автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Развитие теоретических основ моделирования и расчета динамики пневматических систем и их применение для проектирования механизмов и машин текстильной и легкой промышленности



1> - "'" а 7/7, Ц ;п1р а'вах .р у к о п и с и

'Сс;

ДОНСКОЙ Анатолий Сергеевич

РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И'Р АСЧЁТА Д И НАМ И КЙ П11ЕВМАТИЧЕСШХСЙСТЕМ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальности 05.02.13 - Машины и агрегаты легкой промышленности 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор МАТЮШЕВ И.И.

доктор технических наук, профессор ЕЛИМЕЛЕХ И.М.

доктор технических наук, профессор ЧЕРНЕЦКИЙ В.И.

Ведущее предприятие: Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики.

Защита состоится 9 июня 1998 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 063.67.02 в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна, ауд. 241.

Адрес: 191186, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 063.67.02^ доктор технических наук, профессор

"¿-Л.Н.НИКИТИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Пневматические силовые системы и системы управления (ПСУ) широко применяются в машинах и механизмах в текстильной и легкой промышленности (МТЛП), что объясняется, во-первых, возможностью использовать воздух как бесконтактный инструмент в технологических операциях и в операциях контроля и измерения, а, во-вторых - высокой надежностью пневмосистем (ПС), низкой стоимостью, простотой эксплуатации, пожаро-взрывобезопасностью. В сочетании с современными электронными системами управления с помощью ПС можно значительно проще и эффективнее решить многие задачи, которые решались ранее другими средствами. Однако низкое быстродействие ПС и сложность реализации заданных законов движения с помощью пневматических приводов во многих случаях ставит под сомнение возможность их применения. Поэтому важно уже на этапе проектирования решить вопрос о принципиальной возможности и эффективности использования ПС. Однако известные инженерные методы расчета ПС ориентированы на решение определенного круга задач и поэтому в ряде случаев не позволяют получить достоверные результаты.

Объясняется это тем, что динамика элементов ПС определяется совокупностью одновременно протекающих различных процессов - изменением массы газа при наполнении и опустошении занимаемого объема; разгоном или торможением всей массы газа; процессами, обусловленными упругими свойствами газа и приводящими к появлению волновых процессов. На практике применяются упрощенные математические модели элементов ПС на базе обыкновенных дифференциальных уравнений (ДУ), которые учитывают лишь один из указанных процессов. Поэтому они эффективны для решения определенного типа задач. Однако среди МТЛП существует целый класс ПС, где такие модели не позволяют получить достоверные результаты, поскольку требуется рассматривать одновременно в общем случае все описанные явления.

Во-первых, - это ПС, качество работы которых существенно зависит от динамических характеристик коммуникационных линий:

- ПС контроля и измерения: контроль состояния нити (контроль обрыва, натяжения, перемещения, наличия узелков), контроль положения кромки материалов, контроль положения и измерение координат рабочих органов машин и т.п.;

- ПСУ быстродействующими процессами (швейные полуавтоматы, промышленные роботы);

- малогабаритные ПП (швейные полуавтоматы, ПР, комплекс для съема и укладки ЧНИ);

- оборудование на базе пневматических моторов (автоматы для оверловки ковров, для фрезерования обуви и т.п.).

Во-вторых, - это ПС с позиционными и следящими ПП с релейным управлением на базе пневмоцилиндров, в полостях которых резонансные явления газа могут привести к нарушению функционирования МТЛП (раскройные комплексы; вышивальные автоматы, автоматы для контурной обработки обуви - взъерошивание, покрытие лаком, окраска и т.п.).

Расчет таких ПС с учетом взаимодействия всех указанных процессов не может быть выполнен без применения сложного математического аппарата газовой динамики на базе дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП). Однако численное интегрирование таких уравнений представляет собой серьезную научную задачу и требует специальных навыков для ее решения. Поэтому такие модели для практических расчетов не применяются.

Отсутствие простых эффективных методов расчета указанных ПС во. многих случаях не позволяет разработчикам получать оптимальные решения или же вынуждает неоправданно отказываться от их применения. Поэтому весьма актуальной является задача разработки нового прикладного метода моделирования и расчета таких ПС на базе обыкновенных дифференциальных уравнений, эквивалентных ДУЧП с точки зрения описания процессов на концах объектов, которые бы учитывали все основные газодинамические процессы, включая волновые, приводящие к появлению ударных волн. При этом, важно создание единых математических моделей для разных элементов пневматических систем с охватом всего диапазона изменения их параметров.

Создание новых и совершенствование существующих механизмов и машин на основе пневмоприводов со сложными законами движения (автоматы для съема и перекладки чулочно-носочных изделий, промышленные роботы) требует разработки новых методов их синтеза, так как многократное численное моделирование их на ЭВМ с расчетом всех возможных вариантов делают задачу синтеза практически неразрешимой.

Цель работы. Работа направлена на совершенствование существующих и создание новых, высокофункциональных пневматических систем для машин текстильной и легкой промышленности, что требует

создания новых, универсальных научных методов моделирования и расчета их динамики, характеризующихся высокой достоверностью при расчетах любых типов устройств.

Задачи исследования включают.

1. Анализ содержания пневматических систем МТЛП и их систематизация с целью выделения базовых пневматических элементов постоянного и переменного объема, общих с точки зрения создания унифицированного математического аппарата;

2. Разработку общей прикладной теории расчета динамики пневматических систем, в частности:

- разработку метода аналитического решения ДУЧП гиперболического типа, описывающих газодинамические процессы в пневматических объектах с распределенными параметрами, для всех типов линий и любого закона изменения давления питания в виде конечной аналитической зависимости с выходом на базовые положения, которые позволят описывать процессы обыкновенными дифференциальными уравнениями;

-разработку математической модели базового элемента типа линий связи (ЛС) как объекта с распределенными параметрами, но описываемой с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений и в то же время эквивалентной модели в частных производных с точки зрения описания волновых процессов изменения давлений и расходов на концах линии;

-разработку математической модели базового элемента типа пневматических исполнительных механизмов (ПИМ) с учетом совокупности всех основных физических и газодинамических процессов, включая волновые процессы на концах рабочих полостей, с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений.

3. Адаптацию разработанных моделей и методов расчета применительно к повышению быстродействия и качества функционирования МТЛП, в частности:

- к расчету пневматических приводов для раскройного автомата и автомата для взъерошивания обуви,

- к расчету автомата для съема и укладки чулочно-носочных изделий,

- к выбору параметров пневматических систем управления (пневматического автомата для испытаний изделий из неггканых материалов на герметичность, пневматического сбалансированного манипу-

лятора для перекладки рулонов материала, пневматического окрасочного робота и др.).

4. Экспериментальное обоснование разработанной теории с учетом опытных данных, полученных различными независимыми исследователями в разных странах.

Научная новизна работы.

Разработана общая прикладная теория расчета динамических характеристик пневмосистем МТЛП, позволяющая в отличие от известных инженерных методов решать более широкий круг задач при расчетах применяющихся и перспективных пневмосистем для текстильной и легкой промышленности.

Основу теории составляют:

- метод расчета ЛС и рабочих полостей ПИМ как объектов с распределенными параметрами - метод аналитического решения уравнений в частных производных гиперболического типа, позволивший получить единое решение для различных граничных условий в виде конечной аналитической зависимости и тем самым расширить рамки применения известной модели ЛС в частных производных;

- метод математического моделирования динамики ЛС с помощью системы обыкновенных дифференциальных уравнений и в то же время учитывающих влияние распределенных по длине линии процессов, позволивший получить универсальную математическую модель линии в том смысле, что известные модели определенных типов линий входят в нее как частные случаи; для ламинарного течения газа разработанная модель ЛС позволяет получить аналитические решения.

На основе новых методов моделирования разработаны методики, позволяющие за счет более полного учета газодинамических явлений в ПС повысить эффективность теоретического исследования различных МТЛП при проектировании, выбрать оптимальные конструктивно-настроечные параметры ПС и устранить неблагоприятные режимы их работы:

- методика расчета динамики ПИМ машин с контурной отработкой траектории (ПИМ раскройной установки, ПИМ автомата для контурной обработки обуви и т.п.) с учетом совокупности всех основных процессов в рабочих полостях, включая учет ударных волн давления;

- методика расчета параметров линий связи ПС МТЛП, при которых обеспечивается их максимальное быстродействие (ПСУ окрасочным роботом, ПСУ автомата для испытаний изделий из нетканых материалов на герметичность);

-методика моделирования ПИМ на основе линейных дифференциальных уравнений (ПИМ автомата для съема и укладки чулочно-носочных изделий, ПИМ окрасочного робота);

- методика синтеза ПИМ со сложным законом движения (ПИМ автомата для съема и укладки чулочно-носочных изделий, ПИМ окрасочного робота).

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Применение разработанных методов позволило:

- упростить сложный математический аппарат газовой динамики и сделать его более доступным для широкого практического использования;

- сократить в тысячи раз время расчета процессов в ПС;

- значительно расширить круг решаемых на этапе проектирования задач, которые ранее могли быть решены только путем экспериментальных исследований;

- повысить качество проектируемых МТЛГ1 за счет более полного учета динамики их ПС.

Исследования, проведенные в рамках данной работы, выполнены в соответствии с "Целевой комплексной программой развития народного хозяйства г. Ленинграда и Ленинградской области на основе автоматизации с широким использованием вычислительной техники на 1984-1985 годы идо 1990 года ("Интенсификация-90") по предприятиям Минлегпищемаша РСФСР", использованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ по теме "Лен-Тек21" "Разработка алгоритмов и программ для автоматизированного расчета элементов пневмосистем машин текстильной и легкой промышленности" и теме "Разработка научных основ ГПС, САПР, ИПК на предприятиях текстильной и легкой промышленности в условиях интенсификации производства".

