Обоснование рациональных параметров пневматических приводов исполнительных механизмов железнодорожного транспорта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат технических наук Зайцева, Наталья Александровна

• Зайцева, Наталья Александровна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зайцева, Наталья Александровна

Введение.

Глава 1. Обзор научно-исследовательских работ и литературы, цели и задачи исследования.

1.1. Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований пневматических приводов исполнительных механизмов железнодорожного транспорта.

1.2. Характеристика позиционных пневматических приводов исполнительных механизмов железнодорожного транспорта.

1.3. Математические модели пневмодвигателей, используемых в позиционных пневматических приводах, методика расчета динамических процессов в них.

1.4. Выводы из обзора литературы, уточнение цели и постановка ф задачи.

Глава 2. Исследование динамических процессов в пневматических приводах исполнительных механизмов железнодорожного транспорта.

2.1. Реализация математических моделей пневмодвигателей на ЭВМ.

2.2. Анализ влияния параметров позиционных пневмоприводов исполнительных механизмов на динамические процессы в них.

2.3 .Выводы.

Глава 3. Обоснование рациональных параметров позиционных пневматических приводов на основе пространственных номограмм.

3.1. Критерии выбора параметров позиционных пневматических приводов исполнительных механизмов железнодорожного транспорта.

3.2. Определение рациональных параметров пневмоприводов исполнительных механизмов железнодорожного транспорта с позиции достижения приводом установившейся скорости. тельных механизмов выправочно- подбивочно-рихтовочных машин с позиции получения режима автоторможения.

3.4. Основные положения методики выбора параметров позиционных пневматических приводов на основе пространственных номограмм.

3.5. Выводы.

Глава 4. Оценка достоверности результатов машинных экспериментов по исследованию динамики позиционных пневматических приводов исполнительных механизмов железнодорожного транспорта.

4.1. Сравнение результатов моделирования динамических процессов в пневматических приводах в системе MatLAB 6 с результатами моделирования в других системах.

4.2. Сравнение результатов машинных и физических экспериментов по исследованию динамических процессов в пневматических приводах.

4.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование рациональных параметров пневматических приводов исполнительных механизмов железнодорожного транспорта»

Выбор типа привода механизма или машины определяется при решении следующих проблем: характера загрузки привода, кинематики перемещения, скорости рабочего органа, условий эксплуатации, механических воздействий, ресурсов и экономичности [36]. В современных исполнительных механизмах железнодорожного транспорта для осуществления движений рабочих органов применяют гидро-, пневмо- и электроприводы и их комбинации. Исполнительные механизмы с пневмоприводами отличаются простотой конструкции, обслуживания и эксплуатации, надежностью и долговечностью работы, функциональной гибкостью, низкой стоимостью, а также возможностью работы в агрессивных средах, взрыво-, пожаро- и влагоопасных условиях. Пневматический привод по удельной мощности силовых частей имеет преимущество перед гидроприводом при мощностях до 700 -800 Вт и перед электроприводом при мощностях свыше 50 - 100 Вт. Пневматический привод во всем диапазоне мощностей имеет преимущество по удельной стоимости перед гидравлическим и электрическим приводами [17, 23]. В сравнении с гидроприводами достоинства пневмопривода состоят в более низких требованиях к уплотнениям, отсутствии загрязнения окружающей среды, больших скоростях движения выходного звена. Однако пневмоприводы обладают большей неравномерностью движения, инерционностью, меньшей энергоемкостью и большими габаритными размерами при одинаковой мощности с гидроприводом. От электропривода пневмоприводы отличаются возможностью воспроизведения линейных и поворотных движений без преобразующих механизмов, большей удельной мощностью, а также стойкостью к перегрузкам. При этом скорость срабатывания и максимальная выходная мощность пневматических исполнительных двигателей, питаемых от пневмомагистралей с давлением от 0,4 до 0,6 МПа, меньше. Пневмоприводы более чувствительны к изменению нагрузки и давления, сжимаемость воздуха не обеспечивает стабильности скорости, фиксации рабочих органов в промежуточных положениях, требует демпфирования выходного звена в конце хода, что обусловило применение пневмопривода в приводах с позиционированием по переставным или непереставным упорам, которые относятся к малоточечным позиционным приводам. К недостатками пневмопривода можно отнести большие габаритные размеры из-за малых давлений рабочей среды, пониженный КПД (0,15 - 0,2).[17, 48]

Одними из областей применения пневматического привода на железнодорожном транспорте являются приводы рабочих органов путевых машин и приводы степеней подвижности промышленных роботов-манипуляторов, применяемых на предприятиях-изготовителях железнодорожного транспорта.

