Жаров Виктор Павлович - доктор технических наук, профессор, зав. каф. «Теоретическая механика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет».

Шошиашвили Михаил Элгуджевич - доктор технических наук, профессор, зав. каф. «Мехатроника и гидропневмоавтоматика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ЮРГТУ, г. Новочеркасск).

Ведущая организация: Федеральное государственного бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева» (ФГБОУ ВПО «КГТА им. Дегтярева», г.Ковров).

Защита диссертации состоится 11 октября 2013г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.058.06 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ДГТУ, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разослан « 13 » августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., доцент

А.Т. Рыбак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из современных тенденций развития машиностроения является интенсификация рабочих процессов Машин и их автоматизация. При этом основным критерием является уровень производительности машин, однако наряду с ¿тим требуетбя повышать такие параметры как: точность, быстродействие, стабильность характеристик.

Создание технологического оборудования в виде комплексов со многими исполнительными движениями (ИД), позволяет добиться требуемого результата и потому является актуальной научно-технической задачей. Так в механизмах машин, обеспечивающих транспортирование или пространственную ориентацию объекта управления длительность ИД во многом определяет производительность рабочего цикла машины. В этих случаях должно обеспечиваться минимальное время {1:->тт) рабочего цикла при заданной точности перемещений.

В механизмах технологических машин продолжительность ИД, во,многом определяется рабочими ходами, а повышение производительности достигается улучшением динамики систем приводов. Для решения задач .такого класса широко применяются гидромеханические системы позиционирования, обладающие известными преимуществами. При этом, системы управления ГП, реализующие рабочие циклы машин, использующие электромеханические имеют ряд недостатков: длинную цепь прохождения сигнала от источника к потребителю; малую напряженность силового поля (РМАх ДО 2Мпа) и нестабильность циклов срабатывания до 0,15 с).

В этих условиях, как показывают исследования Трифонова О.Н., Лещенко В.А., устройства с гидравлическими линиями связи, реализующие подсистему управления [1], имеют преимущество и способны обеспечить высокое быстродействие и стабильную работу гидропривода.

Целью научной работы является повышение эффективности исполнительных движений целевых механизмов машин путем,, синтеза автоматизированного гидропривода с быстродействующим контуром гидравлического управления (КГУ) позиционными циклами. Для достижения поставленной в работе цели, были решены следующие задачи:

1. Обосновать принципы построения и реализации структуры позиционного гидропривода (ПГП) повышенного быстродействия и точности.

2. Разработать обобщенную математическую модель динамической системы предлагаемого автоматизированного позиционного гидропривода, с оригинальным быстродействующим контуром гидравлического управления.

3. Выполнить идентификацию рабочих процессов гидромеханического управляющего устройства - раскрывающую его расходно-перепадные характеристики.

4. Вычислительным и натурным экспериментами исследовать процесс _ позиционирования гидропривода, установить влияния основных

параметров КГУ на быстродействие и точность при позиционировании.

5. Обосновать рациональные параметры КГУ для проектирования АПГП, разработать инженерную методику его расчета и настройки при эксплуатации.

6. Выполнить апробацию и промышленное внедрение результатов исследования, инженерной методики расчета АПГП в условиях производства и учебного процесса кафедры «Гидравлика, ГПА и ТП» ФГБОУ ВПОДГТУ.

Методы исследования. Синтез рациональной структуры позиционного гидропривода, математическое моделирование процесса позиционирования, осциллографирование процесса позиционирования вычислительного и натурного эксперимента в реальном времени, многофакторный эксперимент, статистическая обработка и анализ результатов.

Научная новизна работы заключается:

1. В обосновании принципов построения и технической реализации АПГП повышенного быстродействия и точности с гидравлической подсистемой управления позиционированием механизмов машин.

2. В разработке обобщенной математической модели позиционного гидропривода с КГУ раскрывающей влияние структуры и параметров подсистемы управления на процесс позиционирования.

3. В выявлении нестационарных расходно-перепадных характеристик МФУУ в его проточной части и их аппроксимации для уточнения математической модели АПГП.

4. В установлении влияния гидравлических и кинематических параметров КГУ на быстродействие и точность АПГП, для его рационального проектирования.

Практическая значимость работы заключается:

1. В создании комплектного позиционного гидропривода с улучшенными характеристиками точности и быстродействия.

2.В создании многофункционального устройства управления позиционированием на основе модульного принципа построения гидропривода.

3.В разработке методики и специального аппаратного обеспечения для исследования нестационарных гидромеханических процессов в проточной части дросселирующих управляющих устройств, позволяющей уточнить их расходно-перепадные характеристики.

4.В разработке и апробации в условиях производства на ООО «Завод СтройНефтеМаш» {г.Ростов-на-Дону) инженерной методики с программной поддержкой процедуры расчета комплектного ЛГП, позволяющей сокращать затраты времени и средств.

5.В технической реализации и внедрении позиционного гидропривода в учебный процесс в ФГБОУ ВПО ДГТУ кафедры «Гидравлика, ГПА и ТП» и в производство на ЗАО «ЗМК» (г.Кисловодск).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ (г.Москва) в 2008, 2010г.; Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива» Каб.-Балк. ун-т. (г.Нальчик) 2009г.; Международной юбилейной научно-технической конференции БИТУ (г. Минск, Белоруссия) в 2010г.; XII Международной научно-технической конференции АС ПГП «Промышленная гидравлика и пневматика», ДНТУ (г. Донецк, Украина) в 2011г.; Ежегодных научно-технических конференциях «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства» Донского государственного технического университета, 2009-2012 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 21 работа в печатном и электронном виде, три из них в изданиях рекомендованных ВАК РФ, две в международных изданиях, получено два патента на изобретение.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащего общие выводы, список литературы из 132 наименований, 19 приложений, 71 рисунка, 36 таблиц и изложена на 252 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, направленной на решение важной научно-технической задачи повышения быстродействия и точности позиционных гидросистем механизмов машин и оборудования. Предлагаются способы решения этой задачи на основе синтеза оптимальных структур гидромеханических позиционеров, реализуя КГУ с улучшенными характеристиками, способный эффективно управлять траекториями движения целевых механизмов ATO.

В первой главе в результате информационного поиска в Российском и зарубежном гидроприводостроении, выделены основные тенденции развития: интенсификация и автоматизация рабочих процессов, модульный принцип построения механизмов и машин, внедрение самонастраивающихся и адаптивных систем. Выполнен обзор применяемых гидроприводов, проведен анализ их управляющих устройств формирующих контур управления и обеспечивающих позиционные циклы различных механизмов машин.