Разработанные методики использованы:

- при проектировании пневматического автомата для цикловых испытаний на герметичность прорезиненных тканей и нетканых материалов и изделий из них, внедренного на предприятии "Лингварис";

- при разработке и изготовлении комплекса на базе отделочной машины ЧНО-86 для съема и укладки чулочно-носочных изделий для ЛПТО "Красное знамя", экспериментальный образец которого испытан на кафедре «Автоматизации производственных процессов» СПГУТД;

- при проектировании пневматического манипулятора ПУМ-Э с программным управлением для РТК литья низа обуви и отдельных де-

талей из полиуретана, опытные образцы которого изготовлены на харьковском заводе специального технологического оборудования;

- при проектировании пневматического сбалансированного манипулятора с пневматическим управлением, внедренного на АОЗТ "Полюстрово", и разработке конструкции пневматического сбалансированного манипулятора для ПО "Светлана", предназначенных для перекладки тяжелых грузов типа текстильных навоев.

- при разработке пневмомотора манипулятора для контурной обработки обуви для Специального конструкторского бюро кожевенно-обувньгх машин, экспериментальный образец которого испытан на кафедре «Автоматизации производственных процессов» СПГУТД;

- при проектировании пневматического робота со струйной системой управления для нанесения лакокрасочных покрытий для объединения "Ладога", при разработке которого учитывались потребности текстильной и легкой промышленности, экспериментальный образец кото-рого.испытан на кафедре «Станки и инструменты» ЛТА;

- при разработке Государственного стандарта СССР "Роботы промышленные. Пневмодвигатели исполнительных устройств. Типы, основные параметры и присоединительные размеры", ГОСТ 26059-85;

- в учебном процессе по курсу "Автоматизация производственных процессов", для которого выпущены два учебных пособия.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на следующих семинарах, конференциях и съездах: Ш Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Воронеж, 1984 г.); XI Всесоюзном совещании "Пневмоавтоматика" (Львов, 1985 г); Всесоюзном совещании "Пневмогидроавтоматика и пневмопривод" (Суздаль, 1988 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Робототехнические системы в текстильной и легкой промышленности" (Ленинград,

1984 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Унификация и стандартизация промышленных роботов" (Ташкент, 1984 г.); Всесоюзной конференции "Резервы интенсификации производства (замена ручного труда на базе промышленных роботов)" (Севастополь, 1984 г.); Всесоюзной конференции "Резервы интенсификации производства (замена ручного труда на базе промышленных роботов)" (Севастополь,

1985 г.); Всесоюзной конференции "Внедрение прогрессивной технологии механосборочного производства в приборостроении" (Севастополь,

1986 г.); Всесоюзной конференции "Проблемы и опыт применения САПР" (Свердловск, 1987 г.); Всесоюзной конференции "Повышение технико-экономической эффективности проектирования и эксплуата-

ции автоматизированного сборочного оборудования" (Севастополь, 1990 г.); научно-технических краткосрочных семинарах "Промышленные роботы и их применение" в ЛДНТП (Ленинград, 1984 - 85 гг.); научно-техническом краткосрочном семинаре "Робототехника в системах автоматизации производства при выполнении задач территориально-отраслевой программы "Интенсификация-90" (Ленинград, 1984 г.); научно-практической конференции "Проблемы и опыт применения систем автоматизированного проектирования" (Свердловск,

1986 г.); научно-техническом семинаре "Состояние, опыт и направления работ по комплексной автоматизации на основе ГАП, РТК и ПР (Пенза,

1987 г.); научно-технической конференции "Вклад ленинградского института текстильной и легкой промышленности в развитие отрасли" (Ленинград, 1990 г.); Г1 международной конференции "Математика, компьютеры, образование" (Пущино, 1995 г.); конференции с международным участием "Математические методы распознавания образов" (Пущино, 1995 г.); 111 международной конференции "Математика, компьютеры, образование" (Дубна, 1996 г.); международной научно-технической конференции "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве" (Иваново, 1996 г.), 8-й Всероссийской конференции "Математические методы распознавания образов" (Москва, 1997 г.), международной научно-технической конференции «Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций, в текстильном производстве» (Иваново, 1997 г.) -

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 51 печатной работе, в том числе в двух книгах (в соавторстве) и одной монографии. По теме диссертации получено 4 авторских свидетельства, разработан Государственный стандарт СССР (в соавторстве).

Структура п объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, выводов по работе, списка литературы, приложения. Объем диссертации составляет 452 е., в том числе 340 с. машинописного текста, 101 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований и практическая ценность работы.

В первом разделе рассмотрены проблемы моделирования газодинамических процессов в пневматических системах.

Важное место в системах автоматизации технологических процессов в текстильной и легкой промышленности (TJ11I) занимают пневматические системы, применение которых наиболее эффективно в по-жаро-взрывоопасных и запыленных зонах (красильно-отделочное, прядильное производство), при работе с агрессивными средами (кожевенное производство), в условиях высоких температур (обувное производство (литье)).

Приводится краткий перечень примеров пневматических систем, используемых в различных производствах ТЛП: в прядильном производстве - мотальный автомат АМК-150, прядильная машина AUTOSUK, пневмопрядильные машины БД-200, СТС; в трикотажном производстве - вязальные автоматы; в текстильном производстве -пневматические ткацкие станки Jettis 190, P155ZA; в красильно-отделочном производстве - автоматы для нанесения рисунка или ворса, агрегаты для отварки, отбелки и крашения хлопчатобумажной пряжи в бобинах, шлихтовальные машины; в чулочно-носочном производстве -манипуляторы для съема чулочно-носочных изделий, машины для термической стабилизации чулочных изделий из капрона; в швейном производстве - швейные полуавтоматы 820-1 - 820-5 кл., 904 кл., СОС-5-М, полуавтоматы для обметывания срезов половинок брюк разработки 1ДНИИШП, агрегатированные рабочие места для окантовывания под-бортов мужского пальто разработки ЦНИИШП, зарубежные полуавтоматы типа UAN-1611 кл. фирмы "Некки" (Италия), автоматические манипуляторы для укладывания в пачку мелких деталей типа ST-10 фирмы "Адлер" (ФРГ), автоматические манипуляторы для поштучного отделения деталей от пачки и подачи их к оборудованию (США), пневматические гладильные прессы; в обувном производстве - автомат DESMA для изготовления обуви литьевым методом, вырубочные прессы; в ковровом производстве - автоматические стригальные машины.

Большой вклад в развитие теории расчета и проектирования пневматических систем внесли работы И.И. Артоболевского, Б.Н. Бежанова, Е.В. Герц, В.Г. Градецкого, Г.В. Гогричиани, В.Н. Дмитриева, И.М. Елимелеха, Л.А. Залманзона, В.А. Королева, Г.В. Крейнина, Б.М. Подчуфарова, А.Г. Холзунова, И.А. Чарного и других ученых.

Развитию теории расчета пневматических систем МТЛП посвящены работы В.И. Погорелова. Вопросы расчета и проектирования

пневматических систем МТЛП отражены в трудах A.A. Ганулича, В.И. Дрожжина, В.Г. Лещенко, Я.В. Мильмана, Г.А. Пискорского и других авторов.

Рассмотрены наиболее характерные пневматические системы МТЛП, особенности их расчета и связанные с этим актуальные задачи создания расчетных методик пневматических элементов и систем.

Рассмотрены особенности расчета перспективных разработок. Возможности ПС далеко не исчерпаны. Сочетание простых пневмоприводов (ПП) и современных вычислительных средств позволило решить многие проблемы, которые решались ранее с использованием дорогостоящих гидравлических и электрических приводов, но значительно эффективнее и проще. Так, современный позиционный пневмопривод обеспечивает точность позиционирования 0,1 мм, а стоимость его в 2-3 раза меньше гидро- и электроприводов. Поэтому перспективно применение ПС МТЛП на базе следящих и позиционных ПП в раскройных комплексах, вышивальных автоматах, в автоматах для контурной обработки обуви (взъерошивание, фрезерование, окрашивание, чистка), для оверловки ковров и т.п..

Быстродействие ПС определяет во многом качество работы МТЛП: точность, производительность, надежность. Высокие динамические характеристики ПС обеспечиваются, благодаря выбору оптимальных диаметров линии и применению быстродействующей пневмоаппа-ратуры. Правильный выбор диаметров кроме того позволяет снизить энергозатраты, скрыть коммуникационные линии и сделать конструкцию машины эстетически привлекательной. Частота срабатывания современных быстродействующих пневмоклапанов значительно превышает резонансную частоту рабочих полостей ПП. Это, в свою очередь, требует учета колебаний газа в полостях при динамических расчетах следящих и позиционных ПП. Известные инженерные методы не учитывают колебания газа в полостях и не позволяют вычислить оптимальные значения диаметров линий, поэтому для расчета таких ПП принципиально не подходят.

Многие проблемы, связанные с указанными особенностями ПС, могут быть решены на этапе моделирования. В связи с этим целесообразно обеспечить общий подход к расчету разных элементов и учет всех происходящих в них процессов для достижения прогностичности расчетных методик. Для этого необходимо выделить базовые (типовые) элементы, то есть элементы, общие по выполняемым функциям, и тем самым унифицировать математические модели разных элементов.

На основе анализа используемых в МТЛП пневмосистем выявлены два базовых пневматических элемента - постоянного и переменного объема.

Базовым элементом постоянного объема является линия связи . (ЛС), которая в зависимости от сочетания ее конструктивных параметров представляет собой трубопровод, камеру, канал в конструкциях пневматических устройств. В качестве базового элемента переменного объема рассматривается пневматический исполнительный механизм (ПИМ), используемый как в силовых приводах, так и в элементах систем управления (в различного типа клапанах, датчиках).

