Логіко-функціональне моделювання багатопривідних циклових систем гідроприводів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Логіко-функціональне моделювання багатопривідних циклових систем гідроприводів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зростання вартості енергоносіїв підвищує вагу питання ефективного використання промислового обладнання. Аналіз промислових систем показує, що значну їх частину складають системи гідроприводів циклічної дії і питання підвищення ефективності таких систем, зважаючи на їх енергоємність, є вагомим для виробництва. Основна частина гідравлічного обладнання не забезпечує можливу його ефективність, що пов'язано з рядом об'єктивних і суб'єктивних факторів, основними з яких є недостатнє врахування енергетичних показників при проектуванні, відсутність регламентованих обмежень по енергоспоживанню, необґрунтоване застосування схемних рішень, невідповідність проектних та дійсних режимів роботи. Сучасні економічні умови вимагають мінімальної енергетичної залежності і відповідно максимальної ефективності роботи систем, особливо - систем з великою потужністю. Значна кількість промислових підприємств використовує в експлуатаційному циклі, в залежності від галузі промисловості (пакувальні лінії, транспортувальні операції, металургійні лінії, авіабудування, машинозбиральні операції), до 85% гідравлічних пристроїв, потужність яких сягає від десятків до сотень кіловат, що вказує на актуальність підвищення ефективності гідравлічної частини систем. Водночас встановлено, що сучасна теорія визначення енергоспоживання в системах циклового гідроприводу не дозволяє розраховувати та прогнозувати енергетичні характеристики з достатньою точністю для розробки гідравлічних схем з мінімальним рівнем дисипації енергії, що є особливо вагомим для систем великої потужності.

Актуальним для задачі розробки енергоефективних циклових систем об'ємного гідроприводу потужністю, що перевищує 50 кВт з кількістю приводів 3 і більше є проведення логіко-функціонального моделювання систем класу з використанням уточненої теорії формування енергетичних втрат.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з планами держбюджетних науково-дослідних робіт Національного технічного університету України «КПІ», що складались згідно з комплексними галузевими науковими програмами і планами: науковою програмою відповідно до наказу НТУУ «КПІ» №2-248 від 29 грудня 2006 р. згідно наказу Міністерства освіти і науки України №732 від 24 жовтня 2006 р., за темою №2023-п «Гідросистема вітроагрегату змінної потужності з ступенево-контурною системою адаптації до змін швидкості вітру» (№ держреєстрації 0107U002077), та за темою №2024-п «Електрогідравлічні технології та пристрої в системах механотроніки» (№ держреєстрації 0107U002342). Виконання дисертаційної роботи додатково спрямовано на розробку прикладної програми, яка буде використана для підготовки спеціалістів за фахом «Гідравлічні і пневматичні машини» 7.090209 по дисциплінах «Гідравліка, виконавчі пристрої механотронних систем», «Контролери в системах керування гідроавтоматики», «Дискретні системи автоматичного керування», «Системи механотроніки».

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає в зменшенні рівня енергоспоживання багатопривідних циклових систем об'ємного гідроприводу шляхом розробки систем з мінімальним рівнем дисипації енергії на основі прогнозування її енергетичної ефективності засобами логіко-функціонального моделювання на основі уточненої теорії формування енерговтрат.

Основними задачами на шляху досягнення мети є наступні:

1. Проаналізувати методи визначення енерговтрат і приклади практичних систем гідроприводів та виявити і дослідити фактори, які можуть бути використані для зменшення рівня енергоспоживання.

2. На основі аналізу методів розрахунку уточнити теорію формування енерговтрат по рівням апаратів та за циклограмою і розробити узагальнену модель, яка дозволяє імітувати експлуатаційний цикл з урахуванням основних чинників втрат енергії і отримувати прогноз щодо енергетичної ефективності систем та порівнювати за рівнем енергоспоживання різні схемні рішення.

3. Провести експериментальне дослідження формування енергетичних втрат для циклових систем гідроприводу, систематизувати їх у складі процесу дисипації енергії та розробити методику врахування при визначенні рівня енергоспоживання.

