автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение эффективности приводов установочных движений с гидравлическими амортизаторами

На правах рукописи

Килина Мария Степановна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИВОДОВ УСТАНОВОЧНЫХ ДВИЖЕНИЙ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ АМОРТИЗАТОРАМИ

Специальность: 05.02.02 - машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Ростов-на-Дону 2013

005546461

005546461

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

Официальные оппоненты:

Шишкарев Михаил Павлович - доктор технических наук, профессор, зав. каф. «Информационное обеспечение автоматизированных технологических комплексов» ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет»

Харченко Александр Николаевич - кандидат технических наук, начальник Учебно-научного центра ООО «Камоцци Пневматика», г. Москва

Ведущая организация: Федеральное государственного бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», г. Новочеркасск

Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 года в 10:00 на заседании диссертационного совета Д212.058.06 при ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 1/252.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ДГТУ.

Автореферат разослан «25 ■» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

ДГТУ).

Научный руководитель

доктор техн. наук, профессор

Сидоренко Валентин Сергеевич

диссертационного совета

А.Т. Рыбак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из условий повышения быстродействия и точности технологических и транспортных машин является повышение скорости движения их исполнительных механизмов, обеспечивающих интенсификацию их рабочих процессов.

Они как правило обладают большими перемещаемыми и изменяющимися массами и скоростями быстрых и рабочих ходов. В этих условиях сложно обеспечить безударное торможение механизма. Поэтому при проектировании приводов для новых машин и модернизации, существующих необходимо учитывать динамику переходных процессов при движении элементов приводов, особенно на участках торможения.

В условиях быстро развивающегося автоматизированного производства (автоматические линии, роботизированные комплексы оборудования, станочные системы, обрабатывающие центры, разнообразные подъемные и транспортные машины) решение такой проблемы является важной научно-технической задачей обеспечения оптимального управления движениями технических объектов.

В условиях возрастающих требований к приводам машин ограничиваются возможности традиционного параметрического управления их движениями, т.к при повышении скоростей, нагрузок, мощности возрастают потери энергии потока жидкости, снижается качество (быстродействие, точность, устойчивость) рабочего процесса.

Представляют интерес способы и технические средства управления изменением структуры привода «на ходу» или комбинированного структурно-параметрического управления. При этом расширяются возможности управления движениями.

Повышение эффективности функционирования целевых механизмов машин неразрывно связано с сокращением длительности их исполнительных движений, из которых основными являются установочные и рабочие. Первые обеспечивают пространственную ориентацию механизмов, а вторые главное движение подачи при воздействии на обрабатываемый материал, например, при металлообработке, на заготовку.

Удельный вес установочных движений, в общем, времени рабочего цикла составляет (30-35%) поэтому снижение их длительности является актуальным перспективным направлением, повышения производительности технологических и рабочих циклов механизмов и машин. Пневмоприводы, обладая известными преимуществами, успешно решают такие задачи наиболее простыми средствами.

Для решения задачи требуется совершенствование существующих методов проектирования элементов гидро- и пневмоприводов, а также повышение точности и достоверности методов расчета процессов торможения исполнительных механизмов.

Целью работы является повышение быстродействия позиционного пневматического привода установочных движений с гидравлическими регулируемым амортизатором управляющим процессом торможения при прямом и обратном ходе механизмов.

Для достижения поставленной цели в работе решались задачи:

Сравнительным анализом выделенных конкурирующих структур приводов установочных движений механизмов машин обосновать требования к их схемотехническим решениям с автономными гидромеханическими тормозными устройствами, обеспечивающими интенсивное торможение при прямом и обратном ходе.

Определить регулировочные характеристики гидравлического амортизатора и их зависимость от скорости перемещения и масс перемещаемых механизмов установочных движений.

Предложить уточненное математическое описание регулируемого гидравлического амортизатора, раскрывающее его характеристики и параметры настройки.

Вычислительным и натурным экспериментами установить влияние перемещаемых масс и скоростей установочных движений на длительность и качество процесса торможения.

Разработать методику инженерного расчета и проектирования автономных гидравлических амортизаторов для реальных приводов установочных движений с учетом их кинематических, силовых, массогабаритных характеристик.

Апробацией и промышленным внедрением предлагаемых решений и методик расчета обосновать их технико-экономическую целесообразность и практическую значимость.

Методы исследования.

Конструкторский поиск, численные методы, математическое моделирование процесса торможения динамической системы, мониторинг и осциллографирование параметров в реальном времени и пространстве, идентификация характеристик гидравлических устройств, натурный эксперимент, статистическая обработка и анализ полученных данных. Трехмерное компьютерное моделирование гидроаппаратов в среде итдгарЫсз.

Научная новизна заключается:

1. Обоснованы и реализованы принципы построения быстродействующих приводов установочных движений с автономными тормозными устройствами, обеспечивающими рациональные процессы торможения механизмов при прямых и обратных ходах, при изменяющихся массах, скоростях, (пункт 4)

2. Разработана математическая модель привода со структурно-параметрическим регулированием, содержащую подмодель гидравлического амортизатора, позволяющая оценить качество переходных процессов привода при торможении с различными типами жидкостных амортизаторов, (пункт 5)

3. Установлены регулировочные характеристики и их аналитические аппроксимации предлагаемого внешнего тормозного устройства регулируемого клапанного амортизатора, обеспечивающих рациональные процессы торможения приводов и уточняющих их обобщенную математическую модель, (пункт 4, 7)

4. Предложена обобщенная математическая модель позиционного пневмопривода с изменяющейся структурой и управляемым процессом торможения подводящих механизмов, раскрывающая поведение его динамической системы при изменяющихся перемещаемых массах и скоростях

механизмов установочных движений, что позволяет рассчитать рациональные рабочие циклы установочных движений, (пункт 4, 7)

5. Вычислительным и натурными экспериментами выявлены зависимости длительности и качества процесса торможения от кинематических и силовых характеристик предлагаемого привода, позволяющие определить зоны устойчивого по длительности и точности торможения для различных перемещаемых приводом масс и скоростей установочных движений, (пункт 5)

Практическая ценность работы заключается:

1. В сокращении длительности и повышении точности исполнения рабочих циклов подающих механизмов с быстродействующим позиционным приводом и активным торможением на участках прямого и обратного хода.

