Разработка динамических математических моделей силовых оболочковых бесштоковых пневмоцилиндров толкающего типа с учетом динамики сжатого газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат наук Чернусь, Павел Павлович

• Чернусь, Павел Павлович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Чернусь, Павел Павлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ..........................................................5

1. ИДЕНТИФИКАЦИЯ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВОГО ОБОЛОЧКОВОГО БЕСШТОКОВОГО ПНЕВМОЦИЛИНДРА ТОЛКАЮЩЕГО ТИПА НА ОСНОВЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ПОДХОДА.........26

1.1. Аналитическое представление зависимостей, описывающих геометрические параметры СОБПЦ толкающего типа при изменении его продольного размера.................................................................................................26

1.2. Аналитическое представление зависимостей, описывающих изменение усилия СОБПЦ при изменении его продольного размера.................31

1.3. Аналитическое представление зависимостей, связывающих величину относительного сокращения СОБПЦ с изменением давления...........35

1.4. Некоторые особенности определения статических характеристик для СОБПЦ двустороннего действия......................................................................38

Выводы по главе 1...........................................................................................41

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИЛОВОЙ ЧАСТИ СИЛОВОГО ОБОЛОЧКОВОГО БЕСШТОКОВОГО ПНЕВМОЦИЛИНДРА ТОЛКАЮЩЕГО ТИПА С УЧЕТОМ ОСОБЫХ СВОЙСТВ СЖАТОГО ГАЗА..................................43

2.1. Основные газодинамические зависимости, учитывающие течение газов и действие сил в СОБПЦ................................................................................43

2.2. Линеаризация динамической математической модели СОБПЦ одностороннего действия невозвратного типа.......................................................45

2.2.1. Принятые допущения и ограничения...........................................45

2.2.2. Линеаризация выражения (21а).....................................................49

2.2.3. Линеаризация выражения (27Ь).....................................................51

2.2.4. Линеаризация выражения (27с).....................................................55

2.2.5. Линеаризация выражения (21 ё).....................................................61

2.3. Линеаризованная динамическая математическая модель СОБПЦ одностороннего действия невозвратного типа.......................................................61

2.4. Линеаризованная динамическая математическая модель СОБПЦ двустороннего действия...........................................................................................64

Выводы по главе 2...........................................................................................65

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ..........................................................67

3.1. Цели эксперимента, краткое описание экспериментального стенда.. ................................................................................................................67

3.1.1. Характеристики силового оболочкового элемента.....................70

3.1.2. Характеристики чувствительного элемента................................71

3.1.3. Характеристики пропорционального регулятора давления.......72

3.1.4. Характеристики нагружающего ПЦ....,........................................75

3.2. Логарифмические амплитудно-частотные характеристики толкающего СОБПЦ одностороннего действия невозвратного типа при различных режимах его работы...............................................................................76

3.3. Получение и сопоставление экспериментальных ЛАЧХ толкающего СОБПЦ одностороннего действия невозвратного типа с теоретическими результатами.................................................................................78

Выводы по главе 3...........................................................................................83

4. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА СИЛОВЫХ ОБОЛОЧКОВЫХ БЕСШТОКОВЫХ ПНЕВМОЦИЛИНДРАХ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ......................................................................................85

4.1. Вибратор вибростенда.........................................................................85

4.1.1. Некоторые сведения о вибростендах............................................85

4.1.2. Исходные данные для расчета вибратора вибрационного стенда. ...........................................................................................................87

4.1.3. Схема расположения силовых оболочковых элементов и выбор комплектующих элементов..................................................................................88

4.1.4. Динамический синтез системы управления вибратором

вибрационного стенда...........................................................................................91

4.2. Устройство запрещения проезда с накладкой..................................96

4.2.1. Некоторые сведения об устройствах запрещения проезда........96

4.2.2. Исходные данные для расчета привода устройства запрещения проезда ...........................................................................................................99

4.2.3. Схема расположения силовых оболочковых элементов и выбор комплектующих элементов................................................................................100

4.2.4. Синтез системы управления УЗП...............................................103

Выводы по главе 4.........................................................................................105

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.........................................107

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.........................................................................108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..............................................................................................113

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка динамических математических моделей силовых оболочковых бесштоковых пневмоцилиндров толкающего типа с учетом динамики сжатого газа»

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Появление новых материалов и технологий позволяет разработчикам в настоящее время направлять усилия на создание новых (нетрадиционных) силовых элементов. Это делает возможным создание оригинальных конструкции, которые могут быть применены в качестве силовых частей (СЧ) исполнительных двигателей (ИД) систем приводов (СП) линейного и углового перемещений. Это обусловлено желанием получить силовую часть ИД, обладающую более высокими техническими, эксплуатационными и экономическими показателями. В наибольшей степени этой тенденции соответствуют современные силовые оболочковые элементы (СОЭ) тянущего и толкающего действия, одним из основных разработчиков которых является фирма «.Ре^о» (ФРГ).

