автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Исследование и разработка электрогидравлического распределителя с электромеханическим преобразователем магнитострикционного типа

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. I

АРТЕМОВ Валерий Валентинович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ МАГНИТОСТРИКЦЙОННОГО ТИПА

Специальность 05.02.03 - "Системы приводов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир 1999

Работа выполнена на кафедре гидропневмоавтоматики и гидропривода Ковровской государственной технологической академии.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор КУТУЗОВ В.К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор КОБЗЕВ A.A. кандидат технических наук ЧЕРКАСОВ Ю.В.

Ведущее предприятие: - ГУП Всероссийский научно-исследо-

вательский институт "Сигнал"

Защита состоится 22 сентября 1999 г. в ___ часов ___ мин.

на заседании диссертационного совета Д.063.65.01 Владимирского государственного университета по адресу: 600026, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан "___"__________1999 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба напра^£ТЪ_^ю^шшука£анному-адресу—учёному~секре-—тарк^иссертЛЩогаого^совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

1хомиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Научно-технический прогресс современной техники, постоянно увеличивающийся уровень автоматизации оборудования, бурное развитие микропроцессорной техники, а также ярко выраженные тенденции по энергосбережению и повышению качества управления, точности и повышению быстродействия электрогидравлических приводов объектов как специального назначения, так и общепромышленного, ставят новые направления развития перед ними как исполнительным силовым звеном. Гидроприводы, по сравнению с электро- и пневмоприводами, имеют существенные преимущества по мас-согабаритным показателям при заданной мощности, по плавности управления скоростью исполнительных устройств с возможностью быстрого реверсирования, простоте преобразования энергии давления рабочей жидкости в механическую энергию при любых видах перемещений. Приводы с электроуправлением характеризуются более широкими функциональными возможностями по сравнению с приводами, имеющими механическое управление, поскольку изменение параметров работы гидропривода может производиться непрерывно с помощью электрических управляющих сигналов. Они применяются в изделиях специального назначения, судостроении, средствах автоматизации и механизации производственных процессов и т.п.

Для управления параметрами работы гидропривода с помощью электрических сигналов необходимы гидроаппараты, -'обеспечивающие преобразование управляющего электрического сигнала (часто малой мощности) в пропорциональную ему по величине характеристику потока рабочей жидкости (расход или давление), который подается на мощный исполнительный механизм. Этим промежуточным звеном является гидравлический распределитель с пропорциональным электрическим управлением.

Анализ технической литературы по приводам показал, что основные направления развития гидроприводов связаны со снижением потерь давления, согласованием давления с нагрузкой, применением дросселирующих, пропорциональных и регулирующих распределителей с электронным управлением, созданием мягкопереключаемых распределителей, применением блочного монтажа. Основной задачей повышения качества управления гидравлическими приводами являет-зя обеспечение малых фазо- и амплитудно-частотных искажений' в области малых сигналов. Решение этих проблем непосредственно

связано с улучшением динамических и статических характерисга распределителей и проведением работ по совершенствованию опыт но-теоретических методов исследований этих характеристик с при менением вычислительной техники.

Цель работы

Разработка электромеханического преобразователя магяито стрикционного типа, создание аппаратуры для автоматизации экс периментальных исследований статических и динамических характе ристик технического объекта и расчетно-экспериментальных мето дов определения динамических характеристик распределителя, оп тимизации на этой основе конструктивных параметров гидрораспре делителя для повышения точности и быстродействия следящего при вода объекта специального назначения.

Основные задачи исследования

-Проведение анализа конструкций, параметров и областей при менения гидрораспределителей, выявление недостатков электроне ханических преобразователей и определение необходимых мероприя тий для разработки конструкции быстродействующего электромеха нического преобразователя и гидрораспределителя.

-Разработка теоретического описания нелинейной динамическо: модели электромеханического преобразователя магнитострикционно го типа и экспериментально-аналитического метода для динамиче ского моделирования.

-Разработка и проведение экспериментальных исследовани электронной управляющей части и электромеханического преобразо вателя магнитострикционного типа. Разработка способа и методик: проведения эксперимента для определения статических и динамиче ских характеристик гидрораспределителя, разработка испытатель ного стенда и выбор peгиcтфíщyщelL^ппapa-т^pьr^^ ХЁ^шносо—комплекса для автоматизации проведения испытаний Проведение экспериментального определения статических и динами ческих характеристик распределителя, определение аналитическог выражения для описания динамической модели распределителя н основании полученных данных.