4. Розробити узагальнену логіко-функціональну модель класу багатопривідних циклових систем об'ємного гідроприводу та запропонувати нову методику визначення енергетичної ефективності шляхом прогнозування енергетичних показників експлуатаційного циклу за типом схемного рішення.

5. Розробити на основі методики логіко-функціонального моделювання прикладну програму для інженерних задач розробки і обґрунтування енергетично раціональних схемних рішень циклових систем об'ємного гідроприводу та перевірити її на прикладах промислових об'єктів (АНТК ім. Антонова, Нікопольський південнотрубний завод).

Об'єкт дослідження - багатопривідна циклова система об'ємних гідроприводів.

Предмет дослідження - процес формування енергетичних втрат в багатопривідних циклових системах об'ємного гідроприводу.

Методи досліджень - комплексний метод, що полягає в сумісному використанні емпіричного, математичного та комп'ютерного моделювання з наступним тестовим експериментальним підтвердженням отриманих результатів.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уточнено теорію формування енерговтрат для циклових систем об'ємного гідроприводу шляхом врахування енергоспоживання за структурними рівнями і за циклограмою роботи системи, одночасної роботи виконавчих пристроїв, циклічності роботи приводів, зміни температури робочої рідини.

2. Отримано нові експериментальні залежності впливу температури робочої рідини, одночасної роботи приводів та циклічності на енергоспоживання циклових систем об'ємного гідроприводу та використано їх при моделюванні процесу виходу системи на сталий температурний режим.

3. Вперше на основі уточненої теорії формування енерговтрат розроблено узагальнену логіко-функціональну модель циклових систем гідроприводу, яка дозволяє з врахуванням основних чинників енерговтрат визначати енергетичну складову експлуатаційних характеристик системи шляхом імітації логіки взаємодії виконавчих пристроїв, пристроїв керування, пристроїв контролю і енергетичних агрегатів відповідно до циклограми роботи системи.

4. Вперше на основі логіко-функціонального моделювання виконано прогнозування енергетичної ефективності систем за типом схемного рішення на початкових етапах проектування та обґрунтування модернізації існуючих об'єктів.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблено і науково обґрунтовано методику порівняння типових схемних рішень за показником енергоспоживання, яка забезпечує 3% точність результатів порівняння і може бути використана для обґрунтування модернізації чи розробки об'ємного циклового гідроприводу.

2. Розроблено, на основі логіко-функціонального підходу, прикладне програмне забезпечення «MAS-2.0» для імітації роботи циклових систем об'ємного гідроприводу, яке надає можливість прогнозувати енергоспоживання системи і розраховано на користувача з кваліфікацією проектувальника систем гідроприводу.

3. Підвищена ефективність розробки циклових систем гідроприводів, а саме:

отримана можливість постановки та проведення за 1-5 днів імітаційних експериментів для циклових систем гідроприводу з 5ч25 виконавчими пристроями, що дозволяють визначати: максимальні та середні значення і циклограму витрати робочої рідини; тривалість циклу; максимальне значення та циклограму змін тиску; середнє значення та циклограму змін потужності; порівняльний коефіцієнт енергетичної ефективності;

в 5-10 раз скорочено, в результаті використання «MAS-2.0», витрати часу при тестуванні логічної послідовності дій виконавчих пристроїв циклових систем для розробки систем керування;

програмно реалізовано перехід від виразів логічних команд циклової системи, що пройшли тестування програмою «MAS-2.0», до алгоритму програми керування для контролера мовою STL.

4. Підвищено ефективність навчання студентів за рахунок постановки комп'ютерного практикуму для систем дискретного гідроприводу середньої складності та введення додаткових лабораторних робіт високого рівня складності;

5. Методики і рекомендації по розробці енергетично раціональних схемних рішень для циклових систем гідроприводу та прикладну програму «MAS-2.0» апробовано на прикладах практичних систем та використано на таких підприємствах і установах: Авіаційний науково-технічний комплекс «Антонов», Нікопольський південнотрубний завод «Centravis Production Ukraine».