Рассмотрено состояние теории и расчета пневматических элементов постоянного объема. Переходный процесс в ЛС представляет собой совокупность сложных газодинамических явлений и определяется в основном следующими физическими процессами: процессом разгона всей массы рабочей среды внутри линии; процессом изменения количества рабочей среды при наполнении и опустошении линии; процессом, обусловленным упругими свойствами рабочей среды, приводящим в переходных режимах к появлению волновых процессов изменения давления, плотности и расхода газа и связанных с ними "гидравлических" ударов. В зависимости от сочетания параметров ЛС и пневмоаппаратуры на ее входе и выходе преобладает тот или иной процесс.

Для расчета динамики ЛС в инженерной практике используются различные, не связанные между собой, математические модели. Выполнен сравнительный анализ известных математических моделей ЛС. Показано, что математические модели, представляющие собой систему ДУЧП, часто являются достаточно сложными для инженерных расчетов. Упрощенные модели ЛС имеют весьма ограниченную область применения. Причем, в литературе отсутствуют рекомендации, в каких случаях могут быть использованы эти модели.

Материал анализа литературы по ЛС подтвердил актуальность развития методов расчета ЛС.

Рассмотрено современное состояние теории и расчета ПИМ. Выполнен анализ известных методов моделирования динамики ПИМ.

Все ПС МТЛП по типу используемых ПИМ можно разделить на 2 класса:

1 класс - ПС с мощными ПИМ. ПИМ таких ПС разделяются на 2 подкласса.

1 подкласс - простые ПИМ, в которых динамика ЛС и волновые процессы в полостях практически не влияет на работу ПИМ, поэтому

для их расчета используются известные классические методы расчета (гладильные прессы, вырубочные прессы, сушильные и красильные агрегаты и др.).

2 подкласс - сложные ПИМ, в которых важно учитывать совокупность всех процессов в полостях, приводящих к появлению ударных волн давления и колебаний исполнительных органов с большими инерционными нагрузками и для которых инженерные методы расчета отсутствуют, поскольку моделирование процессов в таких ПИМ возможно только с помощью сложных для исследования систем ДУЧП (такие проблемы возникают при проектировании МТЛП на базе следящих и позиционных ПП - в раскройных комплексах, вышивальных автоматах, в автоматах для обработки подошв обуви, для обработки по контуру колодки и т.п.).

2 класс - ПС с малообъемными ПИМ. В таких ПИМ объем ЛС соизмерим с объемами полостей ПИМ, в результате линия оказывает существенное влияние на динамику ПИМ (швейные полуавтоматы, мотальные автоматы; системы контроля состояния нити, положения деталей, рабочих органов; ПСУ всеми агрегатами и т.п.). Для расчета таких ПС требуется учет динамики взаимосвязанных объектов (линии и ПИМ) также с использованием системы ДУЧП. Инженерных методов расчета таких ПС в настоящее время не существует.

Отсутствие методов расчета указанных ПИМ требует изготовления экспериментальных образцов устройств с последующей доводкой по результатам испытаний.

Таким образом, актуальной задачей является разработка конструктивных методов учета всех физических процессов в ПИМ, в том числе и волновых, на основе обыкновенных дифференциальных уравнений. Эта задача актуальна, во-первых, для определения области применения классических моделей на базе обыкновенных дифференциальных уравнений, а, во-вторых, - для расчета ПИМ, в которых необходимо учитывать совокупность всех физических процессов, приводящих к появлению ударных волн.

Применение ПИМ со сложными законами движения требует совершенствования методов их синтеза. Так, например, при проектировании ПИМ съемного устройства комплекса для съема и укладки чулочно-носочных изделий необходимо обеспечить разные законы изменения скорости на разных участках пути. Синтез таких устройств может быть выполнен в результате использования метода задания формы решения и

метода последовательной минимизации невязок, описание которых приводится в разделе 6.

Второй раздел посвящен разработке методики аналитического решения дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих газодинамические процессы в пневматических элементах постоянного объема типа ЛС.

Для того, чтобы при моделировании процессов на концах ЛС уйти от ДУЧП, необходимо описать интегральное влияние распределенных по длине процессов на изменение давлений и расходов на концах ЛС. Но для этого требуется получить решения ДУЧП для всех типов линий как при постоянном, так и при переменном давлении питания. Использование системы ДУЧП для пневмосистем высокого давления с турбулентным течением газа делает поставленную задачу практически неразрешимой. Задачу можно существенно упростить, получив решения более простой системы ДУЧП для систем низкого давления, имея в виду, что закономерности протекания процессов в обеих случаях имеют качественно одинаковый характер. При этом целесообразно получить аналитические решения. Однако, для решения рассматриваемой ниже системы ДУЧП требуется разработать метод ее решения для всех, ранее не исследуемых, типов ЛС.

Для исследований была выбрана известная математическая модель, описывающая процессы в ЛС с ламинарным течением газа:

дР Ъпё( ч ¿>{ро) л

д(ри) дх /А ' Р

- = дг, р

(1)

где /- площадь поперечного сечения линии; с -скорость звука в газе; Р, р и и - текущие значения давления, плотности и скорости газа в линии; К - газовая постоянная; Г- температура газа; & - коэффициент кинематической вязкости газа.

В литературе известны аналитические решения этой системы лишь для линий с открытым (незадросселированным) входом. Однако на входе любой линии практически всегда имеется сопротивление (пневмоклапан, штуцер и т.п.). Поэтому область применения таких ре-

шений весьма ограничена. При этом известные решения представляют собой сумму членов бесконечного ряда. Причем, в зависимости от соотношения параметров ЛС получаются три различных решения. На практике необходимо принимать во внимание конечное число слагаемых этого ряда. Однако неизвестно, какое число слагаемых даст заданную точность. Кроме того, все известные решения получены для случаев, когда на вход подается постоянное давление. В литературе отсутствуют решения системы для более общего случая, когда на входе линии имеется сопротивление, а давление питания является переменным.

Для некоторых частных случаев известны методы решения уравнений типа (1) с помощью рекуррентных соотношений, в которых для вычисления функции при заданном значении аргумента требуется выполнить серию последовательных взаимосвязанных расчетов для предыдущих значений аргумента.

Разработанный автором метод позволил получить аналитическое решение системы (1) в виде конечной зависимости, которое являт-ся единым для всех типов линий при любом законе изменения давления питания на входе. Суть метода заключается в выявлении закономерностей изменения давления и расхода во времени по всей длине линии при прохождении прямых и отраженных волн давления и расхода. Точное решение системы (1) в работе получено для нулевых начальных условий при постоянном давлении газа на выходе для случаев, когда потерями давления по длине линии можно пренебречь.

Для всех типов ЛС и для любого закона изменения давления на входе в линию Р вх (I) получено следующее единое аналитическое решение:

х х 21

Р(их) = НО—) I Р0(1——¡)а' +

С с с

с

(2)

где

а-

(К-С1)(К-С2) _ (К+с1)(К+с2)'

Е - функция, определяющая целую часть от аргумента; Н - функция Хе-висайда; £ - длина линии; С( и с2 - коэффициенты расходных характеристик дросселей на входе и выходе линии в уравнениях расходов

о,=с,[Ржо-то) и с2=с2[р(и)-рвш].

При подаче на вход линии постоянного давления решение (2) упрощается и имеет вид:

(С!+С2)

1 К+С2 А217гТ ^Л^-] 2К 2К

(3)

Результаты расчетов по уравнению (3) полностью совпадают с известными решениями, полученными методом операционного исчисления для линий с открытым входом при учете большого числа слагаемых бесконечного ряда (более 500).

Разработана методика расчета переходных процессов в ЛС с учетом трения газа внутри линии. Показана адекватность полученных в работе решений с учетом трения известным в литературе решениям системы (1) для частных случаев, а также реальным процессам при предельных значениях параметров линии.

На основании анализа полученных решений установлены закономерности изменения параметров газа в ЛС, которые подтвердили возможность перехода к описанию динамики ЛС в сосредоточенных параметрах.

В третьем разделе рассмотрены вопросы разработки математической модели базового элемента типа ЛС как объекта с распределенными параметрами, но описываемой с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений и в то же время эквивалентной модели в частных производных с точки зрения описания волновых процессов изменения давлений и расходов на концах линии.

В основу моделирования легло следующее представление физической картины движения газа внутри линии. Рассматривается не сами, распределенные по длине линии, явления, а учитывается лишь их проявление в виде изменения параметров газа на концах ЛС, а также изменение средней по длине линии скорости газа. Газ в линии движется как единая переменная масса с некоторой средней по длине линии скоростью. При этом, скорости газа у входа и выхода внутри линии отличаются от средней скорости газа. За счет разности скоростей газа на входе и выходе по отношению к средней скорости происходит его сжатие иди

расширение на концах линии, что проявляется в изменении давления и плотности. Изменение плотности и давлений приводит к изменению расхода на концах линии, который определяется с учетом граничных условий.

В основу создания модели легла следующая гипотеза, сформированная на основе анализа известных положений газовой динамики: скорости изменения давлений на концах линии прямо пропорциональны разности между средним, распределенным по длине линии, расходом газа и соответствующими расходами на концах линии и обратно пропорциональны объему линии. Принятая гипотеза позволила перейти к моделированию процессов на концах Л С с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений. Корректность гипотезы доказана результатами теоретических и экспериментальных исследований. В результате получена следующая система дифференциальных уравнений, которая описывает взаимосвязь протекающих одновременно основных газодинамических процессов: процессов наполнения и опустошения линии, процессов разгона и торможения газа и проявление волновых процессов:

с1и „ „ *„ „ ,

Л

Р2-

2>

1<Ис, tt.ll с,

с1т

вых»

<11 с1Р2 Л

2 ИТ т

2ЯТ т , I тиг .