Разработка математической модели и структурной схемы серий ного следящего привода объекта специального назначения и мо дельного привода с учетом динамической модели разработанног распределителя для повышения быстродействия' привода и расче его динамических характеристик.

Методы исследования

Определение динамической модели гидрораспределителя проводилось на основе экспериментально-аналитического метода, базирующегося на представлении объекта управления в виде кибернетической модели "черного ящика" с определением передаточных функций по прямым и перекрестным каналам связи между выходными и входными координатами, а также между внешними возмущающими воздействиями .

Методом моделирования на ЭВМ на основе результатов эксперимента разработана формальная модель распределителя путем абстрагирования вида и закономерностей физических процессов, протекающих в преобразователе в виде передаточной функции.

Исследование частотных характеристик привода объекта специ-гльного назначения, с учетом полученной динамической модели заспределитеяя. проводилось путем вычислительного эксперимента ; использованием ЭВМ.

Научная новизна работы

-Физическая и математическая модели электромеханического греобразователя магнитострлкционного типа на основе уравнений гагнитострикционного эффекта, вынужденных колебаний стержня в :реде с сопротивлением, и уравнений Максвелла для магнитного :оля; рассмотрены взаимодействия сил внутри силового элемента реобразователя и определен экспериментально-аналитический ме~ од динамического моделирования гидрораспределителя.

-Комплекс для автоматизированного проведения испытаний, со-тоящий из платы ЦАП-АЦП в составе ПЭВМ и пакета прикладных рограмм для обеспечения проведения испытаний физического объ-кта.

-Математическое выражение для описания динамических харак-еристик пропорционального распределителя на основании данных, элученных в результате эксперимента.

-Вычислительный эксперимент по расчету частотных характери-гик привода объекта специального назначения с учетом получений динамической модели распределителя, примененной в составе эивода, для повышения его динамических характеристик.

Практическая значимость работы

-Разработан электромеханический преобразователь магнито-'рикционного типа с электронным управляющим блоком и реализо-

ван на их основе быстродействующий'гидрораспределитель для еле дящих электрогидравлических приводов.

- Комплекс автоматизированного проведения испытаний физиче ского объекта, состоящий из платы ДАП-АЦП в составе ПЭВМ и па кета прикладных программ для автоматизации испытаний.

- Повышена точность и быстродействие электрогидравлическог следящего привода объекта специального назначения, полученные результате модельного эксперимента.

Реализация результатов работы

Разработанный в данной работе гидрораспределитель был при менен в электрогидравлической следящей системе привода объект специального назначения в ОАО "СКБ ПА".

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались в период 1995 по 1998 гг. на научно-технических конференциях Ковровско государственной технологической академии и научно-технически совещаниях на предприятиях АО "Ковровский электромеханически завод" и АО "СКБ ПА" в 1996 г. Диссертационная работа доложен и одобрена на заседании кафедры ГПА и ГП КГТА и объединенно семинаре кафедр механико-технологического факультета Владимир ского государственного университета в 1999 г.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 5 работ и 1 отчет по НИР.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основных выводов по работе, изложенных на 135ст^анщах_машино шюного^гекст^_^юшчая_32^исункагг-7^:^^ использо

—ванной литературы из 77 наименований, а также 5 приложений н 50 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность научной задачи, сформу лирована цель работы и определены научная новизна и практиче екая значимость проведенных исследований.

В первой главе рассматриваются конструкции и параметры распре делительных гидроаппаратов и работы, посвященные исследования динамических и статических характеристик дросселирующих гидро-

усилителей, пропорциональных распределителей и регулирующей распределительной аппаратуры. Выясняются области их применения в зависимости от конструктивных особенностей и рабочих характеристик. Анализируются недостатки рабочих параметров пропорциональных магнитов, определяются направления в проведении разработки и исследований быстродействующего электромеханического преобразователя (ЭМП).