Большинство эксплуатируемых на сегодняшний день ИД линейного действия в качестве СЧ используют либо пневмо-, либо гидроцилиндры [1,2,3,4]. Разработка ИД на их основе сравнительно проста, в связи с простым типом конструкций и наличием достаточно полных математических моделей подобных ИД. Однако, такой классический исполнительный механизм как пневмо- или гидроцилиндр, помимо достоинств, обладает и рядом недостатков. К основным можно отнести сравнительно большую массу и трение в механизме. А высокое качество обработки внутренних поверхностей обуславливает значительную стоимость этих изделий. При этом объемные потери рабочей среды (жидкости или газа) в таких механизмах прямо пропорциональны времени их эксплуатации.

Элементами, улучшающими большинство характёристик гидравлических и пневматических ИД, могут быть такие изделия как мембраны, сильфоны, а также различные силовые оболочковые элементы (СОЭ). Рабочий ход силовых элементов упомянутых конструкций сопровождается изменением конфигурации их образующей поверхности. При этом исключается возможность утечек рабочей среды. Также могут быть улучшены динамические показатели, повышены развиваемые усилия, снижена масса и цена изделий. Такие элементы обладают высоким КПД, огромной удельной мощностью, хорошими надежностными

характеристиками, практически безынерционны. Рассмотрим эти элементы более подробно.

В ряде случаев, мембранные пневмодвигатели (см. Рисунок 1) [5] целесообразно использовать вместо пневмоцилиндров (ПЦ) с коротким ходом, применяемых в качестве ИД. Перемещение мембраны достигается за счет нагнетания рабочей среды в полость высокого давления. Возвращение мембраны в исходное состояние может осуществляться под действием собственной массы объекта управления (ОУ), либо пружиной, установленной внутри изделия.

Мембранные двигатели просты и дешевы в изготовлении, исключают протечки и трение, характерные для поршневых пневмодвигателей. Однако, вследствие действующих больших напряжений в мембране, у них существенно снижаются надежность и развиваемые мембранным пневмодвигателем усилия. Кроме того, для резиновых мембран надежность и долговечность сильно зависят от температурного режима, при котором производится работа.

Мембраны

/ иокпя мрмоппна ПпдЬод ратюч('гп тпла

Рисунок 1 — Мембранный пневмодвигатель

Чулочная мембрана фирмы «Реэ^» В ряде случаев, возникает необходимость применения элемента, обладающего большой величиной хода при сравнительно малом значении диаметра оболочки. В качестве примера, иллюстрирующего элемент с описанными характеристиками, можно привести, так называемую, чулочную мембрану, выпускаемую фирмой-изготовителем «/^¿о» (Рисунок 2).

Рисунок 2 — Чулочная мембрана фирмы «Ре^о»

Эксплуатационные характеристики, представленные в каталоге фирмы-изготовителя [6] таковы, что подобный силовой элемент с диаметром оболочки, равным 0,08 м, развивает усилие при максимальном давлении рабочей среды в 0,8 МПа до величины, равной 1,4 кН, обеспечивая при этом величину хода до 0,11м. Применяемые конструкционные материалы оболочки, позволяют эксплуатировать изделие в диапазоне температур [^0...+70]°С [6].

Сильфоны

Сильфон — упругая однослойная или многослойная оболочка с гофрированной боковой поверхностью, выполненная из металлических,

неметаллических и композиционных материалов, сохраняющая прочность и плотность при значительном количестве циклов деформации сжатия, растяжения, изгиба и их комбинаций под воздействием внутреннего или внешнего давления, температуры и механических нагружающих воздействий (см. Рисунок 3) [7].

Рисунок 3 — Сильфон

Сильфоны по сравнению с мембранами в качестве ИД применяются реже. Они, в основном, являются элементами одностороннего действия. Усилие возврата может создаваться как силами упругости самого сильфона, так и дополнительной внешней нагрузкой.

В качестве примера применения их в качестве силовых элементов, приведем сильфонный цилиндр СопйТесИ [8]. Данные сильфонные цилиндры обладают относительно большим развиваемым усилием и могут быть использованы для подъема груза или прессования, обеспечивая величину возможного хода до 0,04 м. При этом, используемые при производстве изделия конструкционные материалы, позволяют применять их в агрессивной среде при температурах, достигающих 120 °С.