Особистий внесок здобувача. Здобувач здійснив наукові дослідження енергоспоживання циклових систем та розробку логіко-функціональної моделі, що забезпечує підвищення енергетичної ефективності циклових систем об'ємного гідроприводу та скорочення строків їх проектування.

Постановка задач і аналіз наукових результатів виконані разом з науковим керівником та частково з співавторами публікацій.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідались на 14 міжнародних і республіканських конференціях і семінарах: IX Міжнародна науково-технічна конференція «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» м. Краматорськ, 2004 р., X та XIII Міжнародна науково-технічна конференція «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» м. Київ, 2005 р. та 2008 р., XII та XIII Міжнародна науково-технічна конференція «Автоматика - 2005, 2006» м. Вінниця, 2005 р. та 2006 р., Міжнародна науково-технічна конференція асоціації спеціалістів промислової гідравліки і пневматики «Промислова гідравліка і пневматика», м. Львів, 2006 р., XII Міжнародна науково-технічна конференція «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» м. Луганськ, 2007 р., XIV Міжнародна науково-технічна конференція «Автоматика - 2007» м. Севастополь, 2007 р., Науковий семінар кафедри поршневих машин інституту мобільних систем Отто фон Геріке Університету (м. Магдебург, Німеччина, 2007 р.), Міжнародна науково-технічна конференція асоціації спеціалістів промислової гідравліки і пневматики «Промислова гідравліка і пневматика» м. Миколаїв, 2007 р., Науковий семінар кафедри механотроніки інституту мобільних систем Отто фон Геріке Університету (м. Магдебург, Німеччина, 2008 р.), Міжнародна науково-практична конференція «Прогресивна техніка і технологія» м. Київ, 2006 р., 2008 р., Науковий семінар кафедри Енергомеханічних систем Донецького Національного технічного університету (м. Донецьк, 2008 р.).

Публікації. Результати досліджень опубліковано в 17 наукових працях, в тому числі в 1 монографії та 7 статтях в провідних фахових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів основної частини, загальних висновків, переліку використаних джерел і додатків. Повний обсяг роботи становить 223 сторінки. Вона містить 172 сторінки основного тексту, 62 ілюстрації, 56 таблиць та 2 додатки на 32 сторінках. Перелік використаних літературних джерел складає 80 назв на 7 сторінках.

Основний зміст роботи

гідропривід енергетичний цикловий втрата

У вступі розкрито зміст та стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, викладено наукові положення, які виносяться на захист, наведено дані щодо наукової новизни і показана практична цінність отриманих наукових результатів, наведені дані про публікації і апробацію роботи.

У першому розділі виконано аналіз літературних джерел та досліджень стосовно визначення та забезпечення енергетичної ефективності багатопривідних циклових систем гідроприводів та проведено аналіз процесу формування енергетичних втрат на прикладах промислових гідроприводів в галузях машинобудування, авіабудування, металургії та ін. Значний внесок у розвиток базових положень обраного напряму досліджень зробили такі відомі вчені як Башта Т.М., Прокофьев В.М., Богданович Л.Б., Свєшніков Б.Г., Хаймович Є.М., Федорець В.О., Домрачев О.Ф., Струтинський В.Б., Бочаров В.П., Чкалов В.В., Орлов Ю.М., Сиріцин С.М., Лурьє З.Я., Іцкович-Лотоцький Р.Д., Зайончковський Г.Й., Комаров А.А., Кляйн Р., Креб E. Визначено особливості використання схемних рішень циклових систем гідроприводів та їх переваги і недоліки щодо енергоспоживання. Проаналізовано типи схемних рішень, застосування яких спрямовано на зменшення дисипації енергії під час експлуатації системи.