Основными направлениями развития гидроприводов являются снижение потерь давления, согласование давления с нагрузкой, применение пропорциональных и регулирующих распределителей с электронным управлением, создание распределителей с плавным переключением. Резервы повышения точности позиционирования электрогидравлических приводов заключаются в увеличении быстродействия пропорционального . гидрораспределителя, повышении чувствительности контура управления и уменьшении нижнего предела "ползучей" скорости исполнительного объекта. Нерешенные проблемы в области регулирования расхода и давления напрямую зависят от создания пропорциональных аппаратов, стабильно работающих в области малых расходов, обеспечивающих точную регулировку малых уровней давления и обладающих большим быстродействием.

На основании анализа конструкций пропорциональных гидрораспределителей были выделены следующие тенденции их развития:

-Создание и применение высокодинамичных управляющих ступеней с повышенной точностью и увеличение полосы пропускания их частотной характеристики.

- Повышение быстродействия гидрораспределителей и расширение полосы пропускания их частотной характеристики за счет применения высокодинамичных электромеханических преобразователей.

-Создание гидрораспределителей с повышенной точностью воспроизведения параметров (0.5 ... 1.0 %) за счет использования дополнительных контуров внутренней обратной связи (двух датчиков положения), повышение чувствительности контура управления.

-Создание пропорциональных гидрораспределителей, стабильно работающих в области малых расходов, обеспечивающих точную регулировку малых уровней давления.

- Интегральное исполнение гидрораспределителей с миниатюрными электронными платами.

-Введение в состав интегрированной электроники гидрораспре делителей элементов и контуров диагностики.

Обобщая полученные выводы, можно выделить укрупненные на правления, развитие которых приобретает особое значение для со вершенствоваяия динамических характеристик регулирующей гидро аппаратуры:

- электромеханические преобразователи;

-управляющая микроэлектроника;

-датчики;

- программные средства для расчета технических параметров распределительной техники;

-программные средства для автоматизации испытаний..

На основании вышеизложенного был сделан вывод, что дальней шее повышение динамических характеристик электромеханически преобразователей и вместе с ними распределительной техники ле жит в сфере разработки быстродействующего преобразователя, ос нованного на магнитострикциокном принципе.

Проведенный анализ конструкций распределительной техники электромеханических преобразователей позволил сделать следующи выводы:

- Повышение динамических характеристик распределительно техники представляет большой научно-практический интерес, по скольку они обусловливают быстродействие приводов.

-Недостаточное количество научных разработок в области не традиционных ЭМП объясняется многофакторностью и сложность происходящих в них физических процессов. ^--

__^НеойходимьнцальтгейшИе разработки распределительной техник с целью повышения их точности и динамических характеристик т.к. от них зависит дальнейший прогресс в области следящи электрогидравлических приводов.

- Необходимы разработки новых программных средств в облает автоматизации процесса испытаний быстродействующих элементе привода, что позволит более быстро и точно определить и усовер шенствовать математические модели как отдельных элементов при вода, так и привода в целом для улучшения динамических характе ристик привода, повышения его точности.

В настоящее время можно выделить два направления развития

распределительной техники: разработка специальных гидравлических жидкостей с изменяемыми рабочими параметрами; дальнейшее совершенствование конструкций регулирующей техники. Последнее является предпочтительным.

Наиболее прогрессивным направлением дальнейшего совершенствования конструкций распределительной техники является совершенствование ЭМП как основного узла, определяющего динамические характеристики привода.

Основным направлением работ в области совершенствования ЭМП является разработка и исследование магнитострикционного преобразователя как наиболее перспективного.

Во второй главе приводятся описание магнитострикционного эффекта, электромагнитные явления на основе уравнений Максвелла и вынужденные колебания стержня в среде с сопротивлением. На основе этих уравнений построена обобщенная нелинейная математическая модель электромеханического преобразователя магнитострикционного типа. Представлены нелинейная динамическая модель в виде многомерного объекта управления и экспериментально -аналитический метод для динамического моделирования.