2. В разработке и технической реализации гидравлического амортизатора сокращающего затраты времени и средств при инженерном расчете, проектировании, настройке и переналадке подающих механизмов в широком диапазоне перемещаемых масс и режимов движения.

3. В создании и положительной апробации в условиях производства компьютерной версии автоматизированной методики расчета и проецирования позиционного привода повышенного быстродействия и точности с внешними тормозными устройствами, что повышает эффективность создания перспективной техники.

4. В создании информационного и технического обеспечения для модернизации существующих позиционных приводов с параметрическим управлением, повышающего их управляемость, быстродействие и точность.

5. В использовании разработанного стендового оборудования в образовательном процессе ДГТУ, что способствует приобретению устойчивых навыков и умений специалистами, магистрами и аспирантами.

6. В разработке и реализации программной поддержки в среде MatLab и Ms Excel методики автоматизированного расчета пневмопривода установочных движений с двухдвигательной изменяемой структурой, позволяющей оценить поведение реальной динамической системы приводов на этапе проектирования при меньших затратах времени и средств

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на международных и Российских научно-технических конференциях (III Международная научно-практическая конференция «Состояния и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроении». 2010 г., IX Международная научно-техническая конференция «Инновации, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства», 2010 г., XIV Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, МЭИ, 2010.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, четыре из них в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащего общие выводы, список литературы из 121 наименования, 5 приложений, 62 рисунков, 3 таблиц и изложена на 164 страницах машинописного текста.

Содержание диссертации.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, направленной на решение технической задачи повышения эффективности пневмоприводов приводов установочных механизмов. Для решения задачи повышения эффективности установочных механизмов цикловых приводов, предлагается рассмотреть способы торможения с применением внешних тормозных устройств, в частности способы с использованием гидравлических амортизаторов.

В первой главе выполнен анализ библиографических источников Российских и зарубежных авторов. Проведен анализ способов торможения применяемых в агрегатных станках, манипуляторах, роботизированных комплексах и т.д. Проанализированы способы торможения установочных механизмов цикловых приводов изменением внутренних параметров пневмоприводов, рассмотрены способы торможения с использованием внешних тормозных устройств.

На рис. 2 представленная траектория движения однодвигательного привода параметрического управления , для достижения заданной траектории движения, скорости и времени позиционирования в однодвигательной системе используются сложные комплексы обработки и хранения информации. Для цикловых приводов оборудования задействованного в крупносерийном, среднесерийном производстве, а так же в машинах и приводах требующих частую переналадку и подстройку использование сложных информационных комплексов не целесообразно. Поскольку для постоянного хранения, обработки и анализа поступающих сигналов требуются дорогостоящие автоматизированные комплексы.

Гг :.....г"'"

Рис.1 Структура привода рабочих движений с параметрическим управлением ИП- исполнительный привод, УУ - узел управления, Д - двигатель, ПМ -Подающий механизм, ЦМ - целевой механизм, ЗД - задатчик движения, Дч - датчик, БИ

- блок хранения информации, 1_у, \/у - длина и скорость установочного движения, 1_р, Ур

- длина и скорость рабочего хода

Обеспечение торможения и позиционирования привода на участках В-С и Э-Е (рис.2) достигается изменением внутренних параметров привода, т.е. изменением характеристик насосных установок, изменение параметров потока в магистралях (например при уменьшении сечения канала для прохода рабочей жидкости, т.е дроссельное регулирование), изменение площади поршня в полостях цилиндра, изменение гидросхемы (т.е переключение распределителя). Способы торможения изменением внутренних параметров приводов достаточно хорошо исследованы в работах Цухановой Е.А.,

Левитского Н.И., Яшиной М.А.. Пашкова В.М., Сидоренко B.C., Грищенко В.И., и др.

Для упрощения работы циклового привода установочных движений возможно разделение структуры привода на двух двигательную систему, тем самым делая управление привода структурно-параметрическим (рис.3). Для обеспечения подвода установочных механизмов в зону работы целевых механизмов разделяем структуру привода. Например, когда подвод целевых механизмов в рабочую зону выполняется электроприводом, рабочий цикл осуществляется по траектории А-В-С (подвод) и С-Е-А (отвод). Если весь цикл осуществляется при помощи пневмоприводом, то установочные движения выполняются по траектории А-В-С (подвод) и С-Е-А (отвод), целевые - C1-D; D-A.

Рис.2. Траектория движения однодвигательного привода при типовом рабочем цикле при параметрическом управлении. Lp - участок разгона, Lt - участок торможения, Lpx - участок рабочего хода, Ln - участок позиционирования целевого механизма, Lb - участок возврата ЦМ, Ltb - участок торможения

Позиционированию целевых механизмов посвящены работы Сидоренко В.С, Грищенко В.И. и т.д.

Для торможения

установочных приводов, как правило применяются внешние тормозные устройства, такие как жесткие упоры, витые пружины, резиновые буферы, различные амортизаторы. Жесткие упоры, пружины, буферы не обеспечивает требуемого качества переходных процессов, в свете этого применение жидкостных амортизаторов, гидравлических демпферов наиболее перспективно.