Оболочки

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

В случае, если оболочка не армирована, с возрастанием давления рабочей среды внутри ее полости происходит расширение оболочки во всех направлениях, сопровождающееся возникновением распирающих усилий. В качестве примера данного типа силовых оболочковых элементов можно привести так называемые надувные подушки, выпускаемые фирмой В№и8 АС [9]. Подобные изделия могут обладать квадратной, прямоугольной или круглой формой и иметь линейные размеры от 0,1 м до 1 м. Используемые для прессования, подъемов и других операций, такие силовые оболочки позволяют достигать усилий, лежащих в диапазоне [0,2...20] кН, обеспечивая при этом величину хода от [0,045...0,5] м.

Армирование материала оболочки позволяет задать направление расширения. Такие оболочки будем называть силовыми оболочковыми элементами (СОЭ).

Силовые оболочковые элементы

Рассмотрим более подробно армированные оболочки. Боковая поверхность СОЭ представляет собой осесимметричную эластичную оболочку, армированную системой нерастяжимых нитей (НН). Торцы оболочки герметично закреплены в присоединительных элементах.

Для СОЭ характерны ограничения в изменении размеров поверхности оболочки, определяемые характером укладки НН (сетки) на ее поверхность. Во время деформации подобного силового элемента, увеличение одних линейных размеров, как правило, сопровождается уменьшением других. В случае, если армированная оболочка представляет собой осесимметричное тело, во время подачи внутрь ее избыточного давления, она развивает либо тянущие, либо толкающие усилия [10,11]. Слои НН могут располагаться как на внешней поверхности эластичной оболочки, так и внутри материала оболочки. При этом, НН могут быть уложены вдоль продольной оси СОЭ или, скрещиваясь под некоторым углом. У СОЭ может быть несколько слоев НН.

Роль армирующих слоев нитей заключается в придании СОЭ определенной формы в процессе его сокращения или удлинения, в зависимости от геометрических параметров, под действием нагнетаемого внутрь СОЭ газа под давлением. Эластичная оболочка, закрепленная определенным образом в присоединительных фланцах, обеспечивает герметичность полости СОЭ.

Современные СОЭ можно разделить на два основных типа - тянущие и толкающие. Одном из основных разработчиков таких СОЭ является фирма-изготовитель «/^¿о». К ним относятся баллонный цилиндр (БЦ) [6] и пневматических мускул (ПМ) [12]. К СОЭ, производимым фирмой "Пневмотроника" (РФ), — механическая мышца (ММ) [13]. Принцип действия работы этих элементов во всех трех случаях схожий, различие заключается лишь в технической реализации. Во всех трех разработках рабочей средой является сжатый воздух.

Принцип работы подобных СОЭ весьма прост - внутри силового элемента создается избыточное давление газа, создающее силу, действующую на торцы

СОЭ и армированную оболочку. Силу Гсоэ, развиваемую СОЭ, можно представить в виде соотношения:

П — I р _ и I _ р

ГСОЭ |Гоб фл I ГПОТ'

где Роб - сила, действующая на присоединительные элементы со стороны оболочки;

.РфЛ - сила, действующая со стороны присоединительных фланцев СОЭ; ^пот - потери развиваемой силы, направленные на поддержание конфигурации оболочки в деформированном состоянии.

В первую очередь на упомянутые выше составляющие развиваемой силы Рсоэ влияют конструктивные особенности СОЭ. Силу, действующую на присоединительные фланцы Рфл, можно найти из выражения [14]:

И2

фл

^фл = Р71 —

где ¿/фЛ - текущее значение внутреннего диаметра присоединительного фланца СОЭ.

Из данного выражения видно, что усилие, создаваемое силой давления на торцы присоединительных элементов тем больше, чем больше их внутренний диаметр СОЭ. Поэтому СОЭ, с большим диаметром присоединительных фланцев, в которых длина оболочки СОЭ /соэ сравнительно мала, развивают толкающие усилия, и, наоборот, - при условии 1С0Э»с1с0Э, СОЭ развивают тянущие усилия. Разработки фирмы «Рея/о» — БЦ и ПМ соответственно являются примерами подобных реализаций.

Баллонный цилиндр фирмы «/<£$¿0»

Рассмотрим более подробно БЦ фирмы-изготовителя «Ре^о». Ввиду своей конструкции БЦ является СОЭ «толкающего» типа. На Рисунке 4 приведены изображения внешнего вида данного СОЭ. Разрез данного СОЭ представлен на Рисунке 5. Из Рисунка 6 видны его возможные температурные исполнения.