Описание процессов в магнитострикционных элементах в обобщенном виде базируется на рассмотрении электромагнитного поля и связанных с ним акустических колебаний на основе уравнений Максвелла для электродинамики, акустики и уравнений магнитострик-ции, рассмотренных ранее. При этом необходимо сделать допущения:

-преобразователь рассматривается как непрерывная сплошная среда, т.е. дискретностью атомной структуры пренебрегают (так как значения длины волны вплоть до частот, равных десяткам ГГц, на два порядка и более превышают, межатомные расстояния);

-действующие внутренние силы являются поверхностными, т.е. воздействуют только через поверхностные элементы объема (радиусом действия атомных и молекулярных сил пренебрегают);

-действием объемных (например, силы тяжести), первичных и вторичных тепловых эффектов и дисперсией диэлектрической проницаемости пренебрегают, не учитывают свободные заряды тока;

-рассматривают магнитострикционные элементы в линейном приближении .

При указанных допущениях причинно-следственные взаимосвязи

между электрическими и механическими величинами в магнитострик-ционном элементе можно описать следующими уравнениями:

го \ Н = й + — + рлзо, г о I ^ = - — , <1 В - 0, у В = рдб\ Ы 81

дги 2 д'1в „ ди 1

О)

5 = ТЕ2, 5 = <т = £Р2, а = В = О = гВ, / = уЯ.

где: 5 - вектор магнитной индукции, О - электрическая индукция, ¿Г - напряженность электрического поля, Н - напряженность магнитного поля, к- ток проводимости; Роб^-^-^/с!Р - объемная плотность свободных зарядов; V - объем, абсцисса, ¿- время, а -фазовая скорость распространения колебаний, аг=8/р, £ - модуль Юнга, р - плотность, ш - декремент затухания колебаний, 2я=а/рв, а - механическое сопротивление единицы длины стержня однородной структуры, рц^р»? - погонная плотность стержня, -площадь поперечного сечения стержня, g(x,t) - внешняя сила, рассчитанная на единицу объема, Т, ![ Ь - магнитострикци-

онные коэффициенты, Р - поляризация, а - напряжение, 8 - деформация, ц -относительная магнитная проницаемость; е - относительная диэлектрическая проницаемость; у - удельная электропроводность.

Первая строка представляет собой полную систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля, вторая - вынужденные колебания стержня преобразователя под действием наведенного внешнего поля в среде с сопротивлением^т^ютъя^^дравнени^ь^агнтт^ ^^триидш^-шзследняя—=—материальные уравнения электрических и магнитных свойств ферритового стержня.

Вышеприведенные системы уравнений отражают взаимодействие в магнитострикционном элементе в статическом режиме упругих и электромагнитных волн. Это приводит при решении уравнений (1) к смешанным упругозлектромагнитным волнам. Однако обычно в магнитострикционном элементе непосредственное взаимодействие между упругими и электромагнитными волнами весьма слабое вследствие того, что скорости упругих волн механических элементов (к) и электромагнитных волн (с) на несколько порядков отличаются друг

от друга (с/наЮ4.,. 105). Связь между механическими и электромагнитными величинами описывается уравнениями магнитостршшии. Исходя из этого, возможно рассмотрение только упругих процессов в магнитострикционном элементе, связанных с магнитострикцией, без учета электромагнитных явлений.

Общее решение вынужденных колебаний незакрепленного конца стержня преобразователя в среде с сопротивлением при первой моде колебаний имеет вид:

_-яг Г \

о =

8 Р1

ш

со б д^ + — Б 1п дк1 Як

1А

71

тг2ех (2к +1)2 С - (дк + о) б \ п со / + т с о э ш /

+

+

\

(Я*

Як

тг + (дк + о)2

+

ю)з1псо / - ясозш/

® + (я, - о)

(дк + со) э 1 п дкЬ ~ ш с о б дк1 тг + {дк + о)2

+

+

(2)

где

+

Як

(дк - ©) б ¿п дк( + т соэ дк1 а2 + {дк - ю)2

ЛЛ

JJ

'(2 к + 1)7га . 21

- Ш ' БШ

(21 + 1)71Х 21

собственные

функции, / - длина стержня, к^Ь, 1, 2, ....

Рассмотрев полученное решение, был сделан вывод, что все члены группируются в две группы: первая при множителе ем представляет собой затухающие колебания стержня (переходный процесс) , вторая - установившиеся, колебания незакрепленного конца стержня. Поэтому полученное решение вполне согласуется с классическим случаем вынужденных колебаний.