Повышение эффективности рабочих циклов ПГП неразрывно связано с совершенствованием действующих и созданием новых устройств их регулирования в составе управляющей подсистемы. Обладая известными преимуществами, широкое применение получают гидромеханические позиционирующие устройства [1], наиболее полно отвечающие таким требованиям. Главное из них - возможность организации оптимальных траекторий " движения ПГП, обеспечивающих достижение максимального быстродейЬтвйЯ при1 заданной точности позиционирования ИМ, т.о. сокращая используемую элементную базу и упрощая систему его управления.

Выполненганали^ 'библиографических источников и работ: Д.Н.Попова, О.Н.Трифонова, ..Е.А.Цухановой, В.Л.Каменецкого, отражающих проблемы динамического - анализа, синтеза и автоматизированного проектирования гидравлических .приводов. В ходе схемотехнического и патентного поиска выявлены недостатки присущие существующим решениям позиционных гидропри водов; i.-S с механическими, электромеханическими и электрогидравлическими системами управлениями.

Оценка состояния научных исследований в работах: В.С.Сидоренко, А.Г.Шуваева, И.В.Богуславского, A.M. Аль-Кудаха, В.И. Грищенко посвященных решению за^ач синтеза^схемотехнических решений ПГП и их управляющих устройств, теоретического экспериментального исследования процесса позиционирования, позволила выделить следующие особенности:

- организация позиционного цикла АПГП осуществлялась структурно разветвленным контуром гидравлического управления, что отражается на времени позиционного цикла и стабильности контура управления;

. - недостаточно, полно исследовано влияния нестационарных гидромеханических процессов управляющих устройств на их быстродействие и стабильность функционирования;

- отсутствует параметрическая : оптимизация управляющих устройств формирующих контур гидравлического управления;

Обзор и оценка состояния научных исследований по теме диссертационной работы позволили определить цель и сформулировать ее основные задачи (приведены на стр.3).

б

Во^ТЙВ£ШЖ8с обосновываются принципы построения структуры АПГП и технической реализации его контура гидравлического управления повышенного быстродействия и точности: t .

■ Введение изменяемой на «ходу» структуры АПГП, позволяющей реализовать рациональный позиционный цикл;

■ Создание многофункциональных управляющих устройств, минимизирующих элементную базу привода;

■ Интеграция гидромеханических и электронных устройств управления в единую мехатронную систему;

" Агрегатпо-модульный принцип построения управляющих устройств привода, объединяющий устройства в функциональные блоки его подсистем.

Анализ известных структур АПГП, позволил предложить пути повышения эффективности позиционных гидроприводов [8], при изменяющихся диапазонах их кинематических, силовых, энергетических характеристик. "На основании предлагаемых принципов, принята структура АПГП с управляемой сливной магистралью гидромотора, которая обладает следующими преимуществами:

• Отсутствие разрыва сплошности потока при больших ускорениях и высокая устойчивость против автоколебаний;

• Обеспечивает равномерное и устойчивое замедление, за счет двухсторонней жесткости питаемого ГМ при знакопеременных нагрузках;

• Минимизирует потери мощности на входе ГМ, отсутствует промежуточное гидравлическое сопротивление, в режиме передачи насос-гидромотор.

Задачи оптимального управления целевыми механизмами, решаемые в исследованиях Сидоренко B.C. - подтверждают эффективность гидромеханических устройств регулирующих противодавление в сливной магистрали с системой дополнительной фиксации выходного звена.

В качестве исследуемого рабочего цикла АПГП, был принят типовой позиционный цикл движения (рис.1) с трапецеидальной траекторией состоящий из участков: разгона АВ (ытах); установившегося движения ВС {wConst) и замедления СЕ (wmin). Процесс управления траекторией перемещения ВЗ осуществляется по 2-х отсчетной системе Кауфмана [4], реализуемой по средством КГУ: вращающимся распределителем с автономным задатчиком перемещений, сигнал от которого управляет гидромеханическим устройством, установленным в сливной магистрали гидродвигателя.

Рис.1. Траектория движения типового позиционного цикла ГП: срп0 - начальная координата;^, срп2, срп2-координаты переключения системы управления; ±Д<р- диапазон выбега ВЗ; срп - координата позиционирования

Обобщенная структурная схема предлагаемого АПГП приведена на рис.2, она поясняет состав и взаимные связи механической, гидравлической и управляющей подсистем.

Введением дополнительных управляющих ГЛС и МФУУ реализованы основные принципы построения АПГП. Силовую гидравлическую подсистему (СГП) составляют: энергосиловая установка (ЭСУ), гидродвигатель (ГД) и фиксирующее устройство (ФУ).

- - ГидраЬлические линии сбязи

Кинематические линии сбязи --------Электрические линии связи

Рис.2. Структурная схема АПГП

ЭСУ формирует требуемые параметры потока рабочей жидкости Р1,Р2/0.1,СЬ и преобразует его энергию в движение выходного звена ГД с заданными скоростью о>1 и крутящим моментом Мгм. Отработку заданного

позиционного цикла обеспечивает контур электрического управления (КЭУ). Его реализуют: датчик грубого перемещения (ДГП), кинематически связанный с гидродвигателем [5]. Срабатывание датчика перемещения и передача сигнала на устройство грубого перемещения (УГП) формирующего управляющее воздействие ру происходит в точке замедления, задаваемой автономным задатчиком перемещений АЗП.

Гидравлический сигнал на выходе УТП формируется за 0,001...0,003 с давлением для прямого управления МФУУ встроенным в гидравлическую силовую систему и управляющих сливной магистралью гидродвигателя. Передачу сигналов осуществляют управляющие гидролинии связи (УГЛС). МФУУ образуют: устройство управления (УУ) преобразующее и направляющее управляющий сигнал к исполнительному устройству (ИУ) регулирующему противодавление на сливе ГМ.

Конечная фиксация выходного звена ГД, для предохранения объекта управления ОУ от воздействия технологических нагрузок, выполняется устройством фиксации ВЗ при подаче сигнала от УТП.

Рис.3. Схема гидравлическая принципиальная ПГП

На основании структурной схемы (рис.2) реализован гидравлический позиционный привод (Патент на изобретение №2458261, РФ, МГ1К7 Р15В 11/12, М.С. Полешкин, В.С. Сидоренко, В.И. Грищенко [5]), принципиальная гидрокинематическая схема которого представлена на рис.3.