В промышленных роботах (ПР) пневматический привод обычно выбирают при наличии централизованной пневмосети и сравнительно несложных технологических требованиях, когда не требуется промежуточное позиционирование звеньев робота, при потребляемой мощности 60 — 800 Вт [37]. Наиболее широкое применение пневмопривод получил в конструкциях упрощенных ПР грузоподъемностью до 20 кг (около половины отечественных моделей роботов оснащены пневмоприводом). К недостаткам ПР с позиционным пневмоприводом можно отнести необходимость применения при организации робототехни-ческих комплексов конструктивно сложных и трудоемких в изготовлении подающих и приемо-передающих устройств, которые должны обеспечивать ориентированную подачу заготовок или полуфабрикатов для их захвата ПР [2, 4, 17, 30].

Пневматический привод как привод исполнительных механизмов на путевых машинах (ПМ) не получил такого широкого распространения, как в робототехнике, что связано с большими усилиями на рабочих органах ПМ и свойствами энергоносителя привода. Тем не менее пневмопривод применяют на вы-правочно-подбивочно-рихтовочных машинах, снегоочистителях, снего- и зем-леуборочных машинах, путевых стругах, путеизмерителях, рельсошлифоваль-ных поездах. Пневмопривод на ПМ используется для приведения в рабочее или транспортное положение рабочих органов машины, подачи звукового сигнала и приведения в действие тормозов [14, 36].

При исследовании динамических процессов в пневматическом приводе совместно решают уравнения движения их рабочих органов и уравнения термодинамики, описывающих поведение рабочего тела (сжатого воздуха) привода. Т.е. при расчете пневмоприводов применяются как методы теории механизмов с твердыми звеньями, так и методы термо- и газодинамики. Динамика пневматических приводов в общем случае описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений (ДУ), которые могут быть решены только численными методами. Поэтому в зависимости от постановки задачи пользуются следующими подходами. Для малоточечных позиционных (далее в тексте - позиционных) пневмоприводов, выходное звено которых совершает движение от одного жесткого упора до другого, методика выбора параметров может быть построена на основании обработки большого числа численных решений уравнений динамики. Для контурных и многоточечных позиционных пневматических приводов пользуются традиционными для теории автоматического управления методами, основанными на анализе решений линеаризованной системы уравнений. В обоих случаях целесообразен переход к безразмерным зависимостям, что позволяет получить обобщенные рекомендации [11, 28].

В настоящее время выбор параметров позиционных пневмоприводов осуществляется путем расчета большого числа различных вариантов привода и затем выбора из них наиболее подходящего по заданным критериям. Но методики поиска нужного варианта привода из рассчитанных вариантов как таковой не существует, недостаточно исследованы динамические процессы непосредственно в пневмоприводах ПР и ПМ, к которым на данный момент предъявляются достаточно высокие требования по надежности, массогабаритным и энергетическим показателям, быстродействию, по обеспечению безостановочной работы. Эти требования связаны с тем, что от качества работы пневмопривода напрямую зависит производительность ПМ или робота и, следовательно, участка производства, составной частью которого они является.

Целью настоящей работы является определение рациональных параметров пневматических приводов исполнительных механизмов железнодорожного транспорта с позиций достижения приводом установившейся скорости и получения режима автоторможения.

Для достижения поставленной цели было исследовано и установлено влияние параметров позиционных пневмоприводов ПМ и ПР на динамические процессы в них (рассмотрено влияние безразмерных и физических параметров), была разработана и применена для расчета силовых пневмоприводов ПР и пневматических приводов выправочно-подбивочно-рихтовочных ПМ методика выбора рациональных параметров пневматических приводов на основе пространственных номограмм. Расчеты проводились с применением современной системы компьютерной математики MathLAB 6, в среде которой были написаны программы для моделирования динамических процессов в пневматических двигателях различных типов и программы для определения рациональных параметров позиционных пневматических приводов. Полученные в работе результаты могут быть использованы при проектировании новых и модернизации уже существующих пневматических приводов исполнительных механизмов железнодорожного транспорта.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Зайцева, Наталья Александровна

Общие выводы.

1. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение в среде MathLAB 6 позволяют моделировать динамические процессы в пневматических приводах различных типов (двусторонних с начальным перепадом давления и без, односторонних дифференциальных и с возвратной пружиной).

2. Установлено влияние конструктивных параметров силовых пневмоприводов ПР и пневматических приводов выправочно-подбивочно-рихтовочных машин на вид и длительность динамических процессов в этих приводах.

3. Проведенные исследования позволили установить, что время прямого хода рассматриваемых в работе приводов уменьшается при увеличении значений: коэффициента пропускной способности линий связи Q21, магистрального давления рм, диаметров входного dj и выходного d2 отверстий. Время прямого хода увеличивается при увеличении: относительной нагрузки конструктивного

• коэффициента N, отношения площадей торцов поршня П2Ь перемещения s, площади поршня со стороны рабочей полости Fj.

4. На основании математического моделирования и анализа взаимовлияния конструктивных параметров установлено, что наибольшее влияние на скорость поршня и время прямого хода рассматриваемых в работе приводов оказывают следующие параметры: относительная нагрузка конструктивный коэффициент N, коэффициент пропускной способности линий связи Q2J, отношение площадей торцов поршня П2Ь площадь поршня F1, площадь выходного отверстия f2. Влияние начальных объемов рабочей V0i и выхлопной Vo2 полостей, массы подвижных частей привода ш, результирующей силы Р на время прямого хода в рассматриваемых приводах незначительно. На характер динамических процессов наибольшее влияние оказывают: конструктивный коэффициент N, рабочий ход s, масса подвижных частей привода ш, начальные объемы рабочей Voi и выхлопной V02 полостей, результирующая сила Р и ее составляющие.

5. Для силовых пневмоприводов ПР и пневматических приводов выправочноподбивочно-рихтовочных машин найдены значения конструктивных параметров, исходя из условия достижения приводом установившейся скорости за время движения поршня на величину рабочего хода. Были определены рациональные значения конструктивного коэффициента N и отношения площадей торцов поршня П2] для различных режимов работы приводов. При относительной нагрузке % от 0,1 до 0,3 и П21=0,75.1 (х равной от 0,1 до 0,2 при П21=1. 1,5) рационально выбирать значения конструктивного коэффициента N меньше 1,0. 1,5. Если привод работает при значениях относительной нагрузки в интервале 0,4.0,7, то любые значения конструктивного коэффициента N в интервале от 0,1 от 2,5 и значения отношения площадей торцов поршня П2] в интервале от 0,75 до 1,5 будут рациональными для рассматриваемых приводов.

6. По результатам определения значений конструктивных параметров пневматического привода выправочно-подбивочно-рихтовочной машины для стрелок и пути ВПРС-500, при которых обеспечивается режим автоторможения, были внесены изменения в пневматическую схему машины.

7. По результатам проведенных исследований разработана методика выбора рациональных параметров пневматических приводов на основе пространственных номограмм.

8. Полученные при математическом моделировании результаты в виде пространственных номограмм и контурных графиков могут быть использованы при проектировании пневматических приводов исполнительных механизмов железнодорожного транспорта для определения вида динамических процессов и времени прямого хода tnp.

9. Отклонение результатов расчетов по программам в среде СКМ MathLAB 6 от результатов экспериментальных исследований пневматических приводов и результатов расчетов динамических процессов в других программных средах составляет от 0,5 до 16 %.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зайцева, Наталья Александровна, 2005 год

1. Айрапетян А.С. Повышение быстродействия исполнительных механизмов (пневмоприводов) промышленных роботов и других средств механизации лис-тоштамповочного производства. Дис.кант. техн. наук - М., 2000. — 164с.

2. Алексеев А.П., Степанов В. П. Промышленный робот «Универсал-15»: Устройство, наладка, обслуживание. — М.: Машиностроение, 1990. 96с.

