автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Математическая модель исполнительного двигателя на силовых оболочковых элементах

1. КОНСТРУКТИВНЫЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Введение

1.1.1. Мембраны

1.1.2. Сильфоны

1.1.3. Оболочки

1.2. Силовые оболочковые элементы

1.2.1. Баллонный цилиндр фирмы Festo

1.2.2. Чулочная мембрана фирмы Festo

1.2.3. Пневматический мускул фирмы Festo

1.2.4. Механическая мышца фирмы "Пневмотроника"

1.3. Недостатки силовых оболочковых элементов как конструкций и возможные пути их устранения

1.4. Варианты построения силовой части исполнительных двигателей, выполненных на базе силовых оболочковых элементов

1.5. Достоинства и недостатки при использовании силовых оболочковых элементов в исполнительных двигателях

1.6. Примеры применения разомкнутых приводов на основе дифференциального исполнительного двигателя, выполненного на базе силовых оболочковых элементов

1.7. Привлечение теории оболочек к разработке статических математических моделей силовых оболочковых элементов

1.8. Выводы по главе и постановка задачи

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА СИЛОВЫХ ОБОЛОЧКОВЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

2.1. Введение

2.2. Геометрические параметры силового оболочкового элемента

2.3. Усилие, развиваемое силовым оболочковым элементом

2.4. Статические характеристики дифференциального исполнительного двигателя

2.5. Расход рабочей среды, поступающей в полости силовых оболочковых элементов 29 2.5.1. Объемный модуль упругости газа, поступающего в полость силового оболочкового элемента

2.6. Управление потоком рабочей средой, протекающей через дроссель

2.6.1. Расход жидкости, протекающей через дроссель

2.6.2. Расход газа, протекающего через дроссель

2.7. Нелинейная динамическая математическая модель дифференциального исполнительного двигателя

2.8. Линейная математическая модель дифференциального исполнительного двигателя

2.9. Линейная математическая модель исполнительного двигателя с возвратной пружиной

2.10. Конфигурация сетчатой оболочки

2.11. Исследование состояния оболочки

2.11.1. Система криволинейных координат

2.11.2. Первая и вторая квадратичные формы

2.11.3. Усилия и моменты, испытываемые элементом оболочки

2.11.4. Потенциальная энергия деформации

2.12. Влияние конструктивных параметров на характеристики силовых оболочковых элементов

2.12.1. Влияние конструктивных параметров силового оболочкового элемента на величину предельного сокращения силового оболочкового элемента

2.12.2. Влияние угла укладки армирующих нитей на характеристики силового оболочкового элемента

2.12.3. Влияние угла укладки армирующих нитей на параметры исполнительного двигателя

2.13. Методика выбора элементов силовой части исполнительного двигателя, выполненного на силовых оболочковых элементах

2.14. Выводы по главе

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Цели, поставленные при проведении эксперимента

3.2. Краткое описание стенда

3.2.1. Функционирование промышленного компьютера

3.2.2. Чувствительный элемент

3.2.3. Электропневматический дроссельный распределитель

3.3. Оценка достоверности разработанной статической модели силового оболочкового элемента

3.3.1. Методика экспериментального получения статических силовых характеристик силовых оболочковых элементов

3.3.2. Статические силовые характеристики пневматического мускула

3.3.3. Статические силовые характеристики механической мышцы

3.3.4. Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов, учет влияния материала оболочки на статические силовые характеристики на примере механической мышцы

3.3.5. Определение потерь развиваемого усилия по экспериментально полученным статическим характеристикам

3.4. Оценка достоверности разработанной динамической линейной математической модели дифференциального исполнительного двигателя на силовых оболочковых элементах

3.4.1. Получение частотных характеристик исполнительного двигателя опытным путем

3.4.2. Динамическая линейная математическая модель исполнительного двигателя

3.4.3. Получение ЛАЧХ исполнительного двигателя на базе механических мышц и ее сравнение с экспериментальными частотными характеристиками

3.4.4. Получение ЛАЧХ исполнительного двигателя на базе пневматических мускулов и ее сравнение с экспериментальными частотными характеристиками

3.5. Диапазон регулирования скоростей, режим ползучих скоростей исполнительного двигателя

3.6. Исполнительный двигатель в замкнутой системе

3.7. Выводы по главе

I. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА БАЗЕ СИЛОВЫХ ОБОЛОЧКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