Сокращение времени торможения, улучшение качества переходных процессов, улучшение динамики процесса торможения повысят эффективность привода подающих механизмов.

IF

Рис.3 Обобщенная схема привода со структурно - параметрическим регулирование

Произведен патентный поиск по разделу МПК Р16Р009, этот раздел МПК содержит информацию о патентах на полезные модели и изобретения гидравлических амортизаторов, гидродемпферов и различных жидкостных

пружинах. В результате анализа существующих гидромеханических тормозных устройств выявлены некоторые недостатки существующих схемотехнических решений гидромеханических тормозных устройств.

Рис. 4. Рабочий цикл при структурно-параметрическом управлении.

АВ - участок разгона привода установочных движений, ВС - участок торможения привода установочных движений, СЕ -участок разгона при обратном ходе привода установочных движений, ЕА - участок торможения привода

установочных движений, СЮ -работа привода целевого механизма, ЭА - обратный ход привода целевого механизма.

Анализ научных исследований в работах: B.C. Сидоренко, В.И. Грищенко, Е.А. Цухановой, Н.И. Левитского позволил выявить следующее:

- задачи торможения и позиционирования решались способами с изменением внутренних параметров приводов;

- позиционирование приводов решалось объединенной структурой привода, т.е. тормозное устройство входило в состав основной гидросистемы;

- задачи позиционирования подающих механизмов с внешними тормозными устройствами рассмотрены не достаточно полно;

- существующие решения и разработки в области гидромеханических тормозных устройств позволяют, повысит их эффективность методом схемотехнического поиска и интеграции существующих решений.

На основе анализа проведенного в первой главе были сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе работы произведена оценка параметров влияющих на быстродействие привода установочных движений, проведен анализ влияния основных параметров (массы, скорости и времени) на рабочий цикл в целом.

Разработана математическая модель привода со структурно-параметрическим регулированием, содержащую подмодель гидравлического амортизатора, позволяющая оценить качество переходных процессов привода при торможении с различными типами жидкостных амортизаторов.

Работа гидравлического и пневматического привода в различных типах оборудования, выполняется в соответствии с типовыми циклограммами работы. При недостаточной мощности привода или при параметрическом регулировании привода рабочий цикл состоит из: разгона, рабочего хода и торможения.

Время полного рабочего цикла привода: Г = f _.„ + tm + tmnnM

При структурно параметрическом регулировании привода полный цикл работы состоит из разгона и торможения привода. Время полного цикла соответственно: Т

рц

' ^разг ^торм

Время торможения при параметрическом регулировании привода может составлять 30% от всего времени цикла работы привода, а при структурно-параметрическом регулировании может достигать и 40% от всего времени цикла.

Для оценки влияния параметров привода (масса и скорости перемещаемых частей на время позиционирования привода) разработана математическая модель привода установочных движений со структурно-параметрическим регулирование привода. Математическая модель включает в себя подмодель гидравлического амортизатора с булевым параметром, реакцию жесткого упора и булевый параметр позволяющий оценить качество процесса торможения при изменяющихся параметрах привода.

Математическая модель привода установочных движений содержит модель пневмопривода, осуществляющего установочные движения привода. Пневматический привод позволяет развивать максимальные скорости, благодаря чему возможно снизить полное время цикла.

т2

установочных движений при структурно-

А

Рис.5 Расчетная схема привода параметрическом регулировании.

ПЦ - пневмоцилиндр, ПР - пневмораспределитель, ЦМ - целевой механизм, ГА -гидравлический амортизатор, УА - электромагнит, АК - аккумулятор, ПВ - пружина возврата, ДР - дроссель, ОК - клапан обратный;

1_а - ход амортизатора, 1_у - длина хода при установочных движениях привода.

т1 - масса перемещаемых частей при установочных движениях, т2 - масса целевого

механизма; там - масса подвижных частей амортизатора;

Р2 - давление в штоковой полости, Б2 - площадь поршня в штоковой полости, Р1 - давления в поршневой полости, - площадь поршня, Эга - диаметр поршня амортизатора.

Первое уравнение описывающее движение двигателя ПЦ1:

с1Ьу , Л ¿Ь

(пц + ат2)-—^ + к—£- = (Д • ^ - Р2 • 52 )- • Ррам~У- рупора

где т1 и т2 - массы перемещаемых частей при установочных движениях и масса целевого механизма соответственно; а и (3 и у- булевый параметр; Р2 -давление в штоковой полости, Б2 - площадь поршня в штоковой полости, Р1 -давления в поршневой полости, Б1 - площадь поршня, 1_у - длина хода при установочных движениях привода, Рам - математическая подмодель гидравлического амортизатора, Рупора - реакция жесткого упора.

Второе уравнение - уравнения неразрывности потока: =С2

где ;С2 ~ массовые расходы сжатого газа на двух рассматриваемых участках, кг/с.

Учитывая, что массовый расход через пневмораспределитель равен

I ~~2к

в = ¡АЪ„1--<р{&,)'

Уравнения изменения давления воздуха в пневмосистеме:

= к- Л-К ■ рн-^Я-Тн ■ ср{а!) к ■ рх

Л 8\ПЦ-{Х01+Х) (Х01 + X)

Фг =__, к ■ Р2 у

Л && (Х0+Х02-Х)

£2пц (*0 + ^02 -Х)-ра

где

2 к+1

(0{а,) о, к , ПРИ 0,528< сг, <1

ю(ст,) = 0.2588 Р, „ Í2T

,J при a¡=-^--,K= -—-

Рн Vk-1

Рн

где к - показатель адиабаты;

R - газовая постоянная;

Тн , Та - температура воздуха соответственно в нагнетательной и выхлопной магистрали;

pl, р2 - коэффициенты расхода;

рн, ра - давление воздуха соответственно в нагнетательной и выхлопной магистрали;

fl, f2 - площади проходного сечения пневмораспределителя;

Х0 - ход поршня;

Х01, Х02 - отношение начальных («пассивных») объемов V01, V02 пневмопривода к полезной площади поршня поршневой и штоковой полости пневмоцилиндра соответственно.