(4)

где О нх и О юх - расходы через дроссели в начале и на конце линии (определяются в зависимости от характера течения газа по известным зависимостям); т - масса газа внутри Л С; Р, и Р2 - давления в начале (после дросселя) и в конце (перед дросселем) линии; Р ю - начальное

давление в конце линии; РТ!> - потери давления на трение в ЛС; Я - газовая постоянная, Т- температура газа; Л — коэффициент трения газа в ЛС; и - средняя по длине скорость движения газа в ЛС.

Для ламинарного и турбулентного течения газа из общей модели (4) получены свои системы дифференциальных уравнений.

Для случаев ламинарного течения газа выполнено свертывание системы дифференциальных уравнений, в результате чего получено линейное дифференциальное уравнение третьего порядка относительно давления газа на конце ЛС в явном виде.

Показано, что при ламинарном течении газа возможно дальнейшее упрощение описания процессов на выходе из ЛС, что позволило описать изменение давления на конце ЛС линейным дифференциальным уравнением второго порядка.

Все разработанные модели является универсальными и могут быть использованы для расчета любых типов ЛС (трубопроводов, каналов в конструкциях пневматических устройств, камер и т.п.).

Дано теоретическое обоснование корректности разработанных моделей.

Математически доказано, что известные модели, описывающие ЛС и пневматические камеры обыкновенными дифференциальными уравнениями, являются частным случаем полученной модели.

Показана адекватность разработанных моделей реальным процессам при предельных значениях конструктивных параметров ЛС и параметров газа.

Показано, что результаты расчетов по разработанным моделям соответствуют решению уравнений на базе ДУЧП.

На рис. 1 показаны графики изменения давления на конце линии, построенные по результатам ^ решения системы ДУЧП по формуле (3) (кривая 1) и в результате решения системы (4) _

(кривая 2). Приведенные гра-__г

фики иллюстрируют возмож- | ность модели (4) учитывать РА _

волновые процессы в линии - А____I_

задержку пневматического —>»| т ч Т_

сигнала, величину фронта головной волны Рф и колебания Рис.1

Р2

Рис.1

давления газа с периодом Т как результат взаимодействия прямых и отраженных волн. Графики построены для наиболее жестких условий -для ЛС с незадросселированным входом при скачкообразном изменении давления питания на входе. В реальных пневматических системах давление на входе изменяется за конечное время, а на входе линии всегда имеется сопротивление. Поэтому в этих случаях результаты расчетов по обеим моделям практически совпадают.

В четвертом разделе рассмотрены вопросы повышения быстродействия и качества работы механизмов и машин на базе ПС.

Одной из важных задач проектирования пневматических систем многих МТЛП является выбор диаметров линий, при которых обеспечивается максимальное быстродействие пневмосистемы. Эта задача наиболее актуальна при автоматизации процессов контроля и измерения (в операциях контроля обрыва, натяжения и перемещения нити, наличия узелков, контроля положения кромки материалов, положения рабочих органов машин и т.п.; ); при разработках ПСУ для управления быстродействующими процессами (в швейных полуавтоматах различных классов), при проектировании приводных устройств на базе пневматических моторов, позиционных и следящих пневмоприводов.

С увеличением диаметра ЛС возрастает и заполняемый объем линий, что затягивает переходный процесс. Но с другой стороны при увеличении диаметра ЛС уменьшается ее сопротивление, поэтому переходный процесс будет проходить более интенсивно. Следовательно, существует оптимальное значение диаметра линии, при котором переходный процесс проходит за минимальное время.

На основе разработанной методологии укрупненно-обобщенного описания газодинамических процессов в линии с учетом совокупности происходящих в ней процессов выведены формулы для аналитического расчета диаметров ЛС, при которых обеспечивается минимальное время переходного процесса на конце линии. Вывод формул основан на том положении, что, несмотря на' распределенность параметров газа по длине линии, изменение давлений на концах линий происходит по законам, которые свойственны системам в сосредоточенных параметрах. При этом, существует закономерность изменения давлений в зависимости от средней скорости газа в линии. Поэтому изменение давлений на концах ЛС выражается через динамику изменения средней по длине линии скорости газа.

Аналитические зависимости для выбора диаметров пневматических линий получены для различных режимов течения газа - ламинарного и турбулентного.

Выполнен анализ полученных зависимостей. Показана правомерность использования полученных зависимостей для расчета параметров линий с любыми значениями геометрических параметров. Иллюстрируются практические совпадения результатов расчетов но разработанной методике с опытными данными.

Пятый раздел посвящен вопросам моделирования газодинамических процессов в пневматических исполнительных механизмах (ПИМ).

В классической теории ПИМ изменение давлений в полостях описывается без учета в них волновых процессов. При расчетах по таким моделям давление в полости нагнетания не может быть больше давления питания. Однако, как известно, при определенных условиях в переходных режимах в результате проявления в полостях ПИМ волновых процессов давление на поршень может значительно превышать давление магистрали. Известные в литературе математические модели, учитывающие волновые явления, основаны на решении сложной системы ДУЧП численными методами и являются достаточно сложными для практических расчетов. Задача моделирования динамики ПИМ в диссертации распадается на две части: моделирование динамики на основе классических подходов, в которых не учитывались волновые явления в полостях двигателей, и моделирование динамики ПИМ с учетом совокупности всех процессов, включая волновые. В обоих случаях динамика процессов описывалась дифференциальными уравнениями в обыкновенных производных.

На основе результатов исследования волновых процессов в полостях ПИМ дано обоснование возможности использовать классический подход и пределы его применимости для расчета ПИМ.

Обоснована необходимость учета волновых явлений в определенных типах ПИМ.

С учегом классических уравнений дается вывод уравнений динамики ПИМ в удобной для дальнейших преобразований форме, что позволило, во-первых, избавиться от итерационных методов при расчетах ПИМ; во-вторых, объединить разветвленные счетные процессы для разных параметров в единую расчетную схему. Кроме того, полученная форма уравнений позволила получить аналитические решения для частных случаев расчета ПИМ.

Получены аналитические выражения для расчета динамики усилий различных зажимных пневматических устройств (прессующие пневмоцилиндры (ПЦ) в прессах для влажно-тепловой обработки, ПЦ для обжима текстильных паковок при крашении, ПЦ прижатия отжимных валов при удалении влаги из обрабатываемых материалов, пневматический прижим вытяжных цилиндров в прядильных машинах для льна и др.).

В шестом разделе рассмотрены следующие прикладные задачи, решение которых оказалось возможным, благодаря использованию разработанных в работе методов расчета пневматических систем:

1) синтез ПИМ съемного устройства со сложным законом движения комплекса на базе отделочной машины ЧНО-86 для съема и укладки чулочно-носочных изделий;

2) расчет динамики малообъемных устройств пневмосистем

МТЛП;

3) исследование влияния на работу раскройной установки и автомата для контурной обработки обуви на базе следящих ПИМ резонансных явлений в полостях приводов.

1. Применение ПИМ со сложным законом движения требует совершенствования методов их синтеза. Решение задачи синтеза рассмотрено на примере синтеза ПИМ устройства для съема и укладки чулочно-носочных изделий комплекса на базе отделочной машины ЧНО-86.

ПИМ съемного устройства должен обеспечить съем изделия с одной скоростью, перенос в заданную позицию с другой скоростью. В конце хода скорость ПИМ должна быть снижена до величины, при которой обеспечивается безударная остановка исполнительного органа.

Задача может быть решена в результате варьирования пятью конструктивно-настроечными параметрами: диаметром поршня, эффективными проходными сечениями линий на входе и выходе ПИМ, давлениями настройки редукционных пневмоклапанов на входе и выходе ПИМ (противодавление).

Решение задачи синтеза путем численного интегрирования дифференциальных уравнений требует выполнения большой серии расчетов. Упрощение синтеза достигнуто в результате использования метода задания формы решения (ЗФР) совместно с методом последовательной минимизации невязок (ПМН). Совместное применение методов ЗФР и ПМН позволило алгоритмизировать задачу и сформировать критерий степени приближения к искомому решению.

Идея метода ЗФР заключается в задании формы решения системы дифференциальных уравнений в аналитической форме. В такой форме имеются адаптирующие параметры. Заданное решение подставляется в исходные дифференциальные уравнения, которые при конкретном значении времени становятся алгебраическими. Затем находятся такие значения адаптирующих параметров, при которых появившаяся разность между левыми и правыми частями уравнений (невязки) принимают минимальное значение.

При решении задач синтеза с использованием метода ЗФР варьируемыми являются конструктивные параметры ПИМ и параметры настройки пневмосхемы, которые входят в исходные дифференциальные уравнения, а все параметры в задаваемой форме решения в данном случае задаются из условий обеспечения требуемого закона движения в некотором диапазоне с учетом возможности получения решения.

Разработаны теоретические положения метода ЗФР применительно к синтезу ПИМ.

Дано теоретическое обоснование формам решения, которые представляют собой закон изменения скорости исполнительного органа и давлений в полостях пневмоцилиндра. ММ ПИМ представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений. Однако изменения как скорости движения исполнительного органа, так и давлений в каждой полости в типовых пневмоприводах по форме соответствует решению линейных дифференциальных уравнений третьего порядка. Дано объяснение линейному характеру ММ ПИМ. Исследования показали, что сумма сугубо нелинейных слагаемых в модели ПИМ проявляет свойства линейных слагаемых. Из всех решений применительно к задаче синтеза ПИМ принята наиболее характерная для типовых приводов форма решения, при которой обеспечиваются минимальные весо-габаритные показатели.

Получены аналитические зависимости между параметрами в форме решения, что позволило минимизировать число независимых параметров.

Адаптация форм решения к конкретной задаче в работе выполнена на основе метода ПМН.

