автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Условия применения низкочастотной широтно-импульсной модуляции в силовых гидравлических агрегатах привода механизмов периодических движений с преобладающими инерционными и позиционными нагрузками

ВВЕДЕНИЕ. ЗАДАЧИ РАБОТЫ. 4

I. СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА. С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

1.1. Дискретные способы формирования сигнала управления в системах гидравлического привода.

1.2. Генерация идавлических импульсов.

1.3. Нестационарные процессы течения жидкости в тру-боцроводах цри управлении по принципу ШИМ. ^

1.4. Применение широтно-импуль сной модуляции в электротехнических и электронных системах.

П. МЕТОДЫ РАСЧЁТА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА, УПРАВЛЯЕМОГО

ПО ПРИНЦИПУ ШИРОТНО-ШПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ.

2.1. Графический, способ построения траектории движения исполнительного органа гидравлического привода при управлении по методу ШИМ.

2.2. Аналитические оценки качества отработки сигнала управления динамическими звеньями при его формировании по принципу широтно-импуль сной модуляции.

Ш. РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА С УПРАВЛЕНИЕМ

ПО ПРИНЦИПУ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОИ МОДУЛЯЦИИ И ОБОСНОВАНИЕ

ИХ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЙ.

3.1. Гидравлический мультипликатор давления.

3.2. Электрогидравлический вибратор .3?

3.3. Оценка коэффициента полезного действия цри управлении гидравлическим приводом по принципу широтно-импуль сной модуляции.

17. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ, РАБОТАЮЩИХ В РЕЖИМЕ ШИРОТНО-ИЗШУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ. т

4.1. Цель и задачи экспериментальных исследований. 4(

4.2. Экспериментальная установка для испытаний гидравлического мультипликатора давления. ^

4.3. Результаты экспериментальных исследовании. Ш 4.4. Действующая модель электрогидравлического вибратора . .ИЗ

4.5. Результаты экспериментальных исследований

В настоящее время значение гидравлического привода растет большими темпами, несмотря на резко растущие цены на минеральные масла. Такая тенденция отшчается как в Советском Союзе и социалистических странах, так и в странах капиталистического мира. Например, ежегодный прирост объема выпуска гидрооборудования в ФРГ увеличивается в последние годы в среднем на 9%[77 ]. Такого же порядка прирост имеет место во Франции, занимающей после США, ФРГ, Японии, Англии и Италии 6-е место среди капиталистических стран по общеиог уровню производства. Аналогичные тенденции наблюдаются в Японии. По зарубежным прогнозам высокий темп роста производства гидрооборудования сохранится, по крайней мере, в течение ближайших 15 лет, несмотря на то, что в большинстве других отраслей промышленности в этих странах отмечается общий спад и замедление темпа роста в следствие общего кризиса капиталистической экономики [ 50 ].

Высокий темп роста выпуска гидрооборудоваяия связан с возможностью применения таких высокопроизводительных устройств, как станки типа "обрабатывающий центр", промышленные роботы, автоматизированные линии и др.

Как и для любого другого управляемого механизма, для гидравлического привода необходима система управления, в которой заложен, либо вырабатывается закон уцравления, согласно которому движется исполнительный орган гидропривода.

В системах электрогидравлического привода бывают системы управления в основном двух типов, а именно - аналоговые и дискретные, которые отличаются способом формирования сигнала управления.

При аналоговом способе на вход в систему подается непрерывный сигнал управления Х('Ь) . Гидропривод выполняет функцию оператора преобразования, вследствие чего на исполнительном органе отрабатывается аналог входного сигнала.

Технически такой способ управления применяется в самых разнообразных системах дроссельного и машинного регулирования.

Дроссельное регулирование отличается хорошим быстродействием, но и низким значением КВД. Объемный (машинный) способ регулирования характеризуется высоким КВД, но уступает по быстродействию.

Имеются неизбежные потери давления, и тем самым, мощности, за счёт дросселирования потока жидкости, которые безвозвратно превращаются в тепло, в следствие чего сокращается срок службы рабочей жидкости.

Для гидравлического привода менее известен и реже применяется другой способ.

В частности, находит применение широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Она характеризуется тем, что устойчивыми положениями рабочего органа являются только крайние. При этом рабочие окна либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Когда рабочие окна открыты, потери на дросселирование штока рабочей жидкости, как это показано в работе В.Л.Сосонкина [60 ] , сводятся к минимуму. Время нахождения органа управления в том или другом крайнем положении определяется скважностью сигнала управления.