В своем составе содержит силовой и управляющий контур. Силовой контур включает: напорную и сливную гидролинии, гидромотор ГМ с выходным звеном ВЗ, кинематически связанный с крановым распределителем ВР с поворотной и установочной втулками с окнами, автономный задатчик перемещения АЗП, гидроуправляемый тормоз ГУТ, размещенный с возможностью взаимодействия с ВЗ и управляемый распределителем Р2с электромагнитным управлением и бак Б.

Многофункциональное устройство управления МФУУ (рис.4) включает: гидроуправляемый клапан ГУК, распределители Р4 и Р5, и регулируемый дроссель с обратным клапаном ДР+ОК.

Положение золотника распределителя Р4 определяется управляющим сигналом Ру1 от распределителя РЗ, а Р5 - при совмещении рабочих окон втулок вращающегося распределителя ВР.

Рис.4 Многофункциональное устройство управления: 1 - регулировочный винт; 2 - поршень; 3 - пружина КЛ1; 4-крышка; 5-корпус К/11; б-шайба опорная; 7 - золотник КЛ1; 8 - винт; 9-крышка К/12; 10-золотник КЛ2;11 - пружина КЛ2; 12- корпус КЛ2; 13 - дроссель с обратным клапаном; 14 - корпус Р4; 15,17 - распределители Р4, Р5; 16 - гидропанель.

Система грубого отсчета - электромеханическая (распределитель РЗ, и датчик грубого отсчета ДГО) фиксирует количество дискрет, соответствующих оборотам поворотной втулки ВР. ДГО информирует о скорости подхода к координате, а электронная система управления обеспечивает согласование

сигналов с АЗП. Система точного отсчета перемещения - гидромеханическая, срабатывает при совмещении рабочих окон втулок вращающегося распределителя в пределах заданной угловой дискреты.

Очередное угловое перемещение ВЗ задается автономным задатчиком, самонастраивающим КГУ при изменении скоростных характеристик. Система управления привода (программируемый контроллер и ДГО) отслеживает поворот вала ГМ при прохождении «координаты замедления» отключает электромагнит распределителя РЗ. ГУК переходит в режим подпорного клапана, увеличивая противодавление в сливной линии ГМ и замедляя его.

Организация субоптимальных циклов работы ПГП, главным образом, определяются регулировочными характеристиками их управляющих устройств. Исследования гидроуправляемого клапана проводились в два этапа.

На первом этапе, испытаниями была установлена работоспособность ГУК, затем исследованы его расходно-перепадные характеристики для всего диапазона открытий золотника клапана (хэол=3,2 мм).

Идентификация рабочих процессов МФУУ выполнялась методом проливки гидроаппаратов [3], с учетом нестационарности потока. Исследования проводили на специальном экспериментальном стенде (рис.5) оснащенным оригинальным устройством - гидродинамическим расходомером (ГДР), что обусловлено трудностями анализа протекающих процессов.

Рис.5. Схема функциональная Рис.6. Осциллограмма нестационарного измерительного комплекса процесса при закрытии МФУУ

Измерение нестационарного расхода осуществлялось осциллогра-фированием скорости движения дросселируемого потока (рис.6) в процессе открытия-закрытия управляющего устройства (ГУК). ГДР состоящий из

--<■•■ В - ' Г * Я : '

облегченного гидроцилиндра ГЦ и линейного инкрементального датчика перемещений ДП (точность Д=2,45 10"3мм) позволяет измерять нестационарный расход (^„(г), поступающий в момент срабатывания ГУКП и преобразует его в перемещение поршня (-гдМ. Контроль температуры в проточной части ГУК, осуществляли установкой в корпусе клапана датчиков температуры ДТ1, ДТ2 на входе и выходе, добиваясь стабильного теплового режима (Дг=±1С°).

Программный пакет Ро\л/ег6гарГ| (рис.6) в режиме реального времени дифференцировал функцию перемещения поршня ГЦ от времени, определяя по его скорости нестационарный расход [10] и формируя массив данных.

Оценка погрешности по правилу «Трех стандартов» с вероятностью 0,95, подтвердила адекватность эксперимента. Дальнейшая статистическая обработка выполнялась методом «Скользящей средней» по 5-ти уровням.

Полученные зависимости выявили, что давление управления Ру -возрастая квадратично до значения 1,7 МПа, оказывает существенное влияние на коэффициент расхода р в интервале закрытия клапана х<1,5 мм. Линейность функции ^ при числах Ре<380 указывает на интенсивное изменение турбулентного режима движения потока и переход к ламинарному. Коэффициент расхода ц стремительно падает с 0,83-0,32 за время 1=0,02с, что свидетельствует об эффективной работе ГУКа в режиме замедления.

Аппроксимация и введение полученных функции ¡=ц((), /=Ру0) в математическую модель управляющего устройства, позволили уточнить подмодель ГУК, в области малых открытий (х3 <0,5 мм) при выполнении вычислительного эксперимента.

Рис.7. Результаты идентификации гидродинамических процессов ГУКа: ___а) Кд^Б,,), ц=Ц5щ); С,=Цх3]

В третьей главе выполнены теоретические исследования динамической "системы позиционного гидропривода. Математическое описание поведения

АПГП с учетом взаимодействия гидравлических, механических и управляющих линий связи в силовой и управляющей подсистемах, представлено в виде системы дифференциальных уравнений [2].

Поскольку поведение реальной динамической системы АПГП осложняется нестационарностью гидромеханических процессов, на различных участках позиционного цикла, были приняты допущения и ограничения основные из которых:

• Механическую подсистему АПГП описывает одномассовая динамическая система, что допускается при коротких кинематических связях гидродвигателя и объекта управления с достаточной жесткостью;

• Утечки малы и могут быть ограничены коэффициентом утечки rY;

• Трубопроводы короткие, гладкие, жесткие, что допустимо при модульном исполнении АПГП и позволяет не учитывать волновые процессы;

• Динамические процессы протекают в окрестности точки нагрузочной характеристики привода: Q^const, рн=рклтах= const;

• Рабочая жидкость сжимаемая, капельная, в каналах присутствует нерастворённый воздух и описывается зависимостями, справедливыми для смесей с осреднёнными свойствами;

• Сосредоточенный объём сжимаемой жидкости Ос для удобства расчётов считаем присоединенным к рабочей полости гидродвигателя;

• Сила вязкого трения в подвижных сопряжениях пропорциональна скорости;

• Формирование сигнала управления ГУКа осуществляется зависимостью Py=f(t) полученной экспериментально [3];

• Коэффициент расхода управляющего устройства КГУ представлен аппроксимированной функцией от степени открытия золотника клапана ц=/(х) полученной экспериментально [3].