Нижняя крышка без подвода воздуха

а) б)

Рисунок 4 — Баллонный цилиндр фирмы

а) двухсекционный БЦ;

б) односекционный БЦ

Верхняя крышка с подводом воздуха

Кромка с металлическим кордом

Внешнее резиновое покрытие

Укрепление слоев

Внутренее покрытие -•

Рисунок 5 — Разрез баллонного цилиндра фирмы «Рея/о»

ограниченное применение

Рисунок 6 — Температурные исполнения баллонных цилиндров фирмы «Festo»: NR - стандартное исполнение (натуральный каучук); CR - повышенное температурное исполнение (хлоропреновый каучук); ECO - высокотемпературное исполнение (эпихлоргидриновый каучук)

В качестве примера, иллюстрирующего технические показатели БЦ, в Таблице 1 приведем характеристики БЦ ЕВ-145-60 фирмы «Festo», заявленные производителем [11].

Таблица 1.

Внешний диаметр 0,145 м

Ход 0,06 м

Минимальная высота установки 0,05 м

Максимальная высота установки 0,11 м

Рабочий диапазон давлений 0..Д8 МПа

Рабочий диапазон температур -40...+70 °C

Масса изделия 0,9 кг

Эффективная сила при 0,6МПа 3,5 кН

Благодаря относительно большим развиваемым усилиям, сферой применения БЦ является фиксирование деталей. Ввиду гибкости оболочки, для подобного подкласса элементов также имеется возможность использовать их для управления угловыми перемещениями объекта управления (ОУ) (Рисунок 7).

Фирмой заявлено, что в таком режиме эксплуатации, БЦ могут работать под углами 15.. .20° для односекционного БЦ, и 30° - для двухсекционного БЦ.

Фирма «Ре^о» выпускает БЦ шести различных типоразмеров. На Рисунке 8 - Рисунке 10 приведены семейства статических силовых характеристик, заявленных фирмой «/^/о», для некоторых типоразмеров БЦ:

ев-145-во

i i i Н2 Н1 НЭ _н2+ [мм]__

Рисунок 8 — Семейство силовых статических характеристик БЦ фирмы «Реу/о»

типоразмера ЕВ-145-60

Н1 И' нз _И2+ [мм!_

Рисунок 9 — Семейство силовых статических характеристик БЦ фирмы «Ре^о»

типоразмера ЕВ-250-85

Рисунок 10 — Семейство силовых статических характеристик БЦ фирмы

типоразмера ЕВ-385-115

Как видно из приведенных выше графиков, силовые статические характеристики БЦ нелинейны. При малых деформациях оболочки БЦ развивает

весьма значительные толкающие усилия. БЦ имеют жесткое требование по минимальной высоте установки. Для односекционных БЦ она составляет 0,05 или 0,055 м. Превышение максимальной высоты при раздувании недопустимо. Для достижения этого рекомендуется использовать упоры.

Пневматический мускул фирмы К СОЭ «тянущего» типа, производимыми фирмой-изготовителем «.Ре^о» относятся ПМ (Рисунок 11).

Рисунок 11 — Пневматический мускул фирмы

Конструкция ПМ представляет собой трубчатую эластичную оболочку, армированную системой НН, края которой герметично закреплены в присоединительных элементах (см. Рисунок 12). НН укладываются под некоторым перекрещиваясь, как показано на Рисунке 13.

Рисунок 12 — Конструкция ПМ фирмы «/-е^/о»

Рисунок 13 — Укладка нерастяжимых нитей в пневматическом мускуле фирмы

Длина оболочки ПМ может достигать 9 м. Оболочка армирована НН, образующими ромбическую сетку. При таком способе укладки нитей вместе с расширением оболочки происходит также увеличение угла между армирующими нитями, что приводит к уменьшению развиваемого ПМ усилия, и, по достижению определенного диаметра оболочки, сокращение ПМ прекращается, поскольку усилие, которое развивает оболочка ПМ, уравновешивается приложенной нагрузкой или силой, действующей со стороны торцов ПМ (см. Рисунок 14). Такой способ армирования снижает возможную величину хода, но при этом ограничивает деформацию материала оболочки и возникающие в нем напряжения, что позволяет повысить срок службы СОЭ.

Рисунок 14 — ПМ в исходном и сокращенном состоянии.

По данному элементу уже проведены многие исследования и получена достоверная динамическая математическая модель [15,16,17].

Механическая мышца фирмы «Пневмотроника» Российская фирма «Пневмотроника» предлагает механическую мышцу (ММ). На Рисунке 15 показана трех секционная ММ с диаметром оболочки 20 мм в сокращенном состоянии [18].