3. Белянин П.Н. Кинематические схемы, системы и элементы промышленных роботов. -М.: Машиностроение, 1992.- 192с.

4. Белянин П.Н. Промышленные роботы и их применение: Робототехника для машиностроения. 2 изд. М.: Машиностроение, 1983. - 311с.

5. Выжигин А.Ю. Исследование и повышение быстродействия пневматического привода промышленного робота и других автоматизирующих устройств для листовой штамповке. Дис.канд. техн. Наук. М., 1996. - 201с.

6. Вязгин В.А., Федоров В.В. Математические методы автоматизированного проектирования: Уч. пособие для втузов. -М.: Высшая школа, 1989. 184с.

7. Герц Е.В. Динамика пневматических систем машин. — М.: Машиностроение, 1985.-256с.

8. Герц Е.В. Пневматические приводы. Теория и расчет. М.: Машиностроение, 1969. -360с.

9. Герц Е.В., Крейнин Г. В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие. — М.: Машиностроение, 1975. 272с.

10. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Динамика пневматических приводов машин-автоматов. М.: Машиностроение, 1964. - 236с.

11. Гидравлические и пневматические приводы промышленных роботов и автоматических манипуляторов. Под ред. Крейнина Г.В. М.: Машино-строение, 1993.-304с.

12. ГОСТ 15608-81. Пневмоцилиндры поршневые. Технические условия.

13. ГОСТ 26059-89. Роботы промышленные. Пневмодвигатели исполнительных устройств.

14. Данилкин Д.И. и др. Устройство и эксплуатация рихтовочных и выправоч-ных машин: Учебник для ср. проф.-техн. училищ ж.-д. трансп. / И.Е.Данилкин, А.И.Башарин, К.Б.Ершова; Под ред. И.Е.Данилкина. М.: Транспорт, 1986. -205с.

15. Дзюбандовский К.А. Пневматические приспособления. Проектирование и эксплуатация. JL: Машиностроение, 1969. - 144с.

16. Дьяконов В. MATLAB 6: учебный курс СПб.: Питер, 2001. - 592с.

17. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы. Справочник. — М.: Машиностроение, 1988.-392с.

18. Колчинский Ю.Л., Дудко Г.Д. Устройство и монтаж смазочных, гидравлических и пневматических систем общепромышленного назначения. М.: Высшая школа, 1988.-239с.

19. Кудрявцев А.И., Пятиведерный А.П., Рагулин Е.А. Монтаж, наладка и эксплуатация пневматических приводов и устройств. — М.: Машиностроение, 1990. -208с.

20. Кудрявцев А.И. и др. Пневматические силовые приводы и СУ. — М.: НИИ-МАШ, 1966.-56с.

21. Лазарев Ю.Ф. MatLAB 5.x.- Киев: Издательская группа BHV, 2000. 384с.

22. Малахов М.В. и др. Монтаж, наладка, эксплуатация и ремонт промышленных роботов. М.: Металлургия, 1989. - 224с.

23. Машина выправочно-подбивочно-рихтовочная ВПР-02: Техническое описание 1023.00.00.000 ТО и инструкция по эксплуатации 1023.00.00.000 ИЭ/

24. Министерство путей сообщения РФ. Центральное конструкторское бюро тяжелых путевых машин. — М.: Транспорт, 1995. 415с.

25. Машина выправочно-подбивочно-рихтовочная для стрелок и пути ВПРС-500. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 95.00.00.000/ Министерство путей сообщения РФ. М.: Транспорт, 1991. - 374с.

26. Морачевский B.JI. Многоступенчатый привод для автоматических устройств. -М.: Машиностроение, 1966. 116с.

27. Навроцкий K.JI. Моделирование и динамический расчет на ЭВМ гидро- и пневмоприводов. Часть 3. Учебное пособие. М.: МАДИ (ГТУ), 2001 - 133с.

28. Новые путевые машины: (Подбивочно-выправочные и рихтовочная ВПР-1200, ВПРС-500 и Р-2000)/ Ю.П.Сырейщиков, Е.С.Дмитриев, Е.А.Лукин, А.К.Селищев; Под ред. Ю.П.Сырейщикова. М.: Транспорт, 1984. — 317с.