При формировании математической модели приняты следующие допущения:

1) Характеристика источника сжатого воздуха принимается постоянной рр-сопй, поскольку напорная магистраль пневмопривода соединена с ресивером достаточного объема через регулятор давления.

2) Термодинамический процесс изменения состояния газа в пневматической подсистеме принимается адиабатическим, поскольку процесс протекает за короткий промежуток времени.

3) В описании пневматических устройств используется модель идеального газа, поскольку давление в сжатого воздуха ниже 10 бар.

4) Рабочая жидкость сжимаемая, волновые процессы не учитываются, в каналах присутствует нерастворённый воздух; состояние среды описывается зависимостями, справедливыми для смесей с осреднёнными свойствами.

5) Сила вязкого трения в подвижных сопряжениях пропорциональна скорости перемещения.

6) Коэффициенты расходов р управляющих устройств принимаем постоянными.

В результате проведенного патентного поиска и анализа существующих схемотехнических решений для подстановки в математическую модель привода были разработаны подмодели гидравлических амортизаторов двух типов: клапанного (рис.б) и с отсечной кромкой (в работах Чернавского В.А.) (рис.7). Для решения математических подмодели разработана система допущений: 1. жидкость внутри амортизатора не сжимаема; 2. волновые процессы не учитываются; 3. сила трения пропорциональной скорости с!у/с)1:.

/ 3 4 3

Рис.7 Конструктивная схема гидравлического амортизатора с дискретно изменяющимися окнами и комбинированной отсеченной кромкой: 1. Поршень, 2. Корпус амортизатора, 3. Дроссельные отверстия, 4. Наклонная плоскость образующая комбинированную отсеченную кромку 5.

Приведены данные полученные в результате математического эксперимента с различными типами амортизаторов (рис.8, 9).

Из полученных зависимостей видно, что при использовании в системе амортизатора с отсечной в системе возникают колебания, что отрицательно сказывается на процессе торможения, а клапанный амортизатор не имеет возможности широкого диапазона регулировки, т.е. при переналадке или смене обрабатываемых элементов требуется замена амортизатора.

р* ■ а5т° 1 м • /Ш*г

о их диом*лу>ъ/:

о 2 4 & е 0/г* # 4) я> гз н & гв м 31 ¿ш Рис.8. Зависимость давления р внутри гидроамортизатора с отсечной кромкой, скорости V и модуля ускорения а плунжера гидроамортизатора от длины его хода I для тормозимой массы 1000 кг при начальной скорости плунжера 1 м/с.

У(м о) Р№>

1(с)

оям от 0.0(5 о« од» 0.«

Рис. 9. График зависимости скорости поршня амортизатора и давления в полости амортизатора от времени при тормозимой массе 1000 кг.

В результате проведённого математического исследования и анализа схемотехнических решений, исследуемых амортизаторов предложено техническое исполнение амортизатора сочетающего в себе два тип амортизаторов и позволяющего осуществлять регулировку в широком диапазоне перемещаемых масс и скоростей (рис.10). На данный амортизатор получен патент на полезную модель №132513.

Для описания клапанного амортизатора служит математическая модель, состоящая из системы уравнений.

пв

-Ш

V

АК

Док Ч»П

Рис. 10. Клапанный амортизатор. Патент на полезную модель №132513.

уравнение движения поршня

Первое уравнение системы гидроамортизатора имеет вид:

М —— = р

Рт - Рг

Рп

2 - гш гга г „р :

где М - величина тормозимых масс, приведенных к поршню ГА; х -перемещение поршня ГА; Р - сила давления на поршень ГА со стороны привода; Рт - сила трения в системе (сила трения принята постоянной); Рга -сила давления масла на поршень гидроамортизатора;

где Э и с) - диаметры поршня и штока ГА; р - давление масла в поршневой полости ГА; Рак - давление а аккумуляторе ГА;

Г \п

Рак

}V р

акг ,

акг рп

4 J

где

Г..

объем газа в камерах материала, заполняющего

аккумулятор; п- показатель политропы термодинамического процесса изменения состояния газа в аккумуляторе гидроамортизатора; ррп - сила возврата штока пружиной:

Рпр =Р0 +

где рО- сила начального сжатия пружины; с2- жесткость пружины возврата; Х- величина деформации пружины, равная ходу поршня.

Вторым уравнением для расчета гидравлического амортизатора является уравнение расходов; принято, что перепад давлений в дроссельных отверстиях гидроамортизатора пропорционален постоянному коэффициенту сопротивления и квадранту скорости масла при его течении через отверстие:

Я" п г с1х _ I 2 , Г № ¿р

где р - плотность масла; ^ - коэффициент местного сопротивления через дроссельное отверстие; Б - площадь проходного сечения клапана:

сс

£ = 5"0 + пВку$\п—,

где БО - площадь отверстия постоянного поперечного сечения, осуществляющего движение с малой установившейся скоростью в конце торможения; Эк - диаметр отверстия клапана; у - перемещение подвижного элемента клапана; а - угол конусности подвижного элемента клапана:

тах-х),

где \Л/р - объем масла в поршневой полости ГА; Хмах - максимальная величина перемещения поршня гидроамортизатора или его длина хода.