Рисунок 15 — Механическая мышца в сокращенном состоянии.

Основное отличие СОЭ в виде ММ от СОЭ фирмы «/^¿о» типа ПМ заключается в особенностях армирования оболочки. Для ММ осуществляется продольное армирование эластичной оболочки системой НН. Возможны варианты, когда армирование осуществляется под небольшим углом укладки НН (до 15°).

Принципиальная разница в методике армирования определяет различия в подобных СОЭ. Так, в отличие от ПМ, профиль оболочки ММ не содержит горизонтального участка.

Ограничение конструктивных размеров оболочки ММ связано с допустимой деформацией эластомера, из которого изготовлена оболочка. Очевидно, что наибольшая деформация эластомера достигается в экваториальном сечении ММ.

Предельная величина радиуса экватора оболочки ММ пропорциональна длине поверхности оболочки. Поэтому целесообразно, для ограничения деформаций, делить одну длинную оболочку на секции, как показано на Рисунке 15. Такой подход ведет к снижению развиваемых усилий СОЭ, но позволяет ограничить радиус экваториального сечения и, следовательно, уменьшить деформацию эластомера.

Фирмой-изготовителем приводится следующая информация по выпускаемым ею ММ (Таблица 2).

Таблица 2.

Параметр Величина

Рекомендуемая величина сокращения, % До 20

Диаметр армированной оболочки, м 0,02; 0,038; 0,05

Длина механической мышцы, м 0,05...0,3

В отличие от ПМ, производителем, выпускающим ММ, не приводятся силовые характеристики. Это, по видимому, связано с тем обстоятельством, что для силовых характеристик ММ, в отличие от характеристик ПМ, прослеживается еще и их зависимость от длин секций, на которые разбивается ММ.

Варианты построения силовой части ИД, выполненных на базе СОЭ

типа БЦ

Возможны различные варианты построения ИД с применением в качестве СЧ СОЭ типа БЦ. Некоторые из них приведены на Рисунке 16.

Рисунок 16 — Варианты построения ИД на СОЭ типа БЦ: а) привод подъема груза; б) привод подъема груза с возвратной пружиной;

в) дифференциальный привод поступательного действия

Наиболее простым применением СОЭ типа БЦ в ИД является подъем или фиксация груза. Усилие, развиваемое СОЭ типа БЦ, уравновешивается силой тяжести самого груза (Рисунок 16, а). На практике получил достаточно широкое применение вариант фиксирования детали, в связи с большими создаваемыми СОЭ усилиями. Также этот вариант использования БЦ рекомендуется фирмой-изготовителем.

Возможно также управление линейным перемещением с помощью СОЭ типа БЦ (см. Рисунок 16, б, в). Поскольку данный СОЭ является элементом одностороннего действия невозвратного типа, то получение двустороннего воздействия на ОУ можно достичь введением возвращающего внешнего

воздействия в СЧ ИД. В качестве такого воздействия может выступать возвратная

\

пружина (Рисунок 16, б) или дифференциальное (встречное) включение второго СОЭ (Рисунок 16, в).

Для ИД двустороннего действия с возвратной пружиной усилие, действующее на ОУ, выражается таким образом:

^ид Р"сОЭ ^пр'

где Рил - усилие, приложенное к ОУ со стороны ИД; Рсоэ - усилие, развиваемое СОЭ типа БЦ; Рпр - усилие, создаваемое возвратной пружиной.

Для ИД с дифференциальным включением СОЭ выражение для определения создаваемого усилия принимает следующий вид:

где Рсоэ! — усилие, создаваемое поднимающим СОЭ; ^соэ2 ~ усилие, создаваемое опускающим СОЭ;

Достоинства и недостатки оболочковых ИД

Среди перечисленных выше элементов СОЭ типа БЦ развивают значительные толкающие усилия при относительно небольшом перемещении ОУ. Это дает возможность рассматривать данный тип СОЭ в качестве альтернативы ПЦ с коротким ходом. В подтверждение этой возможности приведем достоинства и недостатки ИД, выполненных на СОЭ, по сравнению с ИД, базирующимися на силовых ПЦ. Их можно свести в Таблицу 3.

Таблица 3.

Достоинства Недостатки

1. Значительно большие 1. Значительно меньший диапазон

развиваемые усилия по сравнению с возможных перемещений ОУ при

ИД на базе ПЦ при одинаковом схожем диаметре внутреннего

диаметре силовых частей (особенно в сечения;

начале диапазона сокращения СОЭ). 2. Меньший температурный

2. Существенно меньшая масса. диапазон эксплуатации особенно в

3. Более высокое быстродействие области низких температур.