Поскольку основной частотой колебаний стержня является первая гармоника вида

и учитывая, что коэффициент трения достаточно мал для того, чтобы принять его равным нулю, частота первой гармоники собственных колебаний стержня без учета сопротивления имеет вид

Для ферритового стержня марки?-150 длиной 200 мм и диаметра 12 мм, примененного в магнитострикционном преобразователе магнитострикционного типа при £ =1,75-10'" Па, 1-0,2 м,

р=5,27-10"3 кг/см3 первая гармоника колебаний, соответствующая резонансной частоте имеет величину 2209,51 Гц. Поскольку в реальности присутствующая сила сопротивления приводит к уменьшению величины резонансной частоты, то при проектировании электронного усилителя несущая частота была выбрана меньше 2 кГц, т.е. гарантированно меньше частоты первой моды колебаний.

Решение уравнений (1) при соответствующих граничных электрических или механических условиях позволяет определить значения скорости и перемещения в любой точке стержня преобразователя для любого момента времени и тем самым оценить реакцию магнитострикционного элемента на входное воздействие. Однако такое решение представляет собой сложную задачу и возможно лишь для случаев, которые содержат определенные ограничения и допущения и определены все необходимые коэффициенты.

Для определения динамической модели гидрораспределителя был взят за основу экспериментально-аналитический метод, базирующийся на представлении магнитострикционного преобразователя в виде модели многомерного объекта управления в виде "черного ящика" с определением передаточных функций по прямым и перекрестным каналам связи между выходными и входными координатами, а также между внешними возмущающими воздействиями.

Построенная обобщенная матшазт&ская^одель-4{5Пг~с^кгтшш1ая из вынужденных колебаний стержня, электромагнитных уравнений Максвелла, уравнений магнитострикции позволяет сделать вывод о правомерности принятия первой моды колебаний стержня преобразователя за основную резонансную частоту силовой части МСП для учета ее при проектировании электронного усилителя. Особенности магнитострикционного эффекта в феррите определяют необходимость реализации электрической части в виде импульсного усилителя, наводящего переменное магнитное поле на стержне магнитострикционного преобразователя, что позволяет повысить коэффициент маг-

нитострикции, а вместе с ним увеличить перемещение' золотника распределителя, уменьшить нелинейность и гистерезис.

В третьей главе приводятся схемы электронной управляющей •тети с обоснованием параметров элементов и их технических характеристик, полученных в результате испытаний. Предложены способ и методика определения статических и динамических характеристик распределителя с магнитострикциояным преобразователем, а гакже схемы экспериментальных стендов, приведено обоснование выбора регистрирующей аппаратуры, описан программный комплекс цля снятия характеристик с помощью платы ЦАП-АДП на базе ПЭВМ. Приведены экспериментальные данные полученных характеристик, зценены погрешности измерения. Проведено численное определение аппроксимирующей функции при помощи модельного эксперимента на 5ВМ, подтверждающее предложенные гипотезы.

Согласно особенностям магнитострикции, рабочее магнитное толе катушки управления для наибольшего коэффициента магнитострикции должно быть переменным, с минимальной постоянной состав-гсяющей, поэтому в качестве несущего напряжения применен периодический прямоугольный импульсный режим постоянной частоты (меандр). Управление преобразователя производится путем амплитуд-зо-импульсной модуляции (АИМ).

В результате проведенных экспериментов были выбраны наибо-нее оптимальные схемы электронной части и отработаны работоспособные схемные решения. Схема генератора прямоугольного сигнала (ГПС) построена на цифровой микросхеме типа КМ555АГЗ. В модуля-горе применена схема АИМ с прямым включением коммутирующего на-тряжения, которое поступает с ГПС на Импульсный трансформатор 4Т1 вместе с сигналом управления. Полученный модулированный сигнал усиливается с помощью предварительного усилителя (ПУ), тосгроенного на" базе усилителя низкой частоты К174УН14, сигнал ' с которого поступает на импульсный трансформатор ИТ2 с искусственной средней точкой. Выходной усилитель (УВ) выполнен на гранзисторных ключах с учетом активного сопротивления и индук-гивности МСП. Все каскады усилителя имеют гальваническую раз-зязку по току через импульсные трансформаторы. Принципиальная электрическая схема электронной управляющей части представлена т рисунке 1.