V /к и

где Е - приведенный модуль упругости наконечника штока ГА, модуль упругости масла; Ем - объемный модуль упругости масла; С - жесткость наконечника гидравлического амортизатора

Наряду с уравнениями движения и расходов для расчета клапанного гидравлического амортизатора используется уравнение движения подвижного элемента клапана:

-л,

где Е - приведенный модуль упругости наконечника штока ГА, модуль упругости масла; Ем - объемный модуль упругости масла; С - жесткость наконечника гидравлического амортизатора

где Рак - сила давления масла на подвижный элемент клапана со стороны аккумулятора

V -—Г)2 Рак ^ иПК Рак'

где Эпр - диаметр подвижного элемента клапана:

Рпр=Рй +С1У>

где Рпр - сила давления пружины на подвижный элемент клапана; ЯО -начальное сжатие пружины клапана, регулируемое нажимным устройством; С1 - жесткость пружины клапана; Рд - демпфирующая сила подвижного элемента клапана:

Результатом математического эксперимента с математической подмоделью клапанного амортизатора были получены графики зависимостей

В третьей главе работы

приведены данные по разработанному экспериментальному стенду-модели, который позволяет моделировать различные технологические операции: сверление, фрезерование, точение и т.д. Определение параметров, оказывающих, наибольшее влияние на полученные результаты: масса подвижных частей привода, скорость или время, подобрать. Подбор показателей наиболее влияющих на параметры самого гидроамортизатора.

На базе кафедры разработан и смонтирован стенд-модель (рис.12), моделирующий рабочий процесс подвода-отвода рабочего органа оборудования. Данный стенд позволяет изменять массу подвижного элемента привода, а так же имеется возможность испытания различных типов амортизирующих элементов.

Стенд оснащен современным измерительным комплексом «Festo» для мониторинга характеристик процесса позиционирования. Принципиальная схема стенда приведена на рисунке 12. Измерительный комплекс «Рейо» через аналогово-цифровой преобразователь передает данные на монитор ПК. Данные выводятся на экран в виде графических данных (графики зависимости), по поведению графиков можно сделать вывод о характере процесса торможения.

К достоинствам стенда можно отнести не только возможность моделировать различные технологические операции, но и то что цилиндр со сжимаемой жидкостью разделен с клапаном, это позволяет использовать в эксперименте различные клапаны и выяснить возможность влияния сжимаемости жидкости на процесс торможения.

По рабочим чертежам изготовлен гидравлический амортизатор на предприятии ООО «ПК «НЭВЗ» в Новочеркасске, амортизатор представлен на рисунке 18, который использовался на стенде для проведения натурного эксперимента и снятия характеристик.

где йд - диаметр демпфирующего отверстия клапана.

М-Т- = Р-Рт-Рга-Рпр>

¿1

(рис.11).

|^р>афш зшнсймосхй скорости; поршня амортизатора при изменении перемещаемой

"Г м Г ; . ,Чч , • зрШ 5! Ч ,

шоршшора при ттвШт перемешаемой

Рис.11, результаты математического эксперимента

Стенд доя испытания моделей гидроамортнзаторов. 1 - рама стенда,2 -подвижнаяплатформа,3- пневмоцнлинлр.4-узел подготовки воздуха, 5 гт пневмодросселя, б—панель управления, 7 - гидрораспрсдсднтель, 8— насосная установка, 9 - гидроцилиндр, 10 - хлагиш предохранительный., 11 -клапан обратный, 12— индикатор часового типа, 13—датчик давления, 14 - датчик перемещения. *

Рис. 12. Стенд для испытания моделей гидроамортизаторов,

■■ 6-

4-

2-

1Ш ,>1-0.152«

0-

-2-

■4 " /

6! ► | 10,813 V /

-8-

-10- .........\-ГГ'

•12- - ?.......у: - г

8 I И 2,49 V

-14 -

•26-28-■30- . .. .. .. .._. ......•./ .: ... !...... - и-. :

X: 2.51251 . 2.008

На рис. 13 представлены графики зависимостей полученных экспериментальным путем. При обработке данных поступающих с цифровой платы ЦАП/АЦП Е20-1(Ю использовалась программа Ром/гСгарИ, позволяющая построить осциллограммы натурного эксперимента.

натурного полученных математической модели.

Рис.13. График зависимости скорости, перемещения и ускорения от времени.

В четвертой главе произведен анализ полученных графиков зависимостей в результате математического и натурного экспериментов для оценки достоверности математического

исследования. А так же оценка данных полученных в результате математического эксперимента с различными амортизаторами и амортизатором клапанного типа (патент №132513) для оценки качественного и количественного повышения эффективности приводов установочных.

В результате сравнения графических данных полученных в результате математического и экспериментов, можно судить о качественном схождении данных, что подтверждает достоверность разработанной

Рис. 14. Сравнение качественных математического и натурного экспериментов.

характеристик

В результате сравнения графиков зависимостей полученных в результате математического эксперимента проведенного с амортизатором с отсечной кромкой и амортизатора клапанного (патент №132513) типа можно говорить о повышении эффективности привода на 30% при затормаживаемой массе 1800 кг и начальной скорости движения привода 0,58 м/с (рис 15.). В пятой главе приведены рекомендации по конструктивным особенностям амортизаторов

(Использование того или иного типа в различных приводах машин). А так же рекомендации по регулировке амортизатора в зависимости от перемещаемых масс и скорости перемещения.

V(m/c) .0.6

OS

0.4

0-3

0.2

0.1

о

-0,1

-0.2

-0.3

-0.4

I

Рис.15. Графики зависимости изменения скорости движения от времени при тормозимой массе 1800 кг и начальной скорости 0,58 м/с.