за счет малой массы подвижных

частей СОЭ.

4. Большой диапазон

регулирования скоростей.

5. Отсутствия эффекта

неплавности движения на ползучих

скоростях.

6. Отсутствие вязкого трения

между подвижными частями.

7. Отсутствие утечек и перетечек

(герметичность СОЭ).

8. Большая удельная мощность.

Достоинства Недостатки

9. Существенно меньшая стоимость изделия. 10. Не требует обслуживания. 11. Простота конструкции.

Таким образом, ИД, выполненные на базе СОЭ типа БЦ, обладают значительными преимуществами по сравнению с ИД, базирующимися на применении ПЦ.

Силовой оболочковый бесштоковый пневмоцилиндр Поскольку применение СОЭ невозможно без использования электропневматического дроссельного распределителя (ДР) и, принимая во внимание принцип работы исполнительного двигателя (ИД) на основе СОЭ, используем строгий технический термин - силовой оболочковый бесштоковый пневмоцилиндр (далее - СОБПЦ). ИД представляет собой совокупность двух элементов - ДР и СОБПЦ - силовой части (СЧ) ИД (см. Рисунок 17).

ДР ! СЧ 1

1 и

ЗМЗ ЗМ -]—-1 сиз

I_________I______I

Рисунок 17 — Функциональная схема ИД на базе СОЭ

где ЭМУ - электромагнит управления; ЗМ - золотниковый механизм; иу (/у) -напряжение (ток) управления; х, х , Т7 - координата, скорость и усилие на выходе СОБПЦ соответственно.

Несмотря на вышеперечисленные достоинства, создание ИД на базе СОЭ типа БЦ не получило широкого распространения. При этом, большая часть внедрений СОЭ типа БЦ относиться к области разомкнутых СП. Достаточно редкое использование СОЭ при проектировании СП происходит ввиду

небольшого количества динамических математических моделей, достоверно описывающих работу БЦ и доступных для широкого круга разработчиков.

В [14] уже предпринимались попытки описания динамики работы СОЭ. Несмотря на полученные результаты, достоверность их недостаточна, поскольку при разработке не учитывались особые свойства сжатого газа. Помимо этого, в современных каталогах предоставляется очень мало исходных данных. Фирма-изготовитель «.Ре^о», например, в своих каталогах приводит только силовые статические характеристики для СОЭ типа БЦ, несмотря на то, что для построения динамической математической модели требуется значительно большее количество исходных данных.

Достоверное представление динамических процессов, протекающих в СОЭ, связанных с изменением конфигурации оболочки, развиваемым ею усилием и действующим давлением рабочей среды, требуют привлечения теории газодинамики. В противном случае игнорирование особых свойств рабочей среды резко снижает достоверность динамических моделей СОБПЦ, так как неучтение сжимаемости газа, изменения его свойств в зависимости от температуры и давления, а также от процессов, связанных с характером расширения газа (изотермический, адиабатический), не позволяет спрогнозировать выходные параметры СОБПЦ в динамике, а, следовательно, не обеспечивает создание СП с требуемыми показателями качества.

При этом, динамические процессы, непосредственно учитывающие течение газа в полости СОБПЦ при его математическом описании, не представляют большого интереса, поскольку скорость протекания этих процессов значительно превосходит скорость динамических процессов, происходящих в оболочке самих СОБПЦ. В то же время для получения корректных результатов при описании работы СОБПЦ необходима математическая модель, связывающая изменение давления и плотности рабочей среды и взаимодействие рабочей среды с гибкой оболочкой СОБПЦ во время ее расширения при различных термодинамических процессах.

Огромную роль в работе СОБПЦ играет сжимаемость газов, которая с одной стороны делает ИД более устойчивым к ударным нагрузкам и вибрации, с другой стороны в значительной степени влияет на её жесткость (удержание определенного положения выходного звена под воздействием нагрузки).

Большинство монографий и статей (см. например [19,20,21,22]), посвященных теории газодинамики, рассматривают вопросы движения тел в воздушной среде или течения газов в различных условиях и связанных с этим газодинамических процессов. При этом, как правило, рассматривается некоторый малый объем рабочей среды (или нескольких объемов), для которого определяются плотность, скорость среды, внутренний момент количества движения, внутренняя энергия частиц и тензор напряжений (для описания механического напряженного состояния частиц). Такой подход не подходит для описания работы СОБПЦ, поскольку не дает возможность установить связь между входной координатой СОБПЦ (объемным расходом газа через ДР) и выходными координатами СОБПЦ (изменением внутреннего объема оболочки, развиваемым усилием и величиной ее линейного сокращения).