Такой способ формирования сигнала управления применяется, как правило, в младших, маломощных каскадах управления гидравлических усилителей мощности. Интегрирование модулируемого сигнала происходит либо в электромеханическом преобразователе (ЭМП), либо в гидроусилителе. Это связано с тем, что несущая частота сигнала управления выбирается высокой, как например, у К.Литтманна [79] в районе > I кГц. Целью такого подхода является повышение Н

КВД электронного усилителя мощности, которое сопровождается существенным упрощением его структуры и конструкции.

Кроме того, отпадает надобность использования цифро-аналогового преобразователя, дорогостоящего элемента системы. Таким образом, модно легко повысить ток управления и уменьшать число каскадов усиления. Значительно упрощается связь непосредственно с управляющей ЦВМ, что показано в работе [79] •

При интегрировании сигнала ШИМ в силовой части гидравлического привода есть основание ожидать повышения КВД системы при сохранении других ее параметров. В принципе должны так же, как в электронном усилителе мощности, упростится структура и конструкция силовой части гидропривода. Соблюдая определенные соотношения параметров системы, можно использовать ШИМ в однокаскад-ных гидравлических усилителях при сохранении качества управления по сравнению с аналоговым способом формирования сигнала управления. При этом потери на дросселирование потока рабочей жидкости могут быть значительно уменьшены.

При рассмотрении литературы выяснилось, что материалы, описывающие использование метода ШИМ црименительно к силовой части гидравлического привода, сильно ограничены, хотя такая задача является, как уже отмечалось, принципиально важной. Исходя из этого, были сформулированы основные задачи исследований, представленных в настоящей диссертационной работе.

1. Обосновать теоретическим и экспериментальным путем возможность и целесообразность применения управления силовой частью гидравлического привода по принципу ШИМ.

2. Разработать методику выбора параметров ШИМ для заданной системы гидравлического привода и оценки качества воспроизведения сигнала управления, сформированного по способу ШИМ.

3. Разработать аппаратуру управления, обеспечивающую управление по принципу ШИМ для конкретных технических объектов.

4. Создать экспериментальное оборудование, позволяющее подтвердить выполненные теоретические исследования.

5. Исследовать работу гидравлических систем конкретных технических устройств, управляемых по рассматриваемому здесь способу, а именно, модель электрогидравлического вибратора для вибрационной геофизики и экспериментальный образец гидравлического мультипликатора давления для гидравлической штамповки полых деталей с наложенной пульсацией давления.

I. СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА. С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Теоретические и экспериментальные исследования подтверждают принципиальную возможность работы силовой части гидравлического привода в режиме низкочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

2. Теоретический анализ динамических свойств гидравлических приводов и его экспериментальное подтверждение позволяют считать, что с помощью предлагаемой методики можно надежно выбирать параметры 11ММ (высота импульса и скважность) по величине допустимой составляющей ошибки по частоте следования последовательности прямоугольных импульсов (ППИ) при отработке исполнительным звеном гидравлического импульса широтно-модулированного сигнала управления.

3. При минимально выбранной частоте следования ППИ по условию допустимой ошибки обеспечивается более высокое, чем при дроссельном управлении, значение гидравлического КОД. Повышение величины гидравлического КПД, определяемое расчетным путем, может достигать 2,3-2,4 (точное значение 2,36) раза для гидравлического привода, работающего в моногармоническом колебательном режиме.

4. Системы с преобладающей инерционной составляющей нагрузки и постоянной времени, отличающейся на на два или больше порядков от предполагаемой длительности периода следования ППИ и

- — — да ^ —и —8 траектории движения исполнительного органа гидравлического привода с удовлетворительной точностью может проводиться при помощи линеаризованного решения уравнения Рйккати. В случав преобладающей инерционной составляющей нагрузки и сопоставимости постоянной времени исполнительного органа Ш длительностью периода следования ППИ необходимо учесть влияние переходного процесса и воспользоваться методикой расчета, основанной на теории передаточных функций.

5. 6 случав недопустимо высокой величины ошибки при управлении, основанном на принципе ШИМ, медленнодействующие системы должны проверяться на возможность увеличения колебательности, а также система управления на максимальное значение скважности. Увеличение частоты следования 1ШИ приводит к некоторому снижению ошибки, но и сопровождается уменьшением энергетических свойств системы. Уменьшение значения ошибки у быстродействующих систем, управляемых по принципу ШИМ, возможно только путем увеличения частоты следования ППИ, приближаясь при этом по энергетическим показателям к системам дроссельного управления.