■ За основу гидравлической части распределительного узла был ззят корпус серийного распределителя Бу=6 мм с- промеренными ли-

Рис. 1 ■

нейными размерами внутренних проточек под золотник. Для обеспечения точного регулирования расходов в области малых перемещений применен золотник с минимальной зоной нечувствительности. Для чего линейные размеры золотника были выбраны согласно рекомендациям с учетом' микрогеомегрии дросселирующих щелей межд; внутренними выточками корпуса и золотником распределителя.

Для контроля перемещения золотника был радрабосан-фотоопти--чеекий—датчшПТеремещения с точным замером малых перемещений 1 высокой полосой пропускания. Он представляет собой излучател] световых волн на основе лампы накаливания типа СМ-28-0.05-1 I фотодиод инфракрасного диапазона ФД611, расположенные друг про тив друга. Между ними помещена тонкая заслонка из листовой ла туни, имеющая большую жесткость и соединенная с золотником че рез тягу, изготовленную из рояльной проволоки диаметром 0,8 мм Электронная часть датчика включает в себя стабилизировании блок питания и транзисторный усилитель.

Для проведения испытаний гидрораспределителя был разработан 'идравлический стенд, приведенный на рисунке 2 и состоящий из лектродвигателя, шестеренного насоса, гидравлической емкости с омпенсатором и предохранительного клапана. Распределитель под-люч.ается к питающей установке гибкими шлангами, соединенными с ервхадной плитой через быстроразъемные соединения. В качестве агрузки применен регулируемый гидравлический дроссель.

ис. 2. Гидравлический стенд: ДП - датчик положения, ДР - дроссель, К компенсатор, КО - обратный клапан, КП - предохранительный клапан, КС сливной клапан, МН - манометр, Н -насос, ПУ - питающая установка, ГУ - испытуемый распределитель, ЭУ - электронный усилитель

Для ускорения процесса испытаний гидрораспределителя, сня-ия и обработки результатов эксперимента был разработан ком-:лекс, состоящий из платы аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразования (плата ЦАП-АЦП), предназначенной для сопря-:ения с системной платой персонального компьютера (ПК). Для реализации вышеизложенной схемы был взят персональный компьютер

типа IBM PC 486DX66 с платой ЦАП-АЦП L-154 и был разработан пакет прикладных программ (ППП) для снятия и обработки данны? эксперимента, написанный на языках программирования Turbo Pascal и Turbo Assembler и предназначенный для работы в операционной системе DOS.

Используя специально разработанную методику для проведение испытаний, была определена статическая характеристика распределителя. При помощи этой же методики был проведен эксперимент пс определению динамических характеристик распределителя, на основании которых была построена ЛАЧФХ, показанная на рисунке 3.

201gA(to)_<75 (Ш)

•дБ

-5

-10

-15

-20

град -30

-60 -90 -120 -150 -180 -210 -240

10

100

-270

ы Гц

Рис. 3

При анализе статической характеристики распределителя былс определено, что нелинейность составляет 0,465% при максимальное среднеквадратической погрешности измерений 0,5%, т.е. не хуже, чем у серийных гидроусилителей и пропорциональных гидрораспределителей. Анализ ЛАФЧХ показал, что ослабление АЧХ -3 Дб происходит на частоте 410 Гц, что более, чем на 25% превосходи! подобные показатели серийных гидроусилителей.

Построение передаточной функции на основе реальных характеристик, представляющее собой довольно сложное и громоздкое

действие, было упрощено вследствие того, что согласно физической модели преобразователя основная составляющая колебаний определяется вынужденными колебаниями стержня. Результаты проведенного эксперимента подтверждают выводы, сделанные на основании применения механических элементов на основе магнитострикци-онного эффекта в технике. На основании применения этих элементов был сделан однозначный вывод о том, что МСП в динамике представляет собой колебательное звено. Несмотря на то, что электронный усилитель состоит из нескольких звеньев, часть из которых представляют собой импульсные нелинейные звенья, для описания которых разработан довольно громоздкий и сложный математический аппарат, на практике показано, что эти усилители с достаточной степенью точности описываются как апериодическое звено.