4.1. Введение

4.2. Система управления элеронами самолета МиГ-15 на основе исполнительного двигателя, выполненного на базе силовых оболочковых элементов

4.2.1. Описание штатной системы управления самолетом МиГ

4.2.2. Выбор элементов привода и расчет его характеристик

4.2.3. Составление математической модели следящего привода управления элеронами

4.2.4. Синтез следящей системы

4.3. Применение исполнительного двигателя на силовых оболочковых элементах в системе управления общим шагом вертолета Ка

4.3.1. Управление вертолетом Ка

4.3.2. Блок-схема привода на силовых оболочковых элементах

4.3.3. Выбор силовых элементов исполнительного двигателя и процедура динамического синтеза системы управления

4.4. Применение силовых оболочковых элементов в модуле схвата робота-манипулятора

4.5. Выводы по главе

5. ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

В настоящее время, в связи с появлением новых материалов и технологий, оказалось возможным создание оригинальных конструкций, которые могут быть применены в качестве силовых частей исполнительных двигателей систем управления линейного и углового перемещений. Усилия разработчиков, направленные на создание новых (нетрадиционных) силовых элементов, вызваны желанием получить силовую часть исполнительного двигателя, обладающую более выгодными техническими, эксплуатационными и экономическими показателями.

Большинство эксплуатируемых на сегодняшний день исполнительных двигателей линейного действия основываются либо на пневмо-, либо на гидроцилиндрах. Разработка систем управления на их основе сравнительно несложна в связи с простым типом конструкции и наличием достаточно полной математической модели подобных приводов. Однако, такой классический исполнительный механизм, помимо достоинств, обладает и рядом недостатков. К основным недостаткам можно отнести сравнительно большую массу и трение в механизме. А высокое качество обработки внутренних поверхностей обуславливает высокую стоимость изделий. Объемные потери прямо пропорциональны времени эксплуатации.

В качестве элементов улучшающих те или иные характеристики гидравлических и пневматических исполнительных двигателей явились такие известные изделия как мембраны, сильфоны, а также различные оболочки. Рабочий ход силового элемента упомянутых конструкций сопровождается изменением конфигурации образующей поверхности. При этом исключается возможность утечек рабочей среды, могут быть повышены развиваемые усилия, снижена цена и масса изделий, улучшены динамические показатели. Кратко рассмотрим эти конструкции.

1.1.1. Мембраны

Использование мембран в качестве силовых элементов, позволяет получать относительно большие развиваемые усилия при небольшой величине хода. Подобным примером могут служить изделия фирмы Ре5(о [44]. На рис. 1.1 приведен чертеж одного из мембранных цилиндров этой фирмы (серия ЕУ). рис. 1.1 Мембранный цилиндр фирмы РеэШ.

Перемещение мембраны достигается за счет нагнетания рабочей среды в ее полость. Возвращение мембраны в исходное состояние осуществляется за счет пружины, установленной внутри изделия. Такие мембраны работают при давлениях рабочей среды до 0.6 МПа и в диапазоне температур [-20.+40]°С. Усилия, развиваемые такими мембранами, достигают десятков и даже сотен ньютонов, обеспечивая величину хода порядка единиц мм.

1.1.2. Сильфоны

В качестве примера изделий, используемых в качестве силовых элементов, приведем сильфонный цилиндр фирмы СопиТесЬ [33]. Такие сильфонные цилиндры обладают относительно большим развиваемым усилием и могут быть использованы для подъема и прессования, обеспечивая величину возможного хода до 40 мм. При этом конструкционные материалы, примененные в производстве изделия, позволяют применять подобные сильфоны в агрессивной среде при температурах, достигающих 120°С.

1.1.3. Оболочки

В последнее время большое распространение в технике стали получать конструкции в виде мягких и сетчатых оболочек (оболочки с надувным каркасом, воздухоопорные оболочки, резинокордные оболочки). Особенность подобных конструкций, которые изготавливают из пленок или тканевых материалов, состоит в том, что они приобретают жесткость только после предварительного нагружения. Нагнетание рабочей среды в полость оболочки сопровождается деформацией ее поверхности и возникновением больших по величине давящих или тянущих усилий. Изменение конфигурации оболочки определяется геометрией ее исходного состояния, применением тех или иных конструкционных материалов, а также характером возможного армирования ее поверхности. Использование армирования поверхности оболочки, позволяет придавать силовому элементу, выполненному на основе оболочки, определенные свойства, выраженные принятием оболочкой определенной конфигурации и направлением развиваемых усилий. Таким образом, все силовые оболочки можно разделить на два подкласса — с армированием и без армирования поверхности.