1. Банштык A.M. Электрогидравлические сервомеханизмы с широтно-импульсным управлением. -М. : хМашиностроение, 1972. -144 е.

2. Баранов В.Н. Линеаризация уравнения гидравлического исполнительного механизма дроссельного управления. -В кн.: Известия ВУЗов. Машиностроение, 1977, № 5, с.

3. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы.- М.: Машиностроение, 1977,326 с.

4. Бержерон Л. От гидравлического удара в трубах до разряда в электрической сети. М. : Машгиз, 1962, - 348 с.

5. Бесенарский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972. - 768 с.

6. Боборыкин Ю.А. Некоторые вопросы обработки металлов давлением. — В кн .: Применение вибраций для интенсификации процессов штамповки /Материалы семинара. М.: ВДНТП, 1961, с. 27-30.

7. Богдан В.А., Трифонов О.Н. Формирование гидравлических импуль• )сов давления . В кн.г Гидравлические системы металлорежущихстанков. М., 1974, вып. I, с.

8. Богоявленский К.Н. и др. Гидравлическая штамповка деталей.-В кн.:Вопросы судостроения. Металлургия. 1. ,1976, вып.21, с. 66-73.

9. Богоявленский К.Н., Камнев П.В. Изготовление деталей пластическим деформированием.- Л.: Машиностроение, 1975, с. 424.

10. Богоявленский К.Н., Кобышев А.Н. Развитие процессов гидравлической штамповки. Обзор. -М.: НИЙмаш, 1983, с. 41.

11. Владимиров B.C. Уравнения математической физики.: Наука, 1981, с. 512.

12. Гоноровский И.А. Радиотехнические цепи и сигналы. М.:Советское радио, 1977, с. 608.

13. Данилейко А.Ф.Анализ развития конструкций электрогидравлических усилителей мощности.Обзор патентных материалов. В кн.: Динамика гидропневмитических систем: Сб. науч, трудов Челябинского политех, инст. Челябинск,1978, № 197, с. 64-71.

14. Денисов A.A., Нагорный B.C. Пневматические и гидравлические устройства автоматики. М.: Высшая школа, 1978, с. 214.

15. Двайт Г.В. Таблицы интегралов ж другие математические формулы. М. : Наука,1983, с. 176.

16. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и -преобразования, .j- М.: Наука, 1971, с. 288.

17. Жмудь А.Е. Гидравлический удар в гидротурбинных установках. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1953, с. 236.

18. Захаров BvK., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики. Л.: Энергоавтомиздат, 1984, с. 432.

19. Иванов В.А., Ющенко A.C. Теория дискретных систем автоматичесякого управления. М.: Наука, 1983, с. 336.

20. Иващенко H.H. Автоматические регулирование. М.: Машиностроение , 1978, с. 736.

21. Исаев Ю.М. ш др. Конструкция и системы управления гидровибраторов дяя создания низкочастотных колебаний. В кн.: Проблемы вибрационного просвечивания земяи. М.: Наука, 1977, С. I04-II4.

22. Исаев Ю.М. и др. Динамика электрогидравлического сейсмовибра-тора. В кн.: Вибросейсмические методы исследования. Новосибирск, СО АН СССР, ВЦ, 1981, с. 18-20.

23. Исаев Ю.М., Квашнин А.И., Рыбаков В.Н. Разработка гидроакустического излучателя электрогвдравлического типа. В кн.: Новое в проектировании и эксплуатации автоматических приводов и систем гидроавтоматики. Л.: ЛДНИ1, 1984, с. 85-89.

24. Исаев Ю.М., Буров Н.В. Новые разработки возбудителя вибраций гидравлического истовдика сейсмических сигналов. В кн.: Новое в проектировании и эксплуатации автоматических приводов и систем гйдроавтоматики. Л.: ЛДНТП, 1985, с. 13-15.

25. Кадымов Я.Б. Переходные процессы в системах с распределенными параметрами. М.: Наука, 1968, с, 192.

26. Карпов М.Я. Особенности пластического формоизменения металла в условиях вибрационного нагружения. В кн.: Применение вибраций для интенсификации процессов штамповки / Материалы семинара. М.: МДНТП, 1961, с. 3-26.

27. Квашнин А.И., Рыбаков В.Н. Стенд для исследования электрогидравлических широкополосных вибровозбудителей. В кн.: Гидравлические машины и средства гидроавтоматики. Пермь, 1984, с. 50-53.