Основные выводы

1. Обоснованы требования к автономным гидромеханическим тормозным устройствам обеспечивающим интенсивный процесс торможения в приводах со структурно-параметрическим регулированием, что позволило повысить эффективность процесса торможения пневмопривода установочных движений на 30 %.

2. Установлены регулирующие характеристики гидравлического амортизатора и их взаимная связь с кинематическими, силовыми и инерционными характеристиками пневмоприводов на участках торможения, позволяющие дать рекомендации по настройке амортизатора.

3. Внедрение разработанного стенда и компьютеризированного измерительного комплекса в учебный процесс ДГТУ способствует приобретению устойчивых навыков и умений будущих специалистов магистров, аспирантов.

4. Разработана и прошла апробацию в условиях ООО «Стройнефтемаш» инженерная методика расчета, проектирования и оценки регулировочных характеристик регулируемого гидроамортизатора гидравлических и пневматических приводов перемещаемых технических объектов при меньших затратах времени и средств.

5. Разработана обобщенная математическая модель, описывающая поведение динамической силовой подсистемы как гидравлического так и пневматического приводов установочных движений с управляемым гидроамортизатором, позволяющая провести сравнительное моделирование

приводов на участке торможения и установить рациональные области их применения.

6. Предложен и технически реализован регулируемый гидроамортизатор (патент №132513) с широким диапазоном регулировочных характеристик, стабилизирующих процесс торможения при изменении величин скорости и перемещаемых масс.

Публикации по теме диссертационной работы

Публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК

РФ

1. Килина М.С. Анализ способов торможения с применением гидроамортизаторов для механизмов машин повышенного быстродействия / Килина М.С., Чернавский В.А. // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2009. - Т. 10, №4 (47).- 545-549 е., .

2. Килина М.С. Динамика клапанных гидравлических амортизаторов/ Килина М.С., Чернавский В.А. // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2009. - Т. 9, часть 2.-16-22 е.,

3. Килина М.С. Динамика позиционирования приводов с гидроаморт'изатором / Килина М.С., Чернавский В.А., Грищенко В.И. // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2012. - № 4(65)- 30-101 е.,

4. Патент на полезную модель №132513 РФ, МПК F16F9/24 Гидравлический амортизатор/ В.А.Чернавский, М.С. Килина - Опубл. 20.09.2013.

Публикации в других изданиях

5. Килина М.С. К вопросу применения гидроамортизаторов в сельхозмашиностроении / Килина М.С., Чернавский В.А. // Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения. 2010. -материалы 3-й международной научно-практической конференции.

6. Килина М.С. Гидросистема с управлением по давлению агрегатного станка СГК-2253/ Килина М.С., Чернавский В.А. // Металлургия, машиностроение, станкоинструмент. - 2006. - сборник трудов. - 55-60 с.

7. Килина М.С. Математическая модель силовой части пневмопривода с гидроамортизатором / Килина М.С., Чернавский В.А., Грищенко В.И. // Труды IX международной научно-технической конференции «Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельхозмашиностроения» - 2010

8. Килина М.С. Позиционирование с помощью гидравлических амортизаторов подвижных элементов технологического оборудования / Килина М.С., Чернавский В.А., Степанов А.О. // Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика: сборник докладов XIV всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, МЭИ. - М., 2010

В печать 21.11.2013 г. Формат 60x84/16.

Объем 1,0 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1172. Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИВОДОВ УСТАНОВОЧНЫХ ДВИЖЕНИЙ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ АМОРТИЗАТОРАМИ

Научная специальность: 05.02.02 - машиноведение, системы приводов и

детали машин

КИЛИНА МАРИЯ СТЕПАНОВНА

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Ростов-на-Дону

2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................................6

Глава 1. Обзорная часть......................................................................................................................................................................13

1.1. Параметрические и структурно-параметрические способы регулирования скорости привода........................................................................13

1.2. Внешние тормозные устройства..........................................................................24

1.3. Патентный поиск................................................................................................................32

1.4. Оценка состояния области исследования....................................................52

1.5. Общие выводы......................................................................................................................58

Глава 2. Математическое исследование привода установочных

движений...................................................................................... 59

2.1. Обобщенная математическая модель пневмопривода установочных движений с внешним тормозным устройством.............................................................. 59

2.2. Математические подмодели гидромеханических тормозных устройств различного конструктивного исполнения, сравнение полученных данных....................................... ^

2.3. Математическая подмодель клапанного амортизатора с широким диапазоном регулировки.................................. 83

2.4. Основные

выводы..................................................................... 95

Глава 3. Экспериментальное исследование привода со

структурно - параметрическим

регулированием...............................................................................................

3.1. Разработка экспериментальной установки......................... 96

3.2. Калибровка сигналов.................................................... 104

3.3. Получение графиков 108 зависимостей..............................................................................

3.4. Основные выводы........................................................................ 110

Глава 4. Анализ полученных зависимостей....................

4.1. Сравнение полученных теоретических и практических 111 зависимостей.............................................................

4.2. Основные выводы........................................................ 114

Глава 5. Практическое применение и промышленная апробация результатов................................................................................

5.1. Область применения и возможности внедрения клапанного

115

гидроамортизатора......................................................

5.2. Область внедрения экспериментального 126 стенда......................................................................

5.3. Методика расчета гидромеханического тормозного устройства............................................................................................................................128

5.4. Основные выводы..............................................................................................................130

Выводы..........................................................................................................................................................................131

Библиографический список литературы........................................................................................133

Приложения..............................................................................................................................................................146

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ

Привод - совокупность технических средств, обеспечивающих движение исполнительного механизма по заданному закону движения.