Математическую модель, описывающую поведение подсистем ПГП образуют: 1. Уравнения движения механической подсистемы:

/^f = Мг„ - Мс -Мп- МВР ; (1)

dt

Мт ~Рг)> (2)

¿Я

Мс = Мт ■ sign^ + квг ^; (3)

at at

Мп = M„{t) = Мп(тах),при_а> = 0

Мтз = 0,при_со>0 ' ' ^

где / - приведенный момент инерции ведущей массы, Н-с2/м; <р- координата углового перемещения выходного звена ГМ, рад; Мт - крутящий момент гидромотора, Н-м• Мс- момент от сил сопротивления, Н-м; Мвр- момент вращающегося распределителя, Н-м; Мп - момент тормоза, Н-м; ци -рабочий объем гидромотора, м3; Мт - моменты сухого трения, Н-м; и р2~ дзвления в напорной и сливной полостях ГМ, МПа.

2.г Уравнения баланса расходов напорной и сливной магистралей гидравлической силовой подсистемы с дроссельным управлением:

(5)

<2ш+<2п=Опк-всж1-Т,<2у2> (6)

Где <2н - расход гидронасоса, м3/с;

О-гм ~Чг„'п - расход идущий на вращение вала гидромотрра, м3/с;

Якгу&рг&гук - расход через устройства контура гидравлического управления: распределители ВР, РЗ, Р2 и клапан ГУК, соответственно, м3/с;

X8у ~гу 'Рч - суммарный расход идущий на компенсацию утечек, м3/с; £>п =гп ■(/?, — р2) - расход идущий на перетечки рабочей жидкости, м3/с; Оак = —; - расход идущий на компенсацию деформируемого

объема жидкости в полостях гидромотора и насоса, подводящих каналах, м3/с;

»- _1 В ¿с .-■ -

г-см ~ - модуль упругости смеси жидкости и воздуха, Па;

Г+аг—^ Е,

V

а, = —-2- - коэффициент учитывающий содержание воздуха в жидкости;

Уак

Ее, Еж - модули объемной упругости жидкости и воздуха; - объем /-го участка гидролиний соответственно м3; /•„ г„, - коэффициенты утечки и перетечки; а, р-булевы параметры равные:

а=0 при ф^ф^ф^) и а=1 при фгм=[фп2:фп0]; Э =0 при фга=(фпо:фп4) и р=1 при фгм=фпо, фп4. Зависимость дросселирования потока рабочей жидкости через проточную часть управляющих устройств [6], от изменения их проходного сечения и перемещения золотника хР при перепаде давлений Ар определяется выражением:

где kr=fi,-K- d„- — - проводимости окон управляющих устройств,

V Р ......

образованные смещением золотника клапана от исходного положения;

Преобразуя уравнения (5), (6) в соответствии со значениями расходов, получим уравнения характеризующие изменения давлений для напорной и сливной гидролиний:

М _Чи-ЩгЧ> ___Ssa'Ss__t . irT-^-sietio-p Ь-С^'--------—--

(8)

-а------*П-<$Р,-РгЛ-*8>(П1-РптУ.

2 'л 2

З.Основа управляющей подсистемы АПГП - ее контур, описывается подмоделями исполнительных и управляющих устройств.

3.1Уравнение движения управляющего распределителя Р4:

■^г^-р,, -С^Мо, ±*J-k»r -^-Fcr (Ю)

где тщ =тРА+тж - приведенная масса золотника распределителя, Нсум ;

Fcr - сила сухого трения, Н; р, -давление на /'-ом участке гидропривода, МПа; кВТ - коэффициент вязкого трения; С„рр)- жесткость пружины распределителя, Н/м; хог - предварительная деформация пружины распределителя, м; *,.4- перемещение золотника распределителя,/и.

3.2Уравнение движения управляющего распределителя Р5:

"V« tXJ-k„r.^-Fcr (И)

3.3 Уравнения движения гидроуправляемого клапана: 3.2.1 На этапе разгона - открытое положение ГУКа:

т«РШ

"«0 п * = "А-и С) ■ (1)+Рую Л'.« -кВТ ^ +с„р, +хпк) -с.е1 (ХГ1! ±хп1)~

3.2.2 На этапе замедления - приоткрытое положение ГУКа: ^^ ^^.....± *„,)-/>, (13)

3.2.3 На этапе останова - закрытое положение ГУКа:

^Чгл о , ¿Хп , . Л г- • <&п

"РЮП Кт ВГ "Р1^ от кг.' с г ¿1

где тт,т„Р.КЛ]'т»рклг ' приведенная масса золотника клапана, Н-с2/м*] хюп, хкт~ перемещение золотников клапана, м; Рую - давления управления ГУКа, Па; С„р1-жесткость /'-ой пружины ГУКа, Н/м; и БцЛ2 - эффективные площади клапанов К/11 и КЛ2, м2;х0К1, х0К2 ~ предварительная деформация соответствующей пружины клапана, /и; - гидродинамическая сила, Н.

3.4 Уравнения управляющих давлений КГУ:

а1 хРь •Ър^+п'уу, Н>ВР'^овг+"> щ

(15)

%2_ У!" (16)

5 ' />5 + "УМ

к | Л * и Ь I

/07] ' ">'ЗЛ

Фи

'ллг' ХЛ1+УГУК2Л "укг.1 (18)

-Л,)- --"

' ^К.72 + ^№"2.7

где Щ, - объем гидролиний и свободных полостей гидроаппаратов соответственно, м3; У!,х1 и скорость, перемещение и эффективная площадь запорно-регулирующего элемента гидроаппарата соответственно, м/с, м и м2; у=1 при Ру1=0 и у=0 при Ру1=1;6=0 при Ру2=0 и 6=1 при Ру2=1;

Моделирование процесса позиционирования проводили численным методом Рунге-Кутта, с программной поддержкой МаНаЬ 51тиПпк К2012а [2]. Осциллограммы натурного эксперимента (рис.7) получены при помощи платы ЦАП-АЦП «1_-Сагс1 Е20-10» с программной поддержкой интерфейса обработки данных Ро\л/егСгарИ у.З.З.

Сравнение результатов натурного (Э) и математического (Т) экспериментов на рис.7, отображает удовлетворительное качественное совпадение (14-16%) по времени 1:пз и точности ф„3 позиционного цикла.

Расхождение полученных результатов обусловлено допущениями принятыми при математическом моделировании, а так же неточностями исходных данных модели и реальных параметров гидропривода.