Упомянутыми обстоятельствами определяется актуальность разработки динамической математической модели СОБПЦ на базе БЦ с применением элементов теории газодинамики, учитывающих особые свойства сжатого газа и упомянутые выше достоинства ИД на базе СОБПЦ, представленные в Таблице 3.

Обобщая вышеизложенное, можно констатировать, что на данный момент отсутствует общая методология проектирования СП на базе СОБПЦ, что создает существенное препятствие для широкого распространения СОЭ в технике. Таким образом, целями данной работы являются теоретическое и расчетно-экспериментальное обоснование возможности широкого применения СОБПЦ на базе СОЭ типа БЦ в технике, путем разработки достоверной динамической математической модели, пригодной для широкого применения в инженерных расчетах при разработке современных СП.

Круг исследований в данной диссертационной работе ограничен классом СОЭ типа БЦ, интерес к которым в настоящее время возрастает.

Для ИД . на базе СОБПЦ тянущего типа разработка достоверной математической модели выполнена в [23].

Достижение указанных целей носит инновационный характер и предусматривает решения в данной работе следующих основных задач:

1. Создать статическую математическую модель СОБПЦ на СОЭ, объясняющую возникновение значительных толкающих усилий, а также установить связь между величиной этих усилий, давлением внутри оболочки СОБПЦ и его сокращением с геометрической формой СОБПЦ.

2. Разработать линеаризованную динамическую математическую модель СОБПЦ толкающего типа с учетом особенностей, связанных с применяемой в них рабочей средой - сжатым газом, обеспечив тем самым возможность их использования в инженерных расчетах.

3. Оценить достоверность разработанной динамической математической модели СОБПЦ одностороннего действия невозвратного типа путем оценки его ЛАЧХ, полученной расчетным и экспериментальным путем.

4. Разработать методику выбора СОЭ типа БЦ для СОБПЦ по условиям технического задания при проектировании системы управления.

5. На ряде расчетных примеров показать перспективность создания высококачественных систем управления на основе СОБПЦ на базе СОЭ типа БЦ различных типов в разнообразных областях техники.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Чернусь, Павел Павлович

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Геометрическая интерпретация связи усилия, создаваемого СОЭ и его внутреннего объема с изменением конфигурации образующей поверхности и высоты СОЭ, рассмотренная в данной диссертации, позволяет идентифицировать статические характеристики СОЭ, а также формализовать полученные данные в виде таблиц и графиков для дальнейшего упрощения процедуры расчетов.

2. Разработана методика получения динамической математической модели СОБПЦ одностороннего действия невозвратного типа, включающей основные уравнения газодинамики, вследствие чего учитываются особые свойства сжатого газа. Предложены корректные допущения и ограничения, позволяющие линеаризовать довольно сложные и громоздкие динамические математические модели СЧ СОБПЦ, что позволяет использовать их для расчета современных систем приводов.

3. Созданный специальный стенд для проведения экспериментальных исследований дает возможность выполнить большой объем испытаний для толкающего СОБПЦ одностороннего действия невозвратного типа. Полученные экспериментальные результаты полностью подтверждают достоверность научных положений, представленных теоретическими расчетами.

4. Универсальная методика выбора и расчета статических характеристик СЧ СОБПЦ и параметров ПФ СОБПЦ по перемещению удобно формализована и вполне доступна для широкого круга инженеров-разработчиков современных СП.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чернусь, Павел Павлович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Блэкборн Д. Гидравлические и пневматические силовые системы управления: Пер. с англ. М.:, 1962. 614 с.

2. Гамынин Н.С. Гидравлический следящий привод. М.: Машиностроение, 1968. 564 с.

3. Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. М.: Маштностроение, 1967.

4. Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. М.: Машиностроение, 1972. 320 с.

5. Козырев Ю.Г. Захватные устройства и инструменты промышленных роботов. "Кнорус", 2011.312 с.

6. Электронный ресурс фирмы Festo URL: http://www.festo.com/cat/ru_ru/data/ doc_ru/PDF/RU/EB_RU.PDF

7. ГОСТ Р 52720-2007. Арматура трубопроводная термины и определения. Москва СТАНДАРТИНФОРМ, 2007.

8. "Сильфонные цилиндры," // Heben mit balgzylinder. Zuiliefermarkt, № №6, 2006. С. 41.

9. "Надувные подушки," // Druckluft-Kissen. Maschinenbau, № %51, 2000. С. 51.