Суть метода ПМН. В соответствии с числом исходных дифференциальных уравнений рассматриваются одновременно три невязки, полученные в результате использования метода ЗФР. Из всех невязок на каждом шаге выбирается максимальная. Путем прямого перебора на каждом шаге находится параметр, изменение которого уменьшает мак-

симальную невязку. Процесс минимизации осуществляется пошаговым изменением этого параметра до тех пор, пока максимальной не станет другая невязка. Решение заканчивается, когда невязки достигнут минимального значения.

В результате синтеза определены конструктивные параметры устройства и сочетания параметров пневмосхемы для каждого участка движения, которые обеспечивают заданный закон движения, разработана принципиальная пневматическая схема устройства.

Эффективность методики иллюстрируется графиками на рис.2, где показано изменение скорости исполнительного органа о и давлений Р, и Р2 в полостях ПИМ, соответствующие принятой форме решения, и фактический переходный процесс, который построен в результате численного интегрирования системы дифференциальных уравнений с учетом найденных конструктивно-настроечных параметров (кривые практически совпадают). Эффективность разработанной методики подтверждена результатами исследований экспериментального образца съемного устройства.

2. Одной из важных задач при расчетах ПС с малообъемными ПИМ является учет влияния динамики коммуникационных линий (швейные полуавтоматы, мотальные автоматы; системы контроля состояния нити, положения деталей, рабочих органов; ПСУ агрегатами и т.п.). Выполнен анализ известных методов расчета наиболее характерных взаимосвязанных элементов "ЛС-ПИМ" и "ЛС-камера" и метода моделирования, основанного на результатах работы автора. Показана эффективность использования разработанной методики. Приведены результаты расчетов ПИМ в пневмосистемах мотального автомата АМК-150, швейного полуавтомата 904 кл., механизма накопления комплекса для съема и укладки чулочно-носочных изделий, пневмомотора манипулятора для контурной обработки обуви и др. Показано, что применение известных инженерных методов в данных случаях не позволяют получить достоверный результат. Так, время срабатывания ПИМ, рас-

V Рг Р/

считанное по известным методикам, для рассмотренных случаев в 2-3 раза отличается от времени с учетом полной ММ JIC, разработанной в работе. Адекватность разработанной методики реальным процессам подтверждена экспериментальными данными, полученными в институте Машиноведения им. A.A. Благонравова.

На рис.3 показаны графики изменения положения исполнительного органа пневмопривода прижима лапки швейного полуавтомата, рассчитанные по разным методикам: 1 -подводящая линия учитывается как самостоятельный объект в соответствии с разработанной ММ (3); 2-расчет по классической методике, когда JIC учитывается в виде дополнительного объема, входящего в объем полости.

3. Рассмотрены вопросы проектирования МТЛП на базе следящих и позиционных пневмоприводов (ПП), применение которых эффективно при автоматизации многих процессов легкой промышленности, - в раскройных комплексах, вышивальных автоматах, в автоматах для контурной обработки обуви (взъерошивание, фрезерование, шлифование, полирование, намазка клеем, окрашивание, нанесение лака и воска, чистка и др.), для оверловки ковров и т.п. Применение в ПП быстродействующей пневмоаппаратуры приводит к тому, что в определенных режимах возникают резонансные колебания давления в полостях ПП. Известные методы не учитывают резонансных колебаний газа в полостях, поэтому для расчета таких ПП принципиально не подходят.

Исследована работа раскройной установки и автомата для взъерошивания обуви, построенных на базе следящих ПП с релейным управлением.

Разработана ММ ПП с учетом волновых явлений в полостях в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений, эквивалентных ДУЧП с точки зрения воздействия волн давления на исполнительный орган (ИО).

Показано, что полученная модель является универсальной в том смысле, что известная классическая модель ПП является ее частным случаем, если не учитывать инерционность газа в полости ПП.

Исследовано влияние параметров привода и системы управления на работу раскройной установки и автомата. При определенных значениях параметров ПП возникают автоколебания давления с частотой, близкой к резонансной частоте рабочей полости. Это приводит к вибрациям ИО. Так, в раскройной установке амплитуда колебаний ИО доходит до ± 0,8 мм при значительных инерционных нагрузках, превышающих ± 5 g. Колебания ИО автомата для взъерошивания значительно меньше, однако в некоторых режимах частота колебаний давления совпадает с резонансной частотой инструмента. Применение разработанной ММ ПП с учетом волновых процессов позволило выявить и устранить неблагоприятные режимы работы ПП.

Расчеты по классической модели (без учета волновых процессов) дали принципиально другие результаты. В частности, расчеты показали, что колебания ПП в обеих случаях полностью демпфируются за счет действия сил сухого трения.

Адекватность разработанной ММ ПП реальным процессам подтверждается экспериментальными данными, полученные независимыми исследователями и представляющими собой зависимость амплитуды колебаний газа в полости от частоты изменения давления питания.

В седьмом разделе дается экспериментальное обоснование основным теоретическим положениям, разработанным в диссертации.

Выполнено сравнение результатов расчетов по разработанным методикам с опытными данными, полученными независимо разными авторами в ведущих организациях России и за рубежом, которое показало практическое совпадение результатов. При этом рассмотрены:

- результаты исследований ЛС и ПИМ в ПС разных уровней давлений - низкого (0,001 - 0,01 МПа - струйные системы управления), среднего (0,1 - 0,24 МПа — системы мембранной техники), высокого (от 0,4 до 1,6 МПа - ПС промышленной сети и специального назначения -гладильные прессы и др.); сравнивались результаты исследований как для случаев с ламинарным, так и с турбулентным течением газа;

- результаты исследований пневматических элементов постоянного объема - коротких проточных каналов в конструкциях пневматических узлов; ЛС пневматических систем управления и силовых систем (до 3 м); длинных линий - ЛС с внешним оборудованием (с датчиками различных типов), цеховых магистралей (до 300 м), полостей ПИМ;

- результаты эксперимента и расчетные кривые для случаев постоянного давления на входе в ЛС и для случая, когда давление на входе совершает гармонические колебания:

-результаты исследований переходных процессов в малообъемных ПИМ с учетом динамики подводящего трубопровода.

В порядке иллюстрации на рис.4 представлены экспериментальный (1) и рассчитанный по модели (2) графики изменения давления в начале (Р,) и на конце (/V) линии при ее опустошении.

Получено экспериментальное подтверждение эффективности методики расчета диаметров линий связи, при которых обеспечивается максимальное быстродействие пневмосистем.

Достоверность разработанной методики синтеза ПИМ со сложным законом движения подтверждена результатами проведенных автором экспериментальных исследований съемного устройства комплекса для съема и перекладки чулочно-носочных изделий.

Получено соответствие результатов лабораторных испытаний пневматического окрасочного робота, сбалансированного манипулятора и автомата для испытаний на герметичность прорезиненных тканей и нетканых материалов и изделий из них результатам теоретических расчетов по разработанным в диссертации методикам.

Результаты экспериментальных исследований подтвердили высокую прогностичность разработанных методик.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В диссертации разработано новое научное направление, которое заключается в разработке новых, универсальных методов математического моделирования и расчета динамики пневматических систем, отличающихся от известных тем, что сложные волновые газодинамические процессы моделируются с помощью простой системы обыкновенных дифференциальных уравнений (ДУ), корректность которых доказана теоретически и экспериментально. Решение этой проблемы способствует совершенствованию существующих и созданию новых

1,0

0,7 0,5 0,2 0

Vй А 1

V2 \ 2

7/

0 0,02 0,04 0,06 с Рис.4

МТЛП за счет применения в них высокофункциональных пневматических систем с оптимальными параметрами.

Результаты получены для двух типовых (базовых) пневматических элементов, которые составляют основу практически любой пневматической системы МТЛП, - элементов постоянного объема типа линий связи (ЛС) (трубопроводы, рабочие полости, камеры, каналы в конструкциях пневматических устройств и т.п.) и элементов переменного объема типа пневматических исполнительных механизмов (ПИМ) (силовые пневмоприводы, приводные механизмы в конструкциях пневматических устройств, подвижные узлы в пневматических датчиках и т.п.).

1. Разработан метод аналитического решения ДУЧП гиперболического типа, описывающих переходные процессы в пневматических базовых элементах типа ЛС при ламинарном течении газа. Отличие разработанного метода от известных заключается в том, что получаемое решение представляет собой конечную аналитическую зависимость, является единым для всех типов линий, независимо от соотношения параметров линии и дросселей на ее концах, и справедливо для любого закона изменения давления питания.

Полученные решения являются инструментом для обоснования корректности получаемых в дальнейшем теоретических выводов.

2. Выдвинута и на основании полученных решений ДУЧП доказана гипотеза о существовании математической зависимости давлений газа на концах ЛС от средних, распределенных по длине, значений параметров газа в линии, что позволило перейти при описании процессов на концах ЛС от ДУЧП к обыкновенным ДУ.

3. Разработан метод математического Моделирования динамики ЛС и ПИМ на основе обыкновенных ДУ, эквивалентных ДУЧП с точки зрения описания волновых процессов на концах этих элементов. Разработанные математические модели являются универсальными в том смысле, что известные модели разных типов ЛС и ПИМ входят в них как частные случаи. Модели линий с ламинарным течением газа позволяют получать простые аналитические решения.

4. На основе метода моделирования динамики ЛС с помощью обыкновенных ДУ решена задача оптимизации параметров линий связи по критерию быстродействия.

5. На основе метода задания формы решения разработана методика синтеза ПИМ со сложным законом движения:

- развита теория метода задания формы решения применительно к ПИМ с релейным управлением;

- в основе задаваемых форм решений лежит обоснование эквивалентности по выходным характеристикам нелинейной математической модели ПИМ линейному аналогу.

6. Решена задача моделирования динамики малообъемных ПИМ и камер с учетом взаимосвязи их с динамикой коммуникационных линий. Показана необходимость совместного рассмотрения таких объектов в ПС ряда МТЛП с применением разработанных в работе методик.