За результатами аналізу формування дисипації енергії в системах виявлено, що врахування режимів роботи приводів, характерних для циклових систем, є однією з основних задач при визначенні рівня енергоспоживання та розробці схемного рішення. Встановлено, що отримання повної енергетичної картини може бути реалізовано лише завдяки врахуванню характеристик окремих пристроїв, характеристик взаємодії приводів та умов експлуатації системи, оскільки кожна практична система має відповідний комплект обладнання та циклограму роботи, що призводить до різних рівнів енергоспоживання в процесі експлуатації. Розгляд факторів, які впливають на рівень енергоспоживання багатопривідних циклових гідросистем, виконано за двома напрямками: по рівням гідроапаратів та за часом роботи.

При аналізі втрат в гідроапаратах по рівням структури системи, використано розподіл, запропонований німецькою фірмою «Festo». За результатами аналізу методів визначення енергоспоживання на етапах проектування та прикладів циклових систем значної потужності (50 кВт і вище) отримано граничні значення впливу на втрати енергії структурних рівнів системи. Аналіз показав необхідність врахування характеристик та режимів роботи не лише тих гідроапаратів.

Аналіз енергоспоживання за циклограмою та за терміном роботи системи спрямовано на можливість використання середньоциклових показників при визначенні енергетичних характеристик. Загальний час роботи системи можна розбити на три періоди, які характеризуються сталим або змінним енергоспоживанням: початковий період, період стабільної роботи та заключний період. Ці періоди характеризуються різними причинами виникнення енергетичних втрат в системі.

Аналіз методик розрахунку енергоспоживання циклових систем засвідчив, що при побудові схемних рішень не враховано дисипацію енергії, спричинену одночасною роботою приводів, змінами температурного режиму роботи обладнання та нерівномірністю енергоспоживання під час переключень клапанів напрямку. Вказані фактори пов'язані з циклічністю роботи системи та окремих пристроїв, а ступінь їх впливу відрізняється для сталої роботи системи та початкового і заключного періодів. Встановлено, що зазначені періоди відрізняються факторами, що обумовлюють додаткову дисипацію енергії.

Проведено огляд програмного забезпечення для моделювання багатопривідних циклових систем гідроприводів. Розглянуто прикладні програми: FluidSim 4.0, FluidDraw, MatLab (SimuLink), 20 Sim, Simplorer і визначено переваги і недоліки, вказано на складність або неможливість визначення і прогнозування енергоефективності циклових систем об'ємного гідроприводу. Визначено мету і задачі досліджень.

Другий розділ присвячено дослідженню процесу дисипації енергії в системах циклового гідроприводу.

Дослідження роботи практичних систем промислових гідроприводів показало, що втрати енергії виникають в напрямку траєкторії енергетичного потоку, який має значне розгалуження та простежується додатковий потік дисипації енергії (рис. 2). Втрати в системі виникають за рахунок втрат в гідроапаратах по ланцюгу від апаратів енергетичного рівня до виконавчого, які традиційно враховуються ККД апарату, і простежуються додаткові втрати енергії на повернення робочої рідини, на взаємний вплив приводів, зумовлені різними навантаженнями на приводах.

При дослідженні процесу дисипації енергії виконано визначення енергоспоживання в тактах циклограми на прикладі пресу для пресування кіп картону. Дослідження енергетичних втрат роботи системи показали, що середні втрати по рівням гідроапаратів відповідно до структури відрізняються (табл. 1) від результатів за відомими методиками (рис. 1).

Потактовий розгляд цих втрат по кожному з рівнів показав, що вони залежать від траєкторії енергетичного потоку та обладнання, яке в ньому задіяне. Встановлено, що прогнозування рівня енергоспоживання для класу систем потребує моделювання процесу експлуатації та врахування режимів роботи гідравлічного обладнання.

Визначено варіанти неузгодженостей, які виникають при роботі декількох виконавчих пристроїв за рахунок різних експлуатаційних навантажень, швидкостей та за рахунок різної тривалості дії приводів в такті. Обґрунтовано вимоги до комплексного критерію ефективності роботи багатопривідних циклових систем об'ємного гідроприводу.