Рис. 7. Осциллограмма типового позиционного цикла при натурном и вычислительном экспериментах.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследования ПГП. Исследования проводились на специальном стендовом оборудовании (рис.8), позволяющем выполнить оценку корректности функционирования предлагаемого схемотехнического решения ПГП и исследовать процесс позиционирования с учетом кинематических (фпз, совз) и управляющих (Ръ Р2 и Ру) параметров влияющих на работу КГУ.

Рис.8. Стенд-модель для исследования АПГГ1:

1 -датчик положений ДП;

2 - порошковый тормоз ПТ;

3 -ПГ1М; 4 - ГУТ;

5 - датчики давления ДД;

6 -датчик грубого отсчета ДГО;

7 —ГУКП; 8 - распр. реверса Р1;

9 - вращающийся распр. ВР;

10 -реверсируемый ГМ; 11-манометр МН1;

12 - дроссель ДР;

13 - реостат управления ПТ;

14 -блок управления,

15 - пульт управления.

Многофакторным экспериментом исследовано влияние параметров ИГУ на быстродействие 1:цик, точность фпз и стабильность Дфш цикла позиционирования:

- влияние скорости ВЗ йта1 при подходе к координате позиционирования гидропривода на стабильность работы его КГУ;

- влияние параметра настройки КГУ-давления управления Ру;

- влияние давлений Р2и Р2 в напорной и сливной гидролиниях ГД; При этом точность позиционирования (рт определялась выражением:

<рт^(рв±А(р, (19)

где % - выбег гидромотора, рад;

А<Р ~ рассеяние выбега, рад.

Зависимости представленные на рис.9 поясняют эффективный уровень давления управления КГУ равный: Ру=2,5-3,5 МПа, при этом достигается высокое быстродействие ^=0,13 с и сохраняется стабильность разброса выбега Дср=3,5-105 рад. Дальнейшее повышение давления ведет к неустойчивому срабатыванию КГУ и динамической характеристики привода [9].

Оценка влияния скорости а на работоспособность КГУ, приведенная на рис.10, показывает, что рациональную область функционирования в интервале скоростей 3-18 рад/с, при этом энергозатраты по давлению сбалансированы^^,5-3 МПа, Ру=3,5 МПа и сохраняется стабильный разброса выбега (Дф=7,5-10"5рад) с минимальной длительностью рабочего цикла (^=0,17 с).

Найденные коэффициенты регрессии, позволили определить степень влияния каждого фактора на быстродействие и точность АПГП [7]. Получены упрощенные математические модели в виде полиномов второй степени для определения быстродействия и точности МФУУ от параметров Ру, Кц.

Рис.9. Зависимость выбега ГМ <рв от давления Рис,10 Зависимость рассеивания выбега йф от

управления Ру и • - рассеивание выбега Д<р давлений КГУ: Р1, Р2, Ру и скорости ш

Рациональное сочетание параметров характеризующих ГУК, обеспечивающее минимальное время и устойчивую точность позиционирования выявлено при помощи полнофакторного эксперимента: давление управления (эксплуатационный) Ру и удельная проводимость (конструктивный) Ка. Результаты представлены на рис.11, 12 в виде трехмерных графиков зависимости выбранных критериев быстродействия и точности ГУК от его характеристик.

^¡ли

Рис.11 Зависимость параметра быстродействия Рис.12 Зависимость параметра точности У2

VI от Ру, Кц от РУ, Кц

Преобразованные относительные оптимальные значения факторов в реальные значения параметров управления позиционированием составили:

1 )Ропт = 5МПа и к опт =27.10-з, обеспечивающих максимальное

быстродействие при ^опт=0,066 с;

2)Р опт=,32мпа и/ к опт -283-Ю-3 обеспечивающих максимальную Л) ' во

точность при У2от1=2#328-10'3 рад.

Многофакторный эксперимент показал, что максимальное быстродействие ГУК достигается при верхнем уровне давления управления Ру, а наибольшая точность - при максимальном значении проводимости Ка управляющего устройства ПГП (для области идентификации).

Результаты математического моделирования и натурного эксперимента позволили разработать инженерную методику представленную на рис.13.

Рис.13 Схема инженерной методики расчета комплектного ПГП

В пятой главе представлены результаты практической апробации результатов исследований. Внедренный в условиях производства на ЗАО «ЗМК» (г.Кисловодск), ПГП [11] осуществляет позиционные перемещения поворотно-делительного (ПДС) стола координатно-сверлильного станка, решая задачу сверления большого количества отверстий в узлах крепления ферменных конструкций. Исследование точности и быстродействия цикла работы ПДС, позволило выбрать рациональных параметров настройки КГУ гидропривода.

В результате проведения серии из 100 остановов, при угловой скорости ш=10рад/с и давлении управления Ру=3,2 МПа, разброс выбега планшайбы был стабилен и находился в диапазоне 8,4-9,2-Ю"4 рад, что удовлетворяет условиям технического задания.

Введение в учебный процесс научно-исследовательского комплекса по изучению ПГП, позволило организовать дополнительные лабораторно-практические занятия по дисциплинам: «Системы приводов технологических и транспортных машин»и «Проектирование гидро- и пневмосистем», повысив качество преподаваемого учебного материала студентам специальности 150802 «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» [12].

Результатом промышленной апробации является внедрение инженерной методики расчета и определения параметров настройки ПГП на ООО «Завод СтройНефтеМаш» (г.Ростов-на-Дону).Разработанная методика, реализована с применением программной поддержки пакетов: MS Excel, РСТ Mathcad и Matlab, что позволяет сократить затраты времени и средств в 1,3-1,5 раза.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснованы и технически реализованы принципы построения ПГП с улучшенными характеристиками контура гидравлического управления (Патенты на изобретение №2450174 и №2458261 [4,5]), повышающие быстродействие и точностью исполнительных движений механизмов машин.

2. Разработана обобщенная математическая модель позиционного гидропривода с МФУУ в контуре гидравлического управления, раскрывающая поведение его динамической системы с автоматически изменяемой «на ходу» структурой.

3. Идентификацией нестационарных гидромеханических процессов в проточной части предлагаемого МФУУ установлены зависимости коэффициентов расхода и сопротивления (для всего диапазона открытий 0<хэ£3мм), необходимые для улучшения характеристик КГУ позиционными циклами приводов.

4. Вычислительным и натурным экспериментами обоснованно качественно и количественно влияние основных параметров КГУ на длительность (t3aM=0,07-0,1с) и точность (Дфср=3,6-10"5рад) позиционных циклов привода с МФУУ и установлены зоны их устойчивого позиционирования для типовых механизмов машин.