10. Kollegen UOu, "Исполнительный элемент для получения усилия и/или перемещения. Aktuator Vorrichtung zur Erzeugung einer kraft und/oder einer bewegung," 19951603, Oct 26, 1999.

11.Greenholl RM, "Пневматический мускул. Imprived mechanical actuator," 9806169.0, Mar 20, 1998.

12. Каталог ПМ URL: http://www.festo.com/cat/ru_ru/data/doc_ru/PDF/RU/ MAS_RU.PDF

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

14. Липатов A.A., Марти А.Н., Шароватов В.Т., "Исследование статики и динамики оболочкового гидро-пневмодвинателя," // Известия "Машиностроение", 2002 г. №4. С. 36-49.

15.Лошицкий П.А., Шароватов В.Т., "Идентификация некоторых параметров математической модели двигателя оболочкового типа," // Известия ВУЗ. Приборостроение, № №12, 2008. С. 56-63.

16. Шароватов В.Т., Лошицкий П.А., "Математическая модель силового бесштокового пневмоцилиндра одностороннего действия оболочкового типа," // Мехатроника, Автоматизация, Управление, № №2, 2011. С. 30-36.

17. Шароватов В.Т., Лошицкий П.А., "Математическая модель силового оболочкового бесштокового пневмоцилиндра одностороннего действия с возвратной пружиной," // Махетроника, Автоматизация, Управление, № №11, 2012. С. 45-49.

18. Липатов A.A., Шароватов В.Т., "Экспериментальное исследование исполнительного двигателя оболочкового типа," // Известия ВУЗ. Машиностроение, № №3, 2005. С. 17-23.

19. Черный Г.Г. Газовая динамика: Учебник для университетов и втузов. М.: Наука, 1988. 424 с.

20. Попов Д.Н., Панаиотти С.С., Рябинин М.В. Гидромеханика. Т. 6. Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 384 с.

21. Попов Д.Н. Динамика гидро- и пневмоприводов: учеб. для ВУЗов. 2-е изд. Москва. 2002. 320 с.

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

23.Лошицкий П. А. Разработка математических моделей оболочковых бесштоковых пневмоцилиндров с учетом динамики сжатого газа и их применение в системах приводов: дис..канд. техн. наук: 05.02.02 / Лошицкий Петр Анатольевич. СПб. 2011.

24. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. 2-е изд. М.-, Л.: Госэнергоиздат, 1961. 700 с.

25. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике. М.: Наука, 1981. 507 с.

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

27. Каталог баллонных цилиндров URL: http://www.festo.com/cat/ru_ru/data/doc_ru/ PDF/RU/EB RU.PDF

28. Каталог датчика линейного перемещения SMT-8M-A URL: http:// www.festo.com/cat/ru_ru/data/doc_engb/PDF/EN/SMX8_EN.PDF

29. Каталог регулятора давления VPPM URL: http://www.festo.com/cat/ru_ru/data/ doc_ru/PDF/RU/VPPM_RU.PDF

30. Каталог ПЦ DNC URL: http://www.festo.com/cat/ru_ru/data/doc_ru/PDF/RU/ DNC_RU.PDF

31.Челомей В.Н. Вибрация в технике: Справочник в 6-ти т. Т. 4. М.: Машиностроение, 1981.

32. Фролов K.B. Вибрация в технике: Справочник в 6-ти т. Т. 6. М.: Машиностроение, 1981.

33. Каталог MYPE // Веб-сайт компании Festo. URL: http://www.festo.com/cat/ ru_ru/data/doc_ru/PDF/RU/MP YERU .PDF

34. Темп-Авиа, каталог продукции URL: http://www.temp-avia.ru/catalog/detail/52/

35. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. 2-е исправленное и дополненное-е изд. М.: Наука, 1972. 768 с.

36. Ануфриев И.Е. Самоучитель Matlab 5.3/б.х. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 736 с.

37. Шароватов ВТ и др., "Устройство заграждения," Патент на Полезную модель 127027, Jun 20, 2012.

38. Шароватов ВТ и др., "Противотаранное устройство запрещения проезда с накладкой," Патент на Полезную модель 141880, Jul 26, 2013.

39. Шароватов ВТ и др., "Устройство запрещения проезда противотаранного типа," Патент на Изобретение 2532675, Nov 21, 2012.

40. Шароватов ВТ и др., "Противотаранное устройство запрещения проезда с накладкой," Патент на Изобретение 2538738, Jul 16, 2013.

41. Фролов К.Е. Вибрация в технике: Справочник: В 6-ти т. Т.6. М.: Машиностроение, 1981.