28. Корн Т., Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1984, с. 832.

29. Коробочкин Б.Л. Динамика гидравлических систем станков. М.: Машиностроение, 1976, с. 240.

30. Лаптев Ю.Н. Гидросистемы высоких давлений. М.: Машиностроение, 1973, с. 152.

31. Льюис Э., Стерн X. Гидравлические системы управления. М.: Мир, 1966, с. 407.

32. Матвеев И.Б. Гидропривод машин ударного и вибрационного действия. -М.: Машиностроение, 1974, с. 183.

33. Мелик-Гайсанов В.И. и др. Шаговый гидравлический сервопривод и перспективы его применения в подъемно-транспортных 'машинах. В кн.: Научные труды № I ВНИИГПМаш, 1973, вып. 4, с. 3-14.

34. Мелик-Гайсанов В.И. и др. Расчет переходных процессов в объемном гидроприводе при многоступенчатом управляющем воздействии. В кн.: Труды МАДИ. Гидропневмоавтомшгика и гидропривод. М., 1974, вып. 74, с. 86-96.

35. Мелик-Гайсанов В.И. и др. Четырехтактный шаговой гидравлический сервопривод для управления регулируемым насосом. В кн.: Труды МАДЙ. М., 1977, вып. 10. с. 8

36. Мертаф С.А. Введение в теорию электрогидравлического сервомеханизма с управлением по ускорению, работающего в режиме переключения. В кн.: Вопросы ракетной техники, 1961, № 2, с. 74-95.

37. Могедович Е.М. Гидравлические импульсные системы. Л.: Машиностроение, 1977, с. 216.

38. Мруз А. Разработка метода расчета оптимальных параметров пневмогидроаккумуляторов для напорных линий сейсмовибратора с учетом нестационарных процессов.: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л., 1983, с. 16.

39. Навроцкий К.Л. Анализ падения давления в гцдросистеме при включении распределительного золотника. В кн.: Гидропривод и гидропневмоавтоматика. Киев, 1969, вып. 5, с. 33-41.

40. Навроцкий К.Л., Ромашкин М.Б. Импульсная система управления гидроприводом механизма подъема крана. В кн.: Научные труды, № I, ВНИИПТМаш. М., 1973, вып. 4, е. 15-28.

41. Навроцкий К.Л. и др. Шаговой гидропривод с трехтактным электрогидравлическим коммутатором и дифференциальным шаговым гидроцилиндром. В кн.: Труды МАДИ. Гидропневмоавтоматика и гидропривод. М., 1974, вып. 74, с. 51-65.

42. Навроцкий К.Л., Степанов А.И. Экспериментальное исследование- Азгшагового гидропривода, построенного на унифицированных блоках, В кн.: Труды МАДЙ, Гидропневмоавтоматика и гидропривод, М., 1974, вып. 74, с, 66-72.

43. Навроцкий К.Л. Определение дискретной передаточной функции шагового гидродвигателя.- В кн.: Вестник машиностроения, 1975, № 3, с.

44. Навроцкий К.Л. Конструирование шаговых гидродвигателей нового типа, В кн: Вестник машиностроения, 1976, № I, с. 38-41,

45. Погорелов В.И., Ткжев B.C. Гидропривод и автоматика. Л,: СЗПИ, 1968, с. 432.

46. Посохин Г.Н. Дискретное управление электрогидравлическим приводом. -М.: Энергия, 1975, с.

47. Прокофьев В.Н. и др. Исследование объемно-гидравлического привода с широтно-импульсным управлением. В кн.: Известия ВУЗов. Машиностроение, 1976, № I, с.

48. Романчиков Б.Ф., Камыкова Л.Н. Итоги науки и техники. Гидравлические системы управления в машиностроении. М.: Машиностроение, 1980, т. 7, с, 183.

49. Ротач В.Я. Импульсные системы автоматического регулирования.-М.-Л.: Энергия, 1964,. с. 224.

50. Рыбаков В.Н. Исследование гидравлической системы сейсмовиб-ратора.: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л.; 1982,с. 16,

51. Савамура Т., Ханафуза X., Унуи Т. Исследование электрогидравлического сервомеханизма, управляемого по методу ШИМ. Вкн.: Труды I конгресса ИШАК. Технические средства автоматики. М.: АН GCCP, 1961, с. 50I-5II.

52. Сизов E.G., Грач В.Н. Штамповка деталей из листа с применением вибрации, В кн.: Применение вибраций для интенсификации процессов штамповки / Материалы семинара. М.: МДНТП,1961, с. 31-52.