Привод установочных движений — привод (гидравлический или пневматический), совершающий подачу исполнительного механизма в рабочую зону.

Гидроамортизатор - гидромеханическое устройство для преобразования механической энергии, передаваемой затормаживаемым телом, в тепловую и последующим рассеиванием ее в окружающую среду. Содержит в конструкции возвратную пружину.

Гидродемпфер - гидромеханическое устройство для преобразования механической энергии, передаваемой затормаживаемым телом, в тепловую и последующим рассеиванием ее в окружающую среду.

Параметрическое регулирование - регулирование скоростных характеристик привода изменением внутренних параметров привода (давление, расход).

Структурно-параметрическое регулирование - регулирование скоростных характеристик привода изменением структуры привода и изменением внутренних параметров.

ПГМУ — пневмогидромеханическое устройство;

ГА - гидроамортизатор;

ПЦ - пневмоцилиндр;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ИП- исполнительный привод;

УУ - узел управления;

9

Д - двигатель;

ПМ — подающий механизм;

ЦМ — целевой механизм;

БИ - блок хранения информации;

ГД - гидродвигатель;

РО - рабочий орган;

ППМ - передаточно-преобразующий механизм; ГУТ - гидроуправляемый тормоз; СУ - система управления; ГЦ - гидроцилиндр;

КГИ1П — кривошипные горячештамповочные прессы.

Введение

Одним из условий повышения производительности и мощности технологических и транспортных машин является увеличение скорости движения их исполнительных механизмов. Они часто обладают большими изменяющимися массами и скоростями быстрых и рабочих ходов. В этих условиях сложно повышать быстродействие механизмов и скорость без обеспечения безударного торможения. Кроме того, повышение скорости даст максимальное увеличение эффективности привода, лишь в случае, когда время реверса будет минимальным. При проектировании приводов для новых машин и модернизации уже существующих необходимо обращать внимание на выполнение переходных процессов при движении элементов приводов и, в частности на процесс торможения.

В условиях активно развивающегося автоматизированного производства (автоматические линии, роботизированные комплексы оборудования, станочные системы, обрабатывающие центры, разнообразные подъемные и транспортные машины) решение проблемы быстродействия является важной машиноведческой задачей оптимального управления движениями технических объектов и характерной тенденций развития современной техники, обеспечивающей эффективное решение технологических и транспортных задач.

В этих условиях ограничиваются возможности параметрического управления, т.к при повышении скорости, нагрузок, мощности систем приводов возрастают потери энергоносителя, снижается качество (быстродействие, точность, устойчивость) рабочего процесса.

Все больше внимания привлекают способы и технические средства структурного управления приводами или комбинированного структурно-параметрического управления приводами.

Повышение эффективности функционирования целевых механизмов машин неразрывно связано с интенсификацией их исполнительных движений, из которых основными являются установочные и рабочие. Первые обеспечивают пространственную ориентацию целевых механизмов, а вторые главное движение и подачи при воздействии на обрабатываемый материал, например, при металлообработке, на заготовку.

Удельный вес установочных и вспомогательных движений целевых механизмов в общем времени обработки составляет 30-35% и снижение их длительности является актуальной научно-технической задачей, задачей повышения производительности обработки и сокращения времени холостых ходов.

В связи с этим является важным совершенствование существующих методов проектирования элементов гидро- и пневмоприводов, а также повышение точности и достоверности методов расчета процессов торможения исполнительных механизмов технологического оборудования с применением гидромеханических тормозных устройств, что позволит минимизировать трудозатраты на модернизацию и переналадку существующего оборудования и создание нового технологического оборудования.

Целью работы является повышение быстродействия пневмо- и гидроприводов механизмов машин путем создания гидравлических регулируемых амортизаторов, улучшающих динамические характеристики приводов.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

1. Сравнительным анализом выделенных конкурирующих структур приводов установочных движений механизмов машин обосновать требования к их схемотехническим решениям с автономными гидромеханическими тормозными устройствами, обеспечивающими интенсивное торможение при прямом и обратном ходе.

2. Определить регулировочные характеристики гидравлического амортизатора и их зависимость от скорости перемещения и масс перемещаемых механизмов установочных движений.

3. Предложить уточненное математическое описание регулируемого гидравлического амортизатора, раскрывающее его характеристики и параметры настройки.

4. Вычислительным и натурным экспериментами установить влияние перемещаемых масс и скоростей установочных движений на длительность и качество процесса торможения.

5. Разработать методику инженерного расчета и проектирования автономных гидравлических амортизаторов для реальных приводов установочных движений с учетом их кинематических, силовых, массогабаритных характеристик.

6. Апробацией и промышленным внедрением предлагаемых решений и методик расчета обосновать их технико-экономическую целесообразность и практическую значимость.

В свете этого становится актуальной тема диссертационной работы.

Методы исследования.

Конструкторский поиск, численные методы, математическое моделирование процесса торможения динамической системы, мониторинг и осциллографирование параметров в реальном времени и пространстве, идентификация характеристик гидравлических устройств, натурный эксперимент, статистическая обработка и анализ полученных данных. Трехмерное компьютерное моделирование гидроаппаратов в среде иг^гарЫсБ.