5. Полнофакторным экспериментом выявлены факторы определяющие качество работы МФУУ в контуре гидравлического управления: давление управления (Ру) и проводимость его проточной части (Kq), параметрической оптимизацией установлены рациональные сочетания их значений для требуемого быстродействия и точности исполнительных движений в реальном приводе.

6. Разработана и апробирована в производственных условиях (ООО «Завод СтройНефтеМаш», г.Ростов-на-Дону) инженерная методика проектирования, испытания и настройки предлагаемого ПГП на основе принципов модульного построения и мехатронного управления ИД механизмов ATO и машин, позволившая сократить при этом затраты времени и средств в 1,3-1,5 раза.

7. Промышленным внедрением результатов работы в координатно-сверлильном полуавтомате в условиях ЗАО «Завод металлоконструкций» (г. Кисловодск) обеспеченно: повышение производительности в 1,4 раза, сокращение производственные площадей и персонала в 2 раза, что подтверждает практическую значимость работы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Полешкин М.С. Многофункциональное гидромеханическое устройство позиционирования целевых механизмов станочных систем повышенного быстродействия и точности./ B.C. Сидоренко, М.С. Полешкин // Вестник ДГТУ. -2009.-T.9. -Спец. вып.-С.65-75.

2. Полешкин М.С. Математическое моделирование автоматизированного позиционного гидропривода целевых механизмов машин с контуром гидравлического управления повышенной эффективности. / М.С. Полешкин, B.C. Сидоренко //Инженерный Вестник Дона. - Ростов-на-Дону: Ростовское региональное отделение Российской Инженерной Академий -№3, 2012. - № Гос. per. 0421100096- URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3v2012/947

3. Полешкин М.С. Нестационарные гидродинамические процессы в проточной части управляющих устройств клапанного типа. / М.С. Полешкин, B.C. Сидоренко//Вестник ДГТУ. - 2012. - Т.6. - С.93-102.

4. Патент на изобретение №2450174 Российская федерация, МПК7 F15B 11/12, F5B 11/076. Пневматический позиционный привод / В.И. Грищенко, B.C., Сидоренко, М.С. Полешкин - № 2009149047; заявл.30.12.09; опубл. 10.05.12, Бюл. № 13.

5. Патент на изобретение №2458261, Российская федерация, МПК7 F15B 11/12, F5B 11/12. Гидравлический позиционный привод / М.С. Полешкин, B.C. Сидоренко, В.И. Грищенко - № 2009149046; заявл.30.12.09; опубл. 10.08.12,Бюл. №22.

Наиболее значимые публикации в других изданиях:

6. Полешкин М.С. Моделирование гидромеханического управляющего устройства быстродействующей позиционной системы / B.C. Сидоренко, М.С. Полешкин // Динамика машин и рабочих процессов: сб. докл. всерос. науч.-техн. конф., 8-10 дек. - Челябинск, 2009. - С. 149-152.

7. Полешкин М.С. Оптимизация параметров многофункционального управляющего устройства позиционного привода/ М.С. Полешкин, B.C. Сидоренко // Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства: докл. IX Междунар. науч. техн. конф. [Электронный ресурс] / ДГТУ. -1 CD диск. - Загл. с экрана - Ростов н/Д, 2010, №гос.рег. 03.21.00.21.59

8. Полешкин М.С. Структурно-параметрическое управление гидромеханическими позиционерами механизмов машин /М.С. Полешкин, B.C. Сидоренко // Гидропневомсистемы мобильных и технологических машин: сб. докл. Междунар. Науч.-техн. конф., 17-19 нояб./БНТУ. -Минск, 2010.-С.221-227.

9. Полешкин М.С. Позиционный гидропривод силовых подающих столов станочных систем / B.C. Сидоренко, М.С. Полешкин, Ле Чунг Киен // Промислова пдравлжа i пневматика. - 2011, - № 4(34). - С.64-69.

10. Полешкин М.С. Измерительный комплекс для исследования расходно-перепаданных характеристик управляющих устройств позиционного гидропривода / М.С. Полешкин, B.C. Сидоренко // Динамика и виброакустика машин: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф., 5-7 сент. / СГАУ. - Самара, 2012

11. Полешкин М.С. Комплектный позиционный гидропривод поворотно-делительных механизмов технологического оборудования / М.С. Полешкин, B.C. Сидоренко // Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика: сб. докл. XV Всерос. науч.- техн. конф. студентов и аспирантов, 9 дек./ МГТУ им. Баумана. - М., 2011.

12. Полешкин М.С. «Исследование процесса позиционирования поворотного координатного стола сверлильного полуавтомата» / М.С. Полешкин, П.М. Фукомов // Метод, указания, Ростов н/Д, 2013. - Режим доступа: http://skif.donstu.ru - Per. номер 1174 от 1.04.2013.

В печать 08 .2013.

Формат 60x84/16. Бумага тип №3. Офсет.

Объем 1, О усл.п.л. Заказ Ш^&б- Тираж Цена свободная

Издательский центр ДГГУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,!.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ДГТУ)

На правах рукописи

Полешкин Максим Сергеевич

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПОЗИЦИОННЫЙ ПРИВОД ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ МЕХАНИЗМОВ

МАШИН

Научная специальность: 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и

детали машин

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.С. Сидоренко

г. Ростов-на-Дону 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ..................................5

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................6

ГЛАВА 1. ПОЗИЦИОННЫЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1 Анализ автоматизированных позиционных гидроприводов.........И

1.2 Электрогидравлические устройства управления, применяемые в гидроприводе........................................................................22

1.3 Гидромеханические устройства управления позиционных гидросистем..........................................................................27

1.4 Выводы...........................................................................41

1.5. Цель и задачи исследования................................................43

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПОЗИЦИОННОГО ГИДРОПРИВОДА

2.1 Принципы построения гидромеханических позиционеров машин повышенного быстродействия и точности.....................................44

2.2 Обоснование и разработка структуры позиционного гидропривода с гидромеханической системой управления.....................................52

2.3 Анализ технических средств реализации позиционных гидросистем повышенной эффективности.......................................................53

2.4 Идентификация рабочих процессов гидромеханического устройства позиционирования..................................................................63

2.5 Измерительный комплекс для исследования нестационарных гидродинамических процессов...................................................65

2.6 Конструктивные параметры проточной части гидромеханического устройства позиционирования...................................................74

2.7 Методика обработки данных экспериментальных исследований.....75

2.8 Анализ результатов экспериментальных исследований гидромеханического устройства позиционирования........................80

2.9 Выводы.............................................................................92