53. Симон В. Применение гидравлического сервомеханизма с переключением по ускоренш в управляемых ракетах ВМФ США. В кн.: Вопросы ракетной техники, 1963, № 6, с. 47-56.

54. Слепов Н.Н., Дроздов Б.В. Широтно-имцульсная модуляция. М.: Энергия, 1978, с. 192.

55. Сосонкин В.Л. Исследование гидравлической релейной следящей системы и возможности ее применения в копировальных устройствах металлорежущих станков.: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1964, с. 16.

56. Сосонкин В.Л. Дискретная гидроавтоматика. М.: Машиностроение, 1972, с.

57. Сосонкин В.Л. Передаточная функция и переходный професс гидравлического двигателя с учетом волновых процессов в магистралях. В кн.: Машиноведение, 1972, № 6, с.

58. Сосонкин В.Л. Расчет параметров цифрового электрогидравлического следящего привода. В кн.: Вестник машиностроения, 1973, № 5, с. 28-31.

59. Сосонкин В.Л. Дискретное регулирование скорости силовых гидромеханизмов. В кн.: Известия ВУЗов. Машиностроение, 1973, № 5, с.

60. Сосонкин В.Л. Разработка основ теории и техники и экспериментальные исследования систем дискретной гвдроавтоматики металлорежущих станков.: Автореф. дис. . доктора техн. наук. М., 1973, с. 31.I

61. Сосонкин В.Л. Исследование условий отсутствия периодических режимов в силовой электрогвдравлической следящей системе с цифровым двигателем. В кн.: Вестник машиностроения, 1974, № I, с.

62. Сосонкин В.Л. Гидравлические цифровые исполнители, В кн.:4ZH

63. Машиностроение, 1974, № I, с.

64. Сосонкин В.Л. Электрогидравлические цифровые исполнительные двигатели е оптимальными кодами в приводах с программным управлением. В кн.: Станки и инструмент, 1976, № I, с.

65. Тарко Л.М. Волновые процессы в трубопроводах гидромеханизмов. М.: Машгиз, 1963, с. 184.

66. Тарко Л.М. Системы гидропривода с сосредоточенными и распределенными параметрами. В кн.: Вестник машиностроения, 1973, № I, с.

67. Переходные процессы в гидравлических механизмах. М,: Машиностроение, 1973, с. 168.

68. Трифонов О.Н., Богдан В.А. Графическое исследование формирователей гидравлических импульсов. В кн.: Гидравлические системы металлорежущих станков. М., 1978, вып. 3, с. 150-157.

69. Фокс-Д.А. Гидравлический анализ неустановившегося течения в гидроприводах. М.: Энергоиздат, 1981, с. 248.

70. Хохлов В.А. Электрогидравлический следящий привод. М.: Наука, 1971, с. 432.

71. Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. М.: Физмат-гиз, 1963, с. 968.

72. Чарный И.А., Розенберг Г.Д. Приложение в книге Л.Бержерона: От гидравлического удара в трубах до разряда в электрической сети. М.: Машгиз, 1962, с.

73. Чарный И.А. Неустановившееся движение реальной жидкости в трубах.-М.: Недра, 1975, с. 224.

74. Bakke W. Stand, und Tendenzen bei hydraulischen und pneumatischen Antrieben für den Maschinenbau. VDI-Z, 1981, N 10, S. 429-436.

75. Ehrat M. Genauer mit Servo. Fluid, 1973, N 2, S. 41-43.

76. Huiduser E, Hydraulik-Entwicklung und Tendenzen. Technika, 1980, N 8. S. 601-605.

77. Littmann K. Servohydraulischer Positionierregelkreis mit Mikrorechner. 3. Fachtagung Hydraulik und Pneumatik. Vortrage -Teil 1 Dresden, 1979, S. 97-104.

78. Littmann K. Leistungsfähiger Mikrorechnergesteuerte Servoantrieb. 4. Fachtagung Hydraulik und Pneumatik. Vortrage -Teil 1 Magdeburg, 1981, S. 15-22.

79. Littmann K. Varianten zur Ansteuerung von Servoventilen durch Mikrorechner. 5. Fachtagung Hydraulik und Pneumatik. Vortrage Teil 2 Dresden, 1983, S. 199-207.

80. Autorenkollektiv. Hydraulik und Pneumatik, 1975, S. 328.

81. Rub F. Impulshydraulik eine Neuheit in der Vibrotechnik. Technische Rundschan, 1979, N 35, S. 37-44.