29. Пашков В.М. Промышленный робот «Циклон 5»: Устройство, наладка, обслуживание. М.: Машиностроение, 1988. - 80с.31 .Пневматические приводы и СУ. Сборник. Под общ. ред. Е.В. Герц М.: Наука, 1971.-298с.

30. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник. Под ред. Герц Е. В. -М.: Машиностроение, 1981. -408с.

31. Проектирование и разработка промышленных роботов. Анишин С.С., Бабич А.В. и др. Под общей ред. Шифрина Я.А., Белянина П.Н. М.: Машиностроение, 1989. 272с.

32. Промышленные роботы в машиностроении. Альбом схем и чертежей: Учебное пособие для технических вузов. Под ред. Соломенцева Ю.М. М.: Машиностроение, 1986. - 140с.

33. Промышленные роботы, манипуляторы и комплектующие изделия к ним: Каталог. М.: ВНИИТЭМР, 1991. - 84с.

34. Путевые машины: Учебник для вузов ж.-д. транс./С.А.Соломонов, М.В.Попович, В.М.Бугаенко и др. Под ред. С.А.Соломонова. — М.: Желдориз-дат, 2000. 756с.

35. Рапопорт Г.Н., Солин Ю.В. Применение промышленных роботов. М.: Машиностроение,1985. - 272с.

36. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. Кн. 2. Приводы робототехнических систем: Учебное пособие для втузов. Под ред. Макарова И.М. — М.: ВШ, 1986. 175с.

37. Робототехнические системы и комплексы: Учеб. пособие для вузов. Под ред. И.И. Мачульского. — М.: Транспорт, 1999. 446с.

38. Снегоочистители двухпутные плужные СДП и СДП-М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 1087.00.00.000 ТО. М.: Транспорт, 1978. -57с.

39. Слюсарев А.Н. Гидравлические и пневматические элементы и приводы промышленных роботов: Учебник для техникумов по специальности «Эксплуатация промышленных роботов». -М.: Машиностроение, 1989. 168с.

40. Структура и элементная база пневмоприводов ГПС, промышленных роботов и других объектов автоматизации. Методические рекомендации. — М.: ВНИИТЭМП, 1987.-33с

41. Сырицын Т.А. Надежность гидро- и пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1982.-216с.

42. Теклин В.Г. Путевые струги, снегоочистители, уборочные машины: Уч. для проф.-техн. училищ. М.: Транспорт, 1986. - 232с.

43. Трифонов О.Н. и др. Приводы автоматизированного оборудования: Учебник для машиностроительных техникумов. — М.: Машиностроение, 1991. 336с.

44. Уайлд Д. Оптимальное проектирование: Пер. с англ. -М.: Мир, 1981. -272с.

45. Филипов И.Б. Тормозные устройства пневмоприводов. — Д.: Машиностроение, 1987.- 143с.

46. Шеногин М.В. Высокоскоростные адаптивные пневматические приводы технологических машин. Дис. Владимир, 2000. 240с.

47. Шеногин М.В., Угорова С.В. Проблемы энергосбережения в пневмоприводах. «Энерго- и ресурсосбережение — 21 век.» Материалы первой региональной научно-практической интернет-конференции. Орел, июнь-июль 2001.

48. Эксплуатация пневматических устройств и систем. Методические рекомендации. М.: НИИМАШ, 1980. - 37с.

49. Эксплуатация пневмоприводов ГПС, роботов и других машин. Методические рекомендации. М.: ВНИИТЭМП, 1987. - 35с.

50. Юревич Е.И. Основы робототехники: Учебник для вузов. Д.: Машиностроение, 1985. - 271с.

51. Юревич Е.И. и др. Устройство промышленных роботов. — Д.: Машиностроение, 1980.— 333с.

52. В. Chadwick. Design and simulate air circuits on your PC. Hudraulics & Pneumetics. February 1997.

53. Fleischer H. Stop oversizing pneumatic components-Machine design, June, 1999.

54. Cilinders are workhorses of linear motion. Hydraulics & Pneumatics, May, 1999.

55. Newhart M. P. Spring-return cylinders not as simple as you think. Hydraulics & Pneumatics, March, 1999.