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЗИЦИОННОГО ГИДРОПРИВОДА

3.1. Формирование обобщенной математической модели динамической системы позиционного гидропривода..........................................93

3.2 Вычислительный эксперимент. Методика динамического

анализа.................................................................................101

3.3 Анализ результатов вычислительного эксперимента по моделированию 11111...............................................................105

3.4 Исследование влияния конструктивных и эксплуатационных параметров ГУК на работу ПГП.................................................107

3.5 Выводы...........................................................................114

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЗИЦИОННОГО

ГИДРОПРИВОДА

4.1. Цель и задачи экспериментальных исследований.....................116

4.2 Исследовательский стенд и контрольно-измерительный комплекс для испытаний ПГП......................................................................117

4.3 Методика проведения натурного эксперимента по исследованию процесса позиционирования ПГП...............................................124

4.4 Анализ влияния параметров подсистемы управления на качество позиционирования ПГП...........................................................126

4.5 Методика проверки адекватности вычислительного эксперимента.........................................................................134

4.6 Определение рациональных значений параметров гидроуправляемого клапана-позиционера.....................................140

4.7 Выводы...........................................................................148

ГЛАВА 5. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

5.1 Методология инженерного расчета комплектного позиционного гидропривода........................................................................149

5.2 Проектирование позиционного гидропривода в системе САПР.....152

5.3 Методика проектирования позиционного гидропривода в системе САПР..................................................................................156

5.4 Конструкторская реализация схемотехнического решения позиционного гидропривода.......................................................189

5.5 Результаты промышленного внедрения позиционного гидропривода.........................................................................193

5.6 Выводы...........................................................................198

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...............................................199

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................201

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................214

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ATO - автоматизированное технологическое оборудование;

ЦМ - целевые механизмы;

ПТУ - подсистема гидравлического управления;

АСК - автоматизированный станочный комплекс;

ГМС - гидромеханические системы;

ГУК - гидроуправляемый клапан;

МФУУ - многофункциональное управляющее устройство;

ИМ - исполнительные механизмы;

ППГ - программный позиционный гидропривод;

ПДМ - поворотно-делительные механизмы;

СТР - схемотехническое решение;

ГУК - гидроуправляемый клапан;

КГУ- контур гидравлического управления;

АЗП - автономный задатчик перемещения;

ДГО - датчик грубого отсчета;

ЭГСП - электрогидравлический следящий привод;

ПГП - позиционный гидропривод;

ЭГШП - электрогидравлический шаговый привод;

ПГС - позиционные гидросистемы;

ГДР - гидродинамический расходомер;

ГУТ - гидроуправляемый тормоз.

Другие сокращения даны по тексту диссертации.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Одной из современных тенденций развития отрасли машиностроения является интенсификация рабочих процессов технологического оборудования и машин. При этом основным критерием остается их уровень производительности, однако наряду с ним требуется повышать такие параметры, как точность, надежность, долговечность и др.

Создание технологического оборудования в виде комплексов с многочисленными исполнительными движениями позволяет добиться требуемого результата и потому является актуальной задачей на сегодняшний день. В связи с этим появляется необходимость в разработке автоматизированных систем приводов, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям.

Широкое применение получили гидромеханические системы позиционирования, обладающие известными преимуществами [9,11,12]. При этом системы управления гидроприводом, реализующие рабочие циклы машин и использующие электромеханические устройства, имеют ряд недостатков: длинную цепь прохождения сигнала от источника к потребителю; малую напряженность силового поля (Ртах до 2МПа) и нестабильность циклов срабатывания (А1 до 0,15 с).

В этих условиях, как показывают исследования Трифонова О.Н., Ермакова С.А. [63, 24] и др., устройства с гидравлическими линиями связи, реализующие подсистему управления, имеют преимущество и способны обеспечить высокое быстродействие и стабильную работу.

Добиться повышения их эффективности возможно, используя известные прогрессивные методы разработки и проектирования, а также путем рациональной организации структуры автоматизированного гидропривода, в частности - контура гидравлического управления (КГУ). Решение этой задачи и стало предметом научного и схемотехнического

6

поиска выполненной автором работы.

Задачи оптимального управления позиционными системами наиболее эффективно решаются гидромеханическими позиционерами [66] с управляемой сливной линией гидродвигателя и гидромеханическим тормозом. Формирование требуемых управляющих воздействий в организации оптимальных позиционных циклов наиболее полно реализуется многофункциональными управляющими устройствами с гидравлическими линиями связи, позволяющими существенно повысить быстродействие и стабильность контура управления.

Контур гидравлического управления формирует управляющие сигналы, достаточные для прямого воздействия на исполнительные элементы привода. Логическое устройство мехатронной подсистемы в автоматическом режиме управляет процессом позиционирования путем задания требуемой координаты на протяжении всего рабочего цикла гидропривода, осуществляя традиционное параметрическое управление траекториями движения исполнительными механизмами ATO.

Разработка и проектирование нового класса устройств многофункциональной гидроаппаратуры сопряжены с определенными трудностями при расчетах, апробации и оптимизации их параметров. Нахождение рабочих характеристик таких устройств в составе КГУ требует проведения трудоемких экспериментальных исследований.

Грамотная организация КГУ, осуществляющего реорганизацию структуры ПГП, требует обширных теоретических исследований, что обусловлено сложностью математического описания взаимосвязей всех его подсистем: механической, силовой и управляющей.

Учитывая вышеизложенное, целью научной работы является: повышение эффективности исполнительных движений целевых механизмов машин путем синтеза автоматизированного гидропривода с быстродействующим контуром гидравлического управления позиционированием.

Для достижения поставленной в работе цели, были решены следующие задачи:

1. Обосновать принципы построения и реализации структуры автоматизированного позиционного гидропривода повышенного быстродействия и точности.

2. Разработать обобщенную математическую модель динамической системы предлагаемого автоматизированного позиционного гидропривода, описывающую его поведение с МФУУ и оригинальным быстродействующим контуром гидравлического управления.

3. Выполнить идентификацию рабочих процессов управляющего устройства КГУ, исследовав его динамические расходно-перепадные характеристики.

4. Вычислительным и натурным экспериментом исследовать процесс позиционирования гидропривода, установив влияние основных параметров КГУ на быстродействие и точность позиционного цикла.

5. Обосновать основные параметры КГУ для проектирования ПГП, разработать его инженерную методику расчета и настройки при эксплуатации.

6. Выполнить апробацию и промышленное внедрение результатов исследования, инженерной методики и рекомендаций расчета ПГП в условиях производства.