Научная новизна:

1. Обоснованы и реализованы принципы построения быстродействующих приводов установочных движений с автономными тормозными устройствами, обеспечивающими рациональные процессы торможения механизмов при прямых и обратных ходах, при изменяющихся массах, скоростях, (пункт 4)

2. Разработана математическая модель привода со структурно-параметрическим регулированием, содержащая подмодель гидравлического амортизатора, позволяющая оценить качество переходных процессов привода при торможении с различными типами жидкостных амортизаторов, (пункт 5)

3. Установлены регулировочные характеристики и их аналитические аппроксимации предлагаемого внешнего тормозного устройства - регулируемого клапанного амортизатора, обеспечивающих рациональные процессы торможения приводов и уточняющих их обобщенную математическую модель, (пункт 4, 7)

4. Предложена обобщенная математическая модель позиционного пневмопривода с изменяющейся структурой и управляемым процессом торможения подводящих механизмов, раскрывающая поведение его динамической системы при изменяющихся перемещаемых массах и скоростях механизмов установочных движений, что позволяет рассчитать рациональные рабочие циклы установочных движений, (пункт 4, 7)

5. Вычислительным и натурными экспериментами выявлены зависимости длительности и качества процесса торможения от кинематических и силовых характеристик предлагаемого привода, позволяющие определить зоны устойчивого по длительности и точности торможения для различных перемещаемых приводом масс и скоростей установочных движений, (пункт 5)

Практическая ценность работы заключается:

1. В сокращении длительности и повышении точности исполнения рабочих циклов подающих механизмов с быстродействующим позиционным приводом и активным торможением на участках прямого и обратного хода.

2. В разработке и технической реализации гидравлического амортизатора, сокращающего затраты времени и средств при инженерном расчете, проектировании, настройке и переналадке подающих механизмов в широком диапазоне перемещаемых масс и режимов движения.

3. В создании и положительной апробации в условиях производства компьютерной версии автоматизированной методики расчета и проектирования позиционного привода повышенного быстродействия и точности с внешними тормозными устройствами, что повышает эффективность создания перспективной техники.

4. В создании информационного и технического обеспечения для модернизации существующих позиционных приводов с параметрическим управлением, повышающего их управляемость, быстродействие и точность.

5. В использовании разработанного стендового оборудования в образовательном процессе ДГТУ, что способствует приобретению устойчивых навыков и умений специалистами, магистрами и аспирантами.

6. В разработке и реализации программной поддержки в среде MathLab и Ms Excel методики автоматизированного расчета пневмопривода установочных движений с двухдвигательной изменяемой структурой, позволяющей оценить поведение реальной динамической системы приводов на этапе проектирования при меньших затратах времени и средств.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на международных и Российских научно-технических конференциях (III Международная научно-практическая конференция «Состояния и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроении». 2010 г., IX Международная научно-техническая конференция «Инновации, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства», 2010 г., XIV Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, МЭИ, 2010.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, четыре из них в издании, рекомендованном ВАК РФ.

1. Обзорная часть

1.1. Параметрические и структурно-параметрические способы регулирования скорости привода.

В современном машиностроении основная доля оборудования представляет собой роботизированные комплексы, агрегатные станки, автоматические линии, манипуляторы и т.д., т.е. оборудование рабочий цикл, которого осуществляется в соответствии заданной циклограмме работы.

Часто для выполнения заданного цикла работы используется параметрическое регулирование скорости привода.

Для достижения заданной траектории движения, в схемах со структурным регулированием (Рис.1. 1. параметрическая схема управления) используют автоматические, программируемые и сложные вычислительные комплексы обработки сигналов. Для оборудования выполняющего сложные технологические операции (переходы от одного размера к другому на одной и той же детали, а так же для выполнения различных технологических операций за один рабочий цикл), применение сложных вычислительных комплексов можно условно считать, оправданным. Однако, даже при сложных операционных переходах, подобные комплексы требуют постоянной обработки, анализа и хранения полученных сигналов. Это повышает стоимость самого обрабатывающего комплекса, а так же стоимость его обслуживания и эксплуатации. В условиях жесткой конкуренции в производстве станочных комплексов, агрегатных станков и т.д., стоимость является одним из решающих факторов при выборе производителей оборудования.

Рабочий цикл однодвигательной системы (Рис. 1.2) состоит из разгона, последующего торможения для осуществления позиционирования и достижения скорости рабочей подачи, рабочей подачи, торможения в конце рабочего цикла и возврат в исходное положение (разгон и торможение на обратном ходе).

Рис.1.1 Параметрическое регулирование привода

ИП- исполнительный привод, УУ - узел управления, Д - двигатель, ПМ — Подающий механизм, ЦМ - целевой механизм, ЗД - задатчик движения, Дч - датчик, БИ - блок хранения информации, Ьу, Уу - длина и скорость установочного движения, Ьр, Ур - длина и скорость рабочего хода

В приводах с параметрическим регулированием торможения и позиционирования на участках В-С и Б-Е (Рис. 1.2) достигается изменением внутренних параметров привода, т.е. изменение характеристик насосных установок, изменение параметров потока в магистралях (например при уменьшении сечения канала для прохода рабочей жидкости, т.е дроссельное регулирование), изменение площади поршня в полостях цилиндра, изменение гидросхемы (т.е переключение распределителя).

В своих работах Левитский Н.И. и Цуханова Е.А. [54] привели

классификацию способов регулирования скорости, разделив их на 6 групп,

14

эти способы относятся к параметрическим способам. V (м/с),

В

Рис. 1.2. Рабочий цикл при параметрическом управлении приводом.

Ьр - участок разгона, Ьт - участок торможения, Ьрх - участок рабочего хода, Ьп - участок позиционирования целевого механизма, Ьв - участок возврата ЦМ, Ьтв — участок торможения

1 группа. Все способы торможения, при которых торможение происходит вследствие изменения параметров потока жидкости на входе в систему, т.е. изменение характеристик насоса.

Данная группа имеет существенные недостатки.

Этим способом невозмож