В случае, если оболочка неармированна, с возрастанием давления рабочей среды внутри ее полости, происходит расширение оболочки во всех направлениях, сопровождающееся возникновением распирающих усилий. В качестве примера данного типа силовых оболочек, можно привести так называемые надувные подушки, выпускаемые фирмой ВШш Ай [24]. Подобные изделия могут иметь квадратную, прямоугольную или круглую форму и достигать линейных размеров от 0.1 до 1.0 м. Используемые для прессования, подъема и других операций, такие силовые оболочки позволяют достигать усилий, лежащих в диапазоне [0.2.20]кН, обеспечивая при этом величину хода до [45.500] мм.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Концептуальная модель связи давления и расхода рабочей среды в полости силового оболочкового элемента с изменением его конфигурации и развиваемыми усилиями, рассмотренная в диссертации, позволяет расчетным путем получить статические характеристики силового оболочкового элемента.

2. На основе полученных статических характеристик силовых оболочковых элементов разработаны динамические математические модели исполнительных двигателей, выполненных по дифференциальной схеме и с возвратной пружиной, в нелинейном и линейном варианте для типовых рабочих сред.

3. Представленная в диссертации итеративная процедура расчета характеристик статической математической модели силового оболочкового элемента на базе модифицированной теории сетчатых оболочек позволила корректно учесть влияние конструктивных параметров силовых оболочковых элементов на упомянутые характеристики.

4. В рамках аналогичной процедуры на основе теории поверхностей оказалось возможным учесть энергетические свойства эластомеров силовых оболочковых элементов, что необходимо для корректного расчета их силовых статических характеристик.

5. На основе упомянутых выше итеративных процедур разработана методика выбора силовых оболочковых элементов, входящих в состав исполнительного двигателя.

6. Созданный для экспериментальных исследований многофункциональный стенд и программа автоматизированной обработки опытных данных дали возможность выполнить большой объем испытаний не только собственно силового оболочкового элемента, исполнительного двигателя на силовых оболочковых элементах, но и замкнутой системы автоматического управления с исполнительным двигателем на силовых оболочковых элементах. Полученные экспериментально результаты весьма близки к их теоретическим аналогам.

7. Иллюстративные примеры по применению исполнительных двигателей на силовых оболочковых элементах, рассмотренные в диссертации, подтверждают перспективность их использования в системах автоматического управления в различных областях техники.

8. Представленная в диссертации динамическая математическая модель исполнительного двигателя на силовых оболочковых элементах и иллюстративные примеры по его применению в системах управления снимают существующие ограничения по широкому использованию исполнительных двигателей на силовых оболочковых элементах в системах автоматического управления в различных отраслях техники.

1. Festo. Программа поставок. Издание 03/01. Festo AG&Co. 2001.

2. SMC. Flow Control Equipment. Tokyo, Japan. 1997. Англ.

3. SMC. Полный спектр пневматических компонентов для промышленной автоматизации (каталог продукции). SMC Corporation. 1999. Англ.

4. Беляев Н.М. Сопротивление материалов, М., Наука, 1965, 856с.

5. Бидерман В.Л. Дифференциальные уравнения деформации резинокордных оболочек вращения. В. кн.: Расчеты на прочность в машиностроении. Труды МВТУ №89, М., Маш-гиз, 1958, с. 119-146.

6. Бидерман В.Л. Механика тонкостенных конструкций. Статика. М., Машиностроение, 1977 (Б-ка расчетчика.), 488с.

7. Бидерман В.Л. Уравнения равновесия безмоментной сетчатой оболочки. "Изв. АН СССР. Механика твердого тела", 1966, №1, с.81-89.

8. Бухин Б.Л. Применение теории сетчатых оболочек к расчету пневматических шин. Механика пневматических шин. Сборник трудов НИИ шинной промышленности. М., 1974. с. 59-74.

9. Власов В.З. Общая теория оболочек. М. Л., ГТТИ, 1949, 784с.

10. Гидравлические и пневматические силовые системы управления: Пер. с англ./ Под ред. Дж. Блэкборна и др. М., 1962. 614с.

11. Гидравлический следящий привод. Гамынин Н.С. и др. Под ред. В.А. Лещенко., М., Машиностроение, 1968, 564с.

12. Гольденвайзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек. М. Л., ГТТИ, 1953, 544с.

13. Изобретения. Официальный бюллетень российского агентства по патентным товарам и знакам. №7 1998, 7156, 97115341/20, Водяник Г.М., Водяник А.Г., Цибизов А.Н., Механическая мышца. Опубл. 16.07.1998.

14. Каханер Д., Моулер К., Нэш С., Численные методы и программное обеспечение: Пер. а англ. Изд. второе, стереотип. - М.: Мир, 2001. - 575с., ил.

15. Королев В.И. Слоистые анизотропные пластинки и оболочки из армированных пластмасс. М., Машиностроение. 1965, 272с.

16. Лепетов В.А., Юрцев Л.Н., Расчеты и конструирование резиновых изделий: Учебное пособие для вузов, 3-е изд. перераб. и доп. Л.: "Химия" Ленингр. Отд-ние, 1987. -406с.: ил.

17. Липатов A.A., Марти А.Н., Шароватов В.Т. Исследование динамики и статики нового типа гидро- пневмопривода. Известия вузов. Машиностроение, 2002, №4, стр. 36-49.

18. Липатов A.A., Шароватов В.Т. Учет особенностей исполнительного двигателя оболочкового типа в его математической модели. Известия вузов. Машиностроение, 2002, №9, стр. 40-49.

19. Лурье А.И. Статика тонкостенных упругих оболочек. М. Л., ГТТИ, 1947. 252с.

20. Ляв А. Математическая теория упругости. М.-Л., ГОНТИ, 1935. 674с.

21. Механические мышцы. Конструкция, общие технические требования. Проект отраслевого стандарта. М., Минавтопром РФ, 2001, 12с.

22. Надувные подушки. Druckluft-Kissen. Maschinenbau. 2000, №10, с51, Нем.

23. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. Л., Судпромгиз, 1962, 431с.

24. Основы эксплуатации и конструкции реактивного самолета истребителя МИГ-15бис. Воениздат, 1960.

25. Пневматический мускул. Imprived mechanical actuator: Заявка 2335467 Великобритания, МПК F 15 В 15/10, Greenhill Richard Martin. №9806169.0; Заявл. 20.03.1998; Опубл. 22.09.1999; НПК FID.

26. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. М., Машиностроение, 1987, 465с.

27. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов: Учеб. Для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001, 320с., ил.

28. Привод невысокого давления. Low pressure actuator: Пат. 6209443 США, МПК F 16 К 3/00, F 01 В 19/00. Hillex Technologies Inc, Perez Jose. №09/113009; Заявл. 09.07.1998; Опубл. 03.04.2001; НПК 92/39. Англ.

29. Сильфонные цилиндры. Heben mit balgzylindern. Zuliefermarkt. 2000, №6, c41. Нем.

30. Смирнова В.Н., Петров Ю.А., Разинцкв В.И., Основы проектирования и расчета следящих систем, М., Машиностроение, 1983.

31. Степушин И.М. Гидравлическое оборудование, каталог-справочник, т.2, М., 1967.

32. Суриков Н.Ф., Иоффе Г.И. и др. Вертолет Ка-26, М. Транспорт, 1982. 221с.

33. Упругодемпферный пневмоэлемент: Пат. 2184889 Россия, МПК F 16 F 9/04. Юж.-Урал. гос. Ун-т, Сергеев В.М., Пингин Б.Н. №2001120641/28; Заявл. 23.07.2001; опубл. 10.07.2002. Рус.

34. Усюкин В.И. Об уравнениях теории больших деформаций мягких оболочек. "Изв. АН СССР, МТТ", 1976, №1, с. 70-75.

35. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела, т.1., Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1975, 832с.

36. Филин А.П., Элементы теории оболочек. 3-е изд. перераб. и доп. JI. Стройиздат. Jle-нингр. отд-ние: 1987 - 383, 1.с.

37. Флюгге В. Статика и динамика оболочек (перевод с нем.). М., Госстройиздат, 1961.

38. Чемоданов В.К. Следящие приводы, М., Энергия, 1976.

39. Черных К.Ф. Линейная теория оболочек. В 2-х.ч. 1-2. Изд. ЛГУ, 1962-1964.

40. Электронный каталог продукции компании "Festo AG&Co". Версия программы 20110. 2001г.

41. Чупраков Ю.И. Гидропривод и средства гидроавтоматики. М., 1979. 232с.