Научная новизна работы заключается:

1. В обосновании принципов построения и технической реализации ПГП повышенного быстродействия и точности с гидравлической подсистемой управления позиционированием механизмов машин.

2. В разработке обобщенной математической модели позиционного гидропривода с КГУ, раскрывающей влияние изменяемой «на ходу» структуры и параметров подсистемы управления на процесс позиционирования.

3. В выявлении расходно-перепадных характеристик МФУУ при нестационарных процессах в его проточной части и их аппроксимации в математическую модель.

4. В установлении влияния гидравлических и кинематических параметров КГУ на быстродействие и точность ПГП, позволившим решать задачи его рационального проектирования.

Практическая значимость работы заключается:

1.В проектировании технического решения позиционного гидропривода с улучшенными характеристиками по точности и быстродействию, обладающего высокой степенью автоматизации.

2. В создании методики и специального измерительного комплекса с оснасткой для исследования нестационарных гидромеханических процессов, в проточной части управляющих устройств, клапанного типа, позволяющих уточнить их параметры.

3. В нахождении оптимальных конструкторских и эксплуатационных параметров, характеризующих функционирование гидромеханического управляющего устройства.

4. В разработке и апробации на ООО «Завод СтройНефтеМаш (г.Ростов-на-Дону) инженерной методики расчета ПГП с применением программного обеспечения, позволяющей сократить затраты времени и средств при проектировании.

5. В технической реализации и внедрении позиционного привода в учебный процесс на ФГБОУ ВПО ДГТУ кафедры «Гидравлика, ГПА и ТП» и в производство на ЗАО «ЗМК» (г. Кисловодск).

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащего общие выводы, списка литературы из 132 наименований, 19 приложений, 71 рисунка, 36 таблиц и изложена на 252 страницах машинного текста.

1. ПОЗИЦИОННЫЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1 АНАЛИЗ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПОЗИЦИОННЫХ ГИДРОПРИВОДОВ

Развитие отрасли машиностроения определяется степенью автоматизации и производительностью применяемого технологического оборудования. Характерной особенностью этого развития является внедрение различных типов исполнительных устройств, реализующих подающие вспомогательные и установочные движения [4,5]. Ввиду того, что время этих движений достигает до 35% оперативного времени, появляется возможность существенного повышения производительности ATO.

Широкое применение в технологическом оборудовании нашли поворотные целевые механизмы: делительные и подающие столы, револьверные головки и т.д., которые требуют соблюдения жестких ограничений по точности и быстродействию. Это обуславливает совершенствование действующих и разработку новых систем приводов [51]. В табл. 1.1 представлены сравнительные характеристики некоторых поворотных целевых механизмов, отражающие диапазоны их функционирования.

В настоящее время в России и других ведущих производственных зарубежных странах задачи обеспечения эффективного позиционирования исполнительных механизмов машин решаются различными типами приводов [5,6,7]. Организация рациональных рабочих циклов обуславливает рабочую зону ATO и обеспечивается, как правило, многодвигательными комбинированными гидро-электро-механическими системами [23].

При их построении учитывается сложность траекторий исполнительных движений, необходимых для обеспечения производственного цикла (количество переходов, смены инструмента и т.д.), вид производства (индивидуальное, мелкосерийное, массовое) и др.

Характеристики приводов поворотных механизмов Таблица 1.1

№ п.п. Тип 0,м фпз-10'5, рад рад/с г0 Кд

механизмы привод

1 Поворотные столы Электромеханический 0,6-0,9 1,0-1,2 4,8-96,9 4,8-14,5 5-60 2,5-6 6-24 4-6 8-72 12-170

Пневматический 0,3-0,6 24,2-63 4-46,5 4-12 10-140

Гидравлический 0,9-1,2 3,2-14,5 0,9-2,5 4-12 90-550

2 Шпиндельные блоки Электромеханический 0,3-0,5 0,6-0,7 7,2-12,1 7,2-9,6 5,6-12 2,5-7 6 4-6 7-60 16-165

Гидравлический 1,8-2,3 1,5-2,8 1,5-3,8 3,8-14,5 0,6-1,9 5,6-8 6-8 6 40-60 90-300

3 Револьверные головки Электромеханический ОД 0,3 19,3 9,6-19,3 50 4,5-8,8 6 4-6 200 70-430

Гидравлический 0,7 1,2 3,5 12-19,3 1,8-3,2 4,5 4-12 4 18-56 16

* Примечание: Б - диаметр исполнительного механизма; фга - точность 2-п

позиционирования; =--число позиций; ооср — средняя угловая скорость; <рй -

<ро

£

координата поворота на 1 позицию; Кд = —— коэффициент динамичности; е - угловое

а>

ср

ускорение.

Так, для больших объемов производства и несложных деталей применяют, как правило, цикловые гидроприводы программного регулирования (ГПР). В случае сложной конфигурации - следящие или шаговые электрогидравлические приводы (ЭГСП), максимально отвечающие качеству задаваемого техпроцесса.

Цикловые гидроприводы - просты, экономичны, но не удовлетворяют требованиям универсальности, сложны в переналадке, имеют ограниченные функциональные возможности (до 5 точек позиционирования).

Использование в позиционных системах ЭГСП функционально избыточно и экономически неоправданно, поскольку в позиционных системах нет необходимости в обеспечении заданного закона движения, а важно достижения заданной координаты.

Таким образом, увеличение быстродействия, повышение точности позиционирования, возможность непосредственного управления от цифровых управляющих машин с применением микропроцессорных устройств - обуславливают тенденции развития современных позиционных систем [40].

Особенностью программного позиционного гидропривода является наличие подсистемы и контура управления, обеспечивающего организацию, исполнение и контроль правильности выполняемого гидроприводом рабочего цикла в автоматическом режиме, согласованном с рабочим процессом ATO в реальном пространстве и времени.

Для этого подсистема управления формирует последовательность управляющих воздействий на регулирующие устройства гидропривода, обеспечивающие управляемое преобразование энергии потока рабочей жидкости. Вследствие этого, получение требуемых: позиционных перемещений (х), скоростей (V), сил (F), крутящих моментов (М), мощности на выходном звене гидродвигателя (N) и связанной с ним механической подсистемы исполнительного механизма (ИМ) станка.

Рассматривая гидромеханические системы позиционных приводов, их можно классифицировать по виду систем управления на замкнутые и разомкнутые [28].

Замкнутая система управления отличается от разомкнутой тем, что при функционировании такой системы управления выходные параметры работы привода (величина перемещения, скорости и ускорения движения, силы и др.) все