7. Разработанные методы анализа и синтеза использованы при проектировании как внедренных в производство, так и перспективных МТЛП, а именно:

- разработана и испытана ПС комплекса для съема и укладки чулочно-носочных изделий на базе отделочной машины ЧНО-86; достоверность методики подтверждена экспериментальными исследованиями на экспериментальном образце комплекса;

- разработана и внедрена ПСУ на автомате для цикловых испытаний герметичности прорезиненных тканей и нетканых материалов и изделий из них;

- разработана и внедрена ПСУ пневматическим сбалансированным манипулятором грузоподъемностью до 400 Н, предназначенным для перекладки рулонов материала;

- разработана методика расчета ПС раскройной установки и автомата для взъерошивания обуви на базе следящих пневмоприводов с учетом волновых процессов;

- разработан высокомоментный пневмомотор для приводов ко-жевенно-обувных машин*для контурной обработки обуви, защищенный авторским свидетельством.

9. Дано экспериментальное обоснование разработанных методов математического моделирования базовых элементов (ЛС и ПИМ) на основании исследований, проведенных различными независимыми исследователями в ведущих организациях России и за рубежом для широкого диапазона значений параметров элементов и газа.

10. Разработанные методы моделирования и расчета ПС использованы в изданной учебно-методической литературе и при разработке Государственного стандарта СССР "Роботы промышленные. Пневмо-двигатели исполнительных устройств. Типы, основные параметры и присоединительные размеры", ГОСТ 26059-85.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Донской A.C., Кизилов А.Б., Майоров И.Д., Романов П.И. Пневматические манипуляторы для механизации погрузочно-разгрузочных работ //Всесоюз. науч.-техн. конф., ноябрь 1984 г.: Тез. докл. - Ленинград, 1984. - С.35-36.

2. Донской A.C., Кисельников В.Б., Романов П.И., Черпухин O.A. Окрасочный пневматический промышленный робот, //Промышленные роботы и их применение. - Л.: ЛДНТП, 1984: - С.36-40.

3. Донской A.C., Майоров И.Д. К вопросу об унификации пневматических приводов промышленных роботов с позиционным управлением. //Унификация и стандартизация промышленных роботов: Тез. докл. Все-союзн. науч.-техн. конф. октябрь 1984 г. - Ташкент, 1984 г. - С.83-84.

4. Донской A.C., Кизилов А.Б., Майоров И.Д., Романов П.И. Пневматические исполнительные модули промышленных роботов с позиционным управлением /Ш Всесоюзн. совещание по робототехниче-ским системам: Тез. докл. - Воронеж, 1984 г. - С.86-87.

5. Донской A.C. Математическая модель пневматических линий связи струйных систем управления // Электромеханические устройства и системы управления промышленных роботов: Сб.науч.тр./ Воронежский политехи, ин-т. - 1985. - С.137-147.

6. Донской A.C. Командозадающее устройство пневматической системы управления промышленным роботом. //Пневмоавтоматика, XV Всесоюзн.совещан.: Тез. докл. - Львов, 1985 г. - С.110.

7. Гузюк С.П., Малышев Ю.В., Донской A.C. К вопросу о разработке промышленного робота для отделки стульев на конвейере методом пневмораспыления. //Станки и инструменты деревообрабатывающих производств: Межвуз. сб. науч. тр. -Л.: ЛТА им. С.М.Кирова, 1985 :-С. 79-81.

8. Гузюк С.П., Донской A.C., Малышев Ю.В. Пневматический промышленный робот для отделки стульев на конвейере методом пневмораспыления //Промышленные роботы и их применение. - Л.: ЛДНТП, 1985,- С.59-63.

9. Донской A.C., Волосов В.И. Применение пневматических промышленных роботов в текстильной и легкой промышленности //Проблемы комплексной роботизации и внедрение автоматических и автоматизированных систем управления в народном хозяйстве: Тез.докл. республ. науч.конф. молодых ученых и специалистов, ноябрь 1985 г. - Алма-Ата, 1985. - С.87-88.

10. Донской A.C., Градовцев A.JI. Исследование динамики пневматического исполнительного механизма модуля промышленного робота //Автоматизация оборудования и технологических процессов е текстильной промышленности : межвуз. сб. науч. тр. - Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1987: - С.30-37.

11. Донской A.C., Андреев В.И., Гончаренко В.Н. Программное обеспечение подсистемы САПР следящих пневмоприводов промышленных роботов //Проблемы и опыт применения САПР: Тез.докл. Все-союз. конф. ноябрь 1987 г. - Свердловск. - С.61.

12. Донской A.C. Андреев В.И., Гончаренко В.Н. Разработка и исследование элементов пневмоприводов промышленных роботов с позиционным и контурным управлением //Состояние, опыт и направления работ по компл. автоматизации на основе ГАП, РТК и ПР: Тез. докл. зонал. семинара 20-21 апреля 1987г. - Пенза, 1987. - С.66-68.

13. Донской A.C. Андреев В.И., Гончаренко В.Н. Оптимизация параметров следящих пневмоприводов для промышленных роботов //Состояние, опыт и направления работ по компл. автоматизации на основе ГАП, РТК и ПР: Тез. докл. зонал. семинара 20-21 апреля 1987 г. -Пенза, 1987. - С.68-69.

14. Донской A.C. Андреев В.И., Лазариди К.Х. Математическое и программное обеспечение САПР исполнительных модулей пневматических промышленных роботов //Состояние, опыт и направления работ по компл. автоматизации на основе ГАП, РТК и ПР: Тез. докл. зонал. семинара 20-21 апреля 1987 г. - Пенза, 1987. - С.95-96.

15. Донской A.C., Гузюк С.П., Малышев Ю.В. Расчет и использование пневмопривода робота для отделки каркасов стульев //Межвуз. сб.науч.гр. /ЛТА им.С.М.Кирова. - 1988. - С.83-87.

16. Донской A.C. Проектирование элементов пневматических исполнительных систем машин текстильной и легкой промышленности //Разработка и совершенствование систем автоматизации текстильной и легкой промышленности на основе микропроцессорной техники /сб.науч.тр. - Л.: ЛИТЛП им.С.М.Кирова, 1988: - С.55-59.

17. Донской A.C., Андреев В.И., Лазариди К.Х. i Математическое обеспечение САПР пневматических исполнительных систем. -Л., 1989. - 10 с. -Деп. в ЦНИИТЭИлегпром 04.05.89. № 2771-ЛП.

18. Донской A.C. Метод расчета динамики пневматических исполнительных систем //Моделирование и оптимизация систем управления производственными процессами в текстильной и легкой про-

мышленности: Межвуз. сб. науч. тр. -Л., ЛИТЛГТ им.С.М.Кирова, 1989: - С. 91-95.

19. Донской A.C. Метод расчета диаметров линий связи пневматических систем управления. - Л., 1989. - 10 с. - Деп. в ЦНИИТЭИ-легпром 04.05.89, № 2769-ЛП.

20. Донской A.C. Метод ускоренного численного анализа пневматических линий связи //Моделирование и оптимизация систем управления производственными процессами в текстильной и легкой промышленности: Межвуз. сб. науч. тр., -Л., ЛИТЛП им.С.М.Кирова, 1990.-С. 27-30.

21. Донской A.C., Королев В.А. Разработка и исследование пневмоаппаратуры с цифровым управлением //Пневмогидроавтоматика и пневмопривод: Тез. докл. Всесоюз. совещан. апрель 1988 г., -Суздаль,

1990.-С.109.

22. Донской A.C., Андреев В.И., Лазариди К.Х. К расчету пневматических захватных устройств //Вклад ленинградского института текстильной и легкой промышленности в развитие отрасли: Материалы науч.-техн. конф., посвященной 60-летию ин-та, 20-22 ноября 1990 г., -Л., 1990. - С.43-46.

23. Донской A.C. и др. САПР пневматических сбалансированных манипуляторов для механизации технологических процессов и производств. /Донской A.C., Королев В.А., Мнацаканян М.А., Романов П.И., Тархов A.A. -Л., ЛГТУ, 1990. - 76 с.

24. Робототехнические системы в текстильной и легкой промышленности /Климов В.А., Гончаренко В.Н, Ганулич A.A. и др.; Под ред. В.А.Климова. - М.: Легпромбытиздат, 1991. - 312 с.

25. Донской A.C., Андреев В.И. Расчет динамики пневматических приводов промышленных роботов. /Технология легкой промышленности. Изв. вузов. - 1991. - № 6. - С.96-99.

26. Донской A.C., Андреев В.И., Лазариди К.Х. О расчете пневматического привода захватного устройства. - Л., 1991. - 8 с. - Деп. в ЦНИИТЭИлегпром 03.09.91. № 3365-ЛП.

27. Донской A.C. Численный метод решения уравнений динамики пневматических двигателей. - Л., 1991. - 14 с. - Деп. в ЦНИИТЭИлегпром 03.09.91. № 3364-ЛП.

28. Донской A.C. О расчете пневматических двигателей. - Л.,

1991. - 14 с. - Деп. в ЦНИИТЭИлегпром 03.09.91. № 3364-ЛП.

29. Донской A.C. Метод ускоренного расчета динамики пневматических механизмов //Пневмогидроавтоматика и пневмопривод: Тез. докл. Всесоюз.науч.-техн.копф. 3-5 октября 1991 г. - Киев, 1991. - С.21.

30. Донской A.C., Климов В.А. Проблемы укрупненного описания математических моделей объектов пневматической природы с интегральным учетом волновых явлений. //Математические методы распознавания образов (ММРО-7): Тез. докл. конф. с междунар. участием.

- Пущино, 1995, - С.90-91.

31. Математическое моделирование динамики электрических машин переменного тока. /В.А.Климов, С.М.Лаврентьев, А.Л.Шапошников и др.; Под ред. В.А.Климова. - СПб.: СПбУ, 1995. - 380 с.