На основании вышеизложенного был сделан вывод, что аппроксимирующая функция электронного усилителя и МСП представляет собой соединение двух звеньев - апериодического и колебательного. Для определения числовых значений коэффициентов динамических звеньев был применен модельный эксперимент на ЭВМ при помощи программного средства 81ат (версия 4.2.э). Используя полученные динамические характеристики, были определены числовые значения коэффициентов, при которых частотные характеристики модели соответствуют экспериментально определенной ЛАФЧХ гидрораспределителя и построена передаточная функция, представленная на рисунке 4.

1 1 X

0,035-3 + 1 0,025^>2+2-0,23-0,025-3+1

Рис. 4

В результате анализа экспериментальных данных был сделан вывод о том, что применение распределителя целесообразно в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокое быстродействие, точность .позиционирования и ползучую скорость выходного звена следящей системы, а так же в тех случаях, когда необходимо обеспечить стабильную работу привода в области регулирования малых расходов и точной настройки малых уровней давления.

В четвертой главе приводятся схемы и математическая модель серийного следящего привода специального объекта, дана его структурная схема, для которой рассчитаны динамические харак-

теристики на основе реальных параметров привода. Аналогичны« действия были выполнены для привода, в который включен разрабО' танный в данной работе гидрораспределитель. На основании мо> дельного эксперимента был проведен сравнительный анализ динами ческих характеристик приводов.

В качестве привода, в составе которого проводится вычисли тельный эксперимент по исследованию динамики в случае примене^ ния разработанного гидроусилителя, взят следящий привод П-80( специального объекта, предназначенный для обеспечения наведени; и стабилизации 30 мм автоматической пушки типа 2А42 по сигнала! от прицельно-пилотажно-навигационного комплекса на вертолет! Ка-50. Изделие П--800 содержит два следящих привода управление установкой - привод управления в вертикальной плоскости с ис полнительным элементом "рулевой агрегат РА-83" (привод • ВН) 1 привод управления в горизонтальной плоскости на базе РА-8-(привод ГН). Рулевые агрегаты (РА) состоят из силового гидроци линдра и электрогидравлического усилителя УГ62, изготовлении; КБ "Родина". Конструктивная схема привода ВН приведена на ри сунке 5.

Вывод уравнений движения был проведен с учетом допущений потери перепада давлений в каналах пренебрежимо малы, изменен» коэффициента расхода на окнах золотника ЭГУ не учитывается давление нагнетания постоянное, температура рабочей жидкост) постоянная, изменение гидравлической жесткости от величины сме щения золотника ЭГУ отсутствует, люфт между штоком РА и нагруз кой настолько мал, что не оказывает существенного влияния н; устойчивость и точность следящего привода.

На основании конструктивной схемы и с учетом технически, параметров привода, уточненных при испытаниях серийного приво да, проведенных в составе объекта, была составлена математиче -екая—модель—следящего привода, на основании которой была по строена структурная схема для проведения модельного эксперимен та.

Для исследования динамики привода были применены пакет: прикладных программ Б1АМ (версия 4.2.5) и Турбо МЙК25 (вереи 6.1), моделирующие динамику следящих систем на основе структур ной схемы. На основании проведенного' модельного эксперимент были построены графики ЛАФЧХ серийного и модельного привода показанные на рисунке 6.

Зис. 5. Конструктивная схема привода ВН: АК - гидроаккумулятор, Б -5ак, ГЦ - гидроцилиндр, ДЦ - датчик давления, ДП (ВТ) - датчик положе-■шя (вращающийся трансформатор), КО - обратный клапан, МН - манометр, { - насос, ФЧВ - фазочувствительный выпрямитель, ЭД - электродвига-гель, ЭГУ - гидрораспределитель, ЭУ - электронный усилитель

Исследования показали, что применение быстродействующего эаспределителя в составе привода без внесения изменений в другие звенья повышает быстродействие привода, позволив получить эслаблёния ЛАЧХ - 3 дБ на частоте 39,5 Гц у модельного "привода три 30,5 Гц у серийного, при тех же запасах устойчивости и точности, что и у серийного привода.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

По результатам проделанной работы можно сделать следующие основные вывода:

1. Проведен анализ конструкций, параметров и областей применения гидрораспределителей, выявлены недостатки серийных электромеханических преобразователей и определена конструкция

Рис.6

быстродействующего электромеханического преобразователя магни тострикционяого типа.