32. Романов П.И, Власов E.H., Кизилов А.Б., Донской A.C. Система автоматизированного проектирования сбалансированных манипуляторов для ремонтных предприятий лесной промышленности //Повышение технического уровня машин и оборудования лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства: Межвуз. сб. науч. тр. /ЛТА, СПб, 1996. - С.122-128.

33. Донской A.C., Климов В.А., Лазариди К.Х., Родин В.В. Синтез пневмоприводов со сложным законом движения. - СПб., 1996. - 10 с.

- Деп. в ЦНИИТЭИлегпром 15.02.96. № 3665-ЛП.

34. Донской A.C., Климов В.А., Лазариди К.Х. Ускоренный синтез пневмоприводов. //Математика, компьютер, образование: Тез. докл. междунар. конф. - Дубна, 1996. - С.41.

35. Донской A.C., Климов В.А. Синтез пневматических приводов. //Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. - Иваново, 1996. - С.306-307.

36. Донской A.C., Климов В.А., Лазариди К.Х. Расчет пневмопривода с заданным законом движения. - СПб., 1996. -10 с. -Деп. в ВИНИТИ 17.12.96, № 3678-В96.

37. Донской A.C. Моделирование процессов в элементах пнев-мосистем с учетом ударных волн давления. - СПб., 1996. -15 с. -Деп. в ВИНИТИ 17.12.96, № 3682-В96.

38. Донской A.C. Расчет переходных процессов в пневматических объектах с распределенными параметрами. - СПб., 1996. -12 с. -Деп. в ВИНИТИ 17.12.96, № 3679-В96.

39. Донской A.C. Разработка укрупненно-обобщенной математической модели пневматических элементов постоянного объема. -СПб., 1996. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 17.12.96, № 3680-В96.

40. Донской A.C., Климов В.А. Аналитический метод расчета волновых процессов в пневматических объектах. /Технология текстильной промышленности. Изв. вузов. - 1997. - № 2. - С.93-95.

41. Донской A.C. Моделирование колебаний давления в пневматических объектах с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений /Технология текстильной промышленности. Изв. вузов. - 1997. -№4. - С.94-97.

42. Донской A.C., Климов В.А. Моделирование процессов в элементах пневмосистем с учетом ударных волн давления. /Технология текстильной промышленности. Изв. вузов. - 1997. - №5. - С.80-82.

43. Донской A.C., Климов В.А. Особенности моделирования процессов в следящих пневмоприводах с релейным управлением. //Математические методы распознавания образов (ММРО-8): Тез. докл. 8-й Всероссийской конф. - Москва, 1997, - С. 148-150.

44. Донской A.C., Климов В.А. Учет волновых явлений при исследовании следящего пневмопривода технологического назначения. //Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. - Иваново, 1997. - С.242-243.

45. Донской A.C. Моделирование переходных процессов в пневматических системах. - СПб.: СПГУТД, 1998. - 204 с.

46. Градовцев АЛ, Гончаренко В.Н., Донской A.C., Родин В.В. Пневматический манипулятор с программным управлением //НТИ. Сер. Р 55.30.05. -1988. - № 88-20. - 4 с.

47. ГОСТ 26059-85. Роботы промышленные. Пневмодвигатели исполнительных устройств. Типы, основные параметры и присоединительные размеры. - М.: Изд-во стандартов, 1985. - 10 с.

48. Панов В.В., Сыс В.Б., Климов В.А., Донской A.C. Устройство для деформации текстильных конических поковок. A.C. № 1509453, опубл. вБИ№35, 23.09.89.

49. Панов В.В., Сыс В.Б., Климов В.А., Донской A.C. Устройство для деформации текстильных конических поковок в отделочном производстве. A.C. № 1594230, опубл. в БИ № 35, 1990 г.

50. Донской A.C., Панов В.В., Андреев В.И., Климов В.А., Лаза-риди К.Х. Пневмодвигатель. A.C. № 560778, опубл. в БИ №16 30.04.90.

51. Романов П.И., Королев В.А., Донской A.C. Манипулятор с уравновешиванием груза. A.C. № 1705229, опубл. в БИ № 2. 15.01.92.

Подписано к печати 26.03.98 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная Уч.-издл. 2,1. Заказ Тираж 100 экз. Бесплатно Отпечатано в типографии СПГУТД 191028, С.-Петербург, ул. Моховая, 26.



Санкт-Петербургский Государственный Университвт

технологии и дизайна

На правах рукописи

ДОНСКОМ АНАТОЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ

/

РАЗВИТИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ДИНАМИКИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЙ МЕХАНИЗМОВ I МАШИН ТЕКСТИЛЬНОЙ I ЛЕГКОМ ПРОМШШЕННОСТМ

Специальности: 05.02Л.З - Машины и агрегаты легкой промышленности 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)

на соискание ученой степени

доктора... ; 'стш

Ъ.: I/

9Н

Сашт-Пете^ург

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................... &

1. ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.....................................19

1.1. Анализ пневматических систем механизмов и машин текстильной и легкой промышленности..............

1.1.1. Особенности расчета пневматических систем...... 23

1.1.2. Классификация и унификация элементов пневматических систем. Вазовые пневматические элементы постоянного и переменного объема............... 39

1.2. Современное состояние теории, и расчета пневматических

элементов постоянного объема. Линии связи............. 45"

1.2.1. Содержание газодинамических процессов в

линиях связи............................

1.2.2. Математические модели линий связи общего вида,, с

1.2.3. Математические модели линий для частных случаев...^

1.3. Современное состояние теории и расчета пневматических

элементов переменного объема. Исполнительные механизмы...66

1.3.1. Общая схема пневматического исполнительного механизма................................. 66

1.3.2. Моделирование процессов в пневматическом исполнительном механизме ................. 67

2. РАЗВИТИЕ- ТЕОРИИ РАСЧЕТА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОСТОЯННОГО ОБЪЕМ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ............75*

2.1. Анализ и выявление закономерности изменения математических выражений для волн давления..............77

2.2. Формирование решения в виде конечной аналитической зависимости...........................................90

2.2Л. Определение закономерности изменения

функции Р (t-x/o^.........................

2.2.2. Определение закономерности изменения функции Р (t+x/c).........................

2.2.3. Определение закона изменения давления в линии... 102 2.3. Расчет переходных процессов в линии при

скачкообразном изменении давления на входе............103

2.3.1. Анализ уравнения изменения давления в линии____-/#9

2.3.2» Частные случаи пневматических линий............ ///

2.4» Расчет переходных процессов в линии при плавном

изменении давления на входе ......................... ///

2.5. Расчет переходных процессов в линиях при периодическом законе изменения давления на входе.... /2/

2.6. Расчет переходных процессов в линиях с учетом

потерь давления на трение по длине линии............. /2£

2.7. Исследование возможности описания объектов с раопределенными параметрами обыкновенными дифференциальными уравнениями........................ /35

2.7.1. Выявление закономерности изменения параметров

газа на конце линии........................... /35

2.7.2. Анализ процессов в рабочих полостях пневматического исполнительного механизма .....----... /38

3. РАЗРАБОТКА ЖРЛШЕННО-ОБОБЩЕННОИ МАТЕМАТИЧЕСКОМ МОДЕЛИ

ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОСТОЯННОГО ОБЪЕМА.............. /40

3.1. Моделирование процессов в пневматических линиях связи..

3.1.1. Физическая картина процессов в линии......... /43

3.1.2. Разработка общей модели линии............... /47

3.1.3. Дополнение к выводу уравнения движения газа

газа в линии................................ /$9

3.2. Математическая модель лиши при турбулентном

течении газа......................................

3.3. Моделирование процессов в пневматических линиях с

ламинарным течением газа.......................... /75*

3.3Л. Математическая модель линии с ламинарным

течением газа............................... /75"

3.3.2. Получение свернутого уравнения изменения давления на конце линии (уравнение 3-го порядка).., 17%

3.3.3. Анализ разработанной модели в случае установившегося течения газа................ 182

3.3.4. Общность разработанной модели 10 для всех

типов линий.............. ................. /до

3.4. Разработка аналитических методов расчета пневматических объектов с распределенными параметрами (уравнение 2-го порядка)............... /05*

3.4.1. Разработка физической модели пневматической линии,.. -19В

3.4.2. Разработка математической модели линии...____... /96

3.4.3. Получение свернутого уравнения изменения давления

на конце линии ..........................................£01

3.4.4. Анализ полученных уравнений.................... 20$

3.4.5.Общность математической модели для любых типов тшШ.£№

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ МВЖ СВЯЗИ

С МАКСЙМАЛЬШМ БЫСТРОДЕЙСТВИЕМ............................. 217

4.1. Расчет диаметров линий связи при турбулентном

течении газа..........................................2/8

4.2. Расчет диаметров линий связи при ламинарном течении газа..^2^ 4.2Л. Вывод расчетной формулы для диаметров линий тшж.,229 4.2,2. Анализ полученной зависимости»................ 230

5, МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДЙМШЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫ! МЕХАНИЗМАХ..................................¡235

5.1. Предпосылки для описания газодинамических процессов в рабочих полостях пневматических исполнительных механизмов обыкновенными дифференциальными уравнениями, с, 236

5.2. Газодинамический расчет пневматического

исполнительного механизма........................................23 6

5.2.1. Разработка математической модели пневматического исполнительного механизма.................. 2Ъ1

5.2.2. Усовершенствование математической модели

пневматического исполнительного механизма.....

5.3. Аналитический расчет отдельных режимов работы пневматического исполнительного механизма.................. 2Н

5.3.1. Расчет переходного процесса в полости нагнетания пневматического исполнительного механизма... 2^8

5.3.2. Расчет переходного процесса в выхлопной полости

пневматического исполнительного механизма..... 250

6. РЕШЕНИЕ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ НА ОСНОВЕ НОВЫХ МЕТОДОВ

МОДЕЛИРОВАНИЯ М РАСЧЕТА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.............. 255

6.1. Синтез съемного устройства комплекса для съема чулочно-

носочных изделий........................................258

6.1.1. Выбор формы решения............................