2. Разработана физическая и математическая нелинейная мо дель электромеханического преобразователя магнитострикционног< типа на основе уравнений магнитострикционного эффекта, вынуж денных колебаний стержня в среде с сопротивлением и уравненй Максвелла для магнитного поля, рассмотрены взаимодействия сиз внутри силового элемента преобразователя, разработан экспериментально-аналитический метод для динамического моделирование гидрораспределителя.

3. Разработан электромеханический преобразователь магнитострикционного типа с электронным управляющим блоком. Проведень экспериментaльныe_JIccJ!eд^шшия__злeк-г-poннoй—управляющей части и

—з^ектрш^МничёскогсГпреобразователя магнитострикционного типа.

4. Разработан быстродействующий гидрораспределитель с электромеханическим преобразователем магнитострикционного типа для следящих электрогидравлических приводов.

5. Разработаны способ и методика проведения эксперимента для определения статических и динамических характеристик гидрораспределителя, изготовлен испытательный стенд и выбрана регистрирующая аппаратура.

6. Разработан и экспериментально отработан комплекс для автоматизированного проведения испытаний физического объекта, состоящий из платы ЦАП-АДП в составе ПЭВМ типа IBM PC AT486DX-4 и 1акета прикладных программ для автоматизации испытаний.

7. Проведено экспериментальное определение статических и щнамических характеристик распределителя, оценены погрешности 1змерения, определено аналитическое выражение для описания ди-¡амической модели распределителя на основании данных, получен-шх в результате эксперимента.

8. Разработаны математическая модель и структурная схема :ерийного следящего привода объекта специального назначения и годельного привода с учетом полученной динамической модели рас-феделителя, примененного в составе привода, для повышения его щнамических характеристик.

9. Проведен вычислительный эксперимент по расчету частотных характеристик серийного и модельного привода объекта специаль-¡ого назначения, в результате чего были повышены точность и быстродействие электрогидравлического следящего привода объекта специального назначения.

Проведенные работы и полученные научные и практические ре-¡ультаты позволяют заключить, что поставленная цель исследова-шй: "Разработка электромеханического преобразователя магнитострикционного типа, создание аппаратуры для автоматизации экс-[ериментальных исследований статических и динамических характе-шстик технического объекта и расчетно-экспериментальных мето-i;ob определения динамических характеристик распределителя, оп-•имизации на этой основе конструктивных параметров гидрораспре-(елителя для повышения точности и быстродействия следящего при-юда объекта специального назначения" полностью выполнена.

Разработан и исследован гидрораспределитель с элекгромеха-мческим преобразователем магнитострикционного типа, имеющий [учшие, чем все известные гидроусилители, динамические характе-шстики, что позволяет улучшить динамические характеристики следящих приводов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Артемов В.В., Смирнов A.B. Определение частотных харак-'еристик' магнитострикционного преобразователя при помощи 'ЭВМ// 'правление в технических системах: Материалы научно-технической ;онференции. -Ковров: КГТА, 1998. - 358 с.

2. Артемов В.В., Круглов В.Ю. Сравнительный анализ электрс гидравлических распределительных аппаратов// Системы управле нця-конверсия-проблемы: Материалы научно-технической конфереь-ции. - Ковров: КГТА, 1996. - С. 77-78.

3. Артемов В.В. Тенденции развития цифровых злектрогидраь лических приводов// Материалы XVII научно-технической и научнс методической конференций Ковровского технологического инстит} та. - Ковров: КГТА 1995. - С. 87-88.

4. Артемов В.В., Говоров Н.С. Электрогидравлический мехе низм управления с магнитострикционными ЭМП// Системы управле ния-конверсия-проблемы: Материалы научно-технической конферв? ции. - Ковров: КГТА, 1996. - С. 131-132.

5. Артемов В.В. Электромеханические преобразователи в све! развития пропорциональной техники// Гидропневмоавтоматика гидропривод: Материалы международной научно-технической конфе ренции. - Ковров: КТИ, 1995. - С. 61-62.

6. Исследование рабочих дроцессов гидроприводов. Отчет НИР/ КТИ; Руководитель Кутузов В.К. - № ГР 01.9.032.756, Инв. 004306. Ковров, 1995.