6.1.2. Определение параметров формы решения...........

6.1.3. Синтез пневматического исполнительного механизма

со сложным законом движения....................

6.2. Расчет малообъемных устройств пневмосистем машин

текстильной и легкой промышленности.....................

6.2.1. Особенности моделирования малообъемных

пневматических элементов.......................

6.2.1.1. Анализ известных методов моделирования

взаимосвязанных элементов................¿06

6.2.1.2. Описание динамики пары "ЛС-камера" на

базе укрупненно-обобщенной модели линии.. .30 Э

6.2.1.3. Анализ математической модели пары "ЛС-камера"...............................ЗЦ

6.2.2. Расчет динамики пары "ЛС-камера" пневмосистем различных машин...................................313

6.2.3. Расчет динамики пары "ЛС-ПИМ" пневмосистем

раличных машин................................... 324

6.3. Особенности расчета динамики приводов машин на базе следящих пневмоприводов с релейным управлением........

6.3.1. Моделирование процессов в пневматических исполнительных механизмах с учетом волновых явлений.... ЗЪ'1

6.3.2. Исследование работы привода раскройной установки.. 349

6.3.3. Исследование работы привода автомата для контурной обработки обуви...................................

7. ЗЕСПЕРЖ®ЬтЛЪН0Е ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИИ..^? 7.1. Результаты экспериментальных исследований пневматических элементов постоянного объема с турбулентным течением газа

7.1.1. Переходные процессы в типовых линиях........... 370

7.1.2. Переходные процессы в длинных линиях - цеховых магистралях..................................... °/у

7.1.3. Переходные процессы в рабочих полостях ....... 374

.2. Результаты экспериментальных исследований пневматических

элементов постоянного объема с ламинарным течением газа..

7.2.1. Динамика коротких линий......................... 321

7.2.2. Переходные процессы в типовых линиях............ЗР/

7.2.3. Переходные процессы в линии при гармоническом изменении давления на входе ................... 325

7.2.4. Переходные процессы в длинных линиях...........39&

7

7.2.5. Переходные процессы в рабочих полостях ........ 392.

7.2.6. Сопоставление результатов расчета и опытных данных при выборе диаметров трубопроводов с максимальным быстродействием .................. 392.

7.3. Результаты экспериментальных исследований пары "трубо-прювод-пневмоцилиндр"..................................

7.4. Экспериментальное исследование съемного устройства комплекса для съема и укладки чулочно-носочных изделий..

7.5. Экспериментальные исследования пневмопривода окрасочного робота..................................... 40Ъ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ........................ 409

ЛИТЕРАТУРА..........................................................4/2

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................427

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность теш.

Пневматические силовые системы и системы управления (ПСУ) широко применяются в машинах и механизмах в текстильной и легкой промышленности (МТЖ1), что объясняется, во-первых, возможностью использовать воздух как бесконтактный инструмент в технологических операциях и в операциях контроля и измерения, а, во-вторых - высокой надежностью пневмосистем (ПС), низкой стоимостью, простотой эксплуатации, пожаро-взрывобезопасностью. В сочетании с современными электронными системами управления с помощью ПС можно значительно проще и эффективнее решить многие задачи, которые решались ранее другими средствами. Однако низкое быстродействие ПС и сложность реализации заданных законов движения с помощью пневматических приводов во многих случаях ставит под сомнение возможность их применения. Поэтому важно уже на этапе проектирования решить вопрос о принципиальной возможности и эффективности использования ПС. Однако известные инженерные методы расчета ПС ориентированы на решение определенного круга задач и поэтому в ряде случаев не позволяют получить достоверные результаты.

Объясняется это тем, что динамика элементов ПС определяется совокупностью одновременно протекающих различных процессов -изменением массы газа при наполнении и опустошении занимаемого объема; разгоном или торможением всей массы газа; процессами, обусловленными упругими свойствами газа и приводящими к появлению волновых процессов. На практике применяются упрощенные математические модели элементов ПС на базе обыкновенных дифференциальных уравнений (ДУ), которые учитывают лишь один из

указанных процессов. Поэтому они эффективны для решения определенного типа задач.

Однако среди МТЖ1 существует целый класс ПС, где такие модели не позволяют получить достоверные результаты» поскольку требуется рассматривать одновременно в общем случае все описанные явления.

Во-первых, - это ПС, качество работы которых существенно зависит от динамических характеристик коммуникационных линий:

- ПС контроля и измерения: контроль состояния нити (контроль обрыва» натяжения, перемещения, наличия узелков), контроль положения кромки материалов, контроль положения и измерение координат рабочих органов машин и т.п.;

- ПСУ быстродействующими процессами (швейные полуавтоматы, промышленные роботы};

- малогабаритные ПП (швейные полуавтоматы, комплекс для съема и укладки чулочно-носочных изделий);

- оборудование на базе пневматических моторов (автоматы для оверловки ковров, для фрезерования обуви и т.п.);

Во-вторых, - это ПС с позиционными и следящими пневмоприводами с релейным управлением на базе шевмоцилиндров, в полостях которых резонансные явления газа могут привести к нарушению функционирования МТЖ1 (раскройные комплексы, вышивальные автоматы» автоматы для контурной обработки обуви).

Расчет таких ПС с учетом взаимодействия всех указанных процессов не может быть выполнен без применения сложного математического аппарата газовой динамики на базе дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП). Однако численное интегрирование таких уравнений представляет собой серьезную научную задачу и требует специальных навыков для ее решения. Поэтому такие модели для практических расчетов не применяются.

Отсутствие простых эффективных методов расчета указанных ПС во многих, случаях не позволяет разработчикам получать оптимальные решения или же вынуждает неоправданно отказываться от их применения. Поэтому весьма актуальной является задача разработки нового прикладного метода моделирования и расчета таких ПС на базе обыкновенных ДУ, эквивалентных ДУЧП с точки зрения описания процессов на концах объектов, которые бы учитывали все основные газодинамические процессы, включая волновые, приводящие к появлению ударных волн. Это способствует повышению качества проектирования ж точности функционирования МТЛП.

При этом, важно создание единых математических моделей для разных элементов пневматических систем с охватом всего диапазона изменения их параметров.

Создание новых и совершенствование существующих механизмов и машин на основе пневмоприводов со сложными: законами движения (автоматы для съема и перекладам чулочно-носочных изделий, промышленные роботы) требует разработки новых методов их синтеза, так как многократное численное моделирование их на ЭВМ с расчетом всех возможных вариантов делают задачу синтеза практически неразрешимой.

Цель работа»

Работа направлена на совершенствование существующих и создание новых, высокофункциональных пневматических систем для машин текстильной и легкой промышленности, что требует создания новых, универсальных научных методов моделирования и расчета их динамики, характеризующихся высокой достоверностью при расчетах любых типов устройств.

Задачи исследования включают.

I. Анализ содержания пневматических систем МТЛП и их

систематизация с целью выделения базовых пневматических элементов постоянного и переменного объема, общих, с точки зрения создания унифицированного математического аппарата.

2. Разработку общей прикладной теории расчета .динамики пневматических, систем, в частности:

- разработку метода аналитического решения ДУЧП гиперболического типа, описывающих газодинамические процессы в пневматических объектах с распределенными параметрами, для всех типов линий и любого закона изменения давления питания в виде конечной аналитической зависимости с выходом на базовые положения, которые позволят описывать процессы обыкновенными дифференциальными уравнениями;

- разработку математической модели базового элемента типа линий связи (1С) как объекта с распределенными параметрами, но описываемой с шмотью обыкновенных дафференциальных уравнений и. в то же время эквивалентной модели в частных производных с точки зрения описания волновых процессов изменения давлений и расходов на концах линии;

- разработку математической модели базового элемента типа пневматических исполнительных механизмов (ПИМ) с учетом совокупности всех основных физических и газодинамических процессов, включая волновые процессы на концах рабочих полостей, с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений.

3. Адаптацию разработанных моделей и методов расчета применительно к повышению быстродействия и качества функционирования МТЛП, в частности:

- к расчету пневматических приводов для раскройного автомата и автомата для взъерошивания обуви,

- к расчету автомата для съема и укладки чулочно-носочных изделий,

- к выбору параметров пневматических систем управления (пневматического автомата для испытаний изделий из нетканых материалов на герметичность, пневматического сбалансированного манипулятора для перекладки рулонов материала, пневматического окрасочного робота и др.).

4. Экспериментальное обоснование разработанной теории с учетом опытных данных, полученных различными независимыми исследователями в разных странах при исследовании элементов пневматических систем.

Научная новизна работы.

Разработана общая прикладная теория расчета динамических характеристик пневмосистем МТЛП, позволяющая в отличие от известных инженерных методов решать более широкий круг задач при расчетах применяющихся и перспективных пневмосистем для текстильной и легкой промышленности.

Основу теории составляют:

- метод расчета ЛО и рабочих полостей ПЙМ как объектов с распределенными параметрами - метод аналитического решения уравнений в частных производных гиперболического типа, позволивший получить единое решение для различных граничных условий в виде конечной аналитической зависимости и тем самым расширить рамки применения известной модели ЛС в частных производных;

- метод математического моделирования динамики ЛО с помощью системы обыкновенных дифференциальных уравнений и в то же время учитывающих влияние распределенных по длине линии процессов, позволивший получить универсальную математическую модель линии в том смысле, что известные модели, определенных типов линий входят в нее как частные случаи; для ламинарного течения газа разработанная модель ЛС позволяет получить аналитические

решения.

На основе новых методов моделирования разработаны методики» позволяющие за счет бол