По результатам другого розділу запропоновано уточнену теоретичну модель формування енергетичних втрат в часі експлуатації та за рівнями гідроапаратів системи, яка базується на логіко-функціональному підході.

Визначено фактори для розрахункового та експериментального дослідження та подальшого врахування в методиках проектування схем багатопривідних циклових систем об'ємного гідроприводу, сформовано перелік вимог до узагальненої моделі циклової системи.

В третьому розділі проведено експериментальне дослідження впливу окремих факторів на рівень енергетичного споживання (рис. 3). На попередньому етапі виконано оцінку достовірності експериментів. Проведено серію з 30-и експериментів для яких визначено середнє значення рівня енергоспоживання, вірогідність (Р) та дисперсія () експериментальних даних.

Оцінка показала, що експериментальні дані можуть бути використані для розрахунків та прогнозування при очікуваній зміні рівня енергоспоживання 3% і більше.

Дослідження впливу часу переключення гідророзподільників, яке викликає реверсування рухомої маси рідини та елементів приводу, показало, що при зменшенні сумарного часу заданої кількості переключень з 8 секунд до 1 секунди і менше відбувається зростання рівня енергоспоживання (рис. 4б). Цьому відповідає зростання відносного часу роботи системи у такому режимі з 0,00875Т_ц до 0,07 Т_ц, і разом з реверсованою масою та середньою потужністю визначає додаткове споживання енергії.

Експериментальні дослідження впливу величини навантаження на виконавчому пристрої показали, що для фіксованого схемного рішення в залежності від навантаження (імітовано тиском P_F1) змінюється температура теплової рівноваги гідросистеми та час виходу системи на рівень температури теплового балансу. Так системи з верхнім рівнем навантаження мали вищу кінцеву температуру робочої рідини та більшу тривалість виходу системи на режим теплової рівноваги.

Дослідження впливу температури робочої рідини на рівень енергоспоживання показали, що при підвищенні температури масла відбувається зменшення рівня енергоспоживання (рис. 6). Так, зміна температури від 35^оС до 45^оС призводить до зниження на 3,5% енергоспоживання. Таким чином, час виходу на стабільну температуру та її кінцеве значення, які є функціями дисипації енергії та умов роботи системи, разом з залежністю енергоспоживання від температури, мають суттєвий вплив на рівень споживання енергії.

За результатами експериментальних досліджень розроблено методику врахування перелічених факторів при розрахунку енергетичних втрат.

Вплив одночасної роботи декількох виконавчих пристроїв враховано функцією від відношення тиску загальної зливної лінії до номінального тиску в гідросистемі. Значення надлишкового тиску в загальній зливній лінії розраховується за відносним збільшенням витрати:

де = /Q_зп

- коефіцієнт збільшення витрати, - витрата зливної лінії одного приводу, - тиск зливної лінії при роботі одного привода.

Енергетичні втрати, спричинені реверсуванням виконавчих пристроїв, враховано за допомогою функції відношення відносного часу переключення розподільників в циклі до тривалості циклу та потужності приводу.

Вплив температури на зміну затраченої потужності враховується коефіцієнтом зміни потужності. Величина та тривалість зростання температури робочої рідини в процесі експлуатації визначається по досягненню системою режиму температурної рівноваги з рівняння теплового балансу. Тепловий баланс настає при зрівноваженні величини енергетичних втрат, які виникають при дроселюванні робочої рідини та обумовлені ККД апаратів, з тепловими потоками, які йдуть на нагрівання рідини і гідроапаратів та які відводяться в навколишнє середовище.

Встановлено, що для визначення рівня енергоспоживання необхідне проведення моделювання виходу системи на сталий тепловий режим, оскільки теплові параметри системи змінюються в часі і залежать від циклограми.

По результатам третього розділу розроблено математичний опис отриманих залежностей у формі, придатній для використання в логіко-функціональній моделі.

Четвертий розділ присвячено розробці та дослідженню узагальненої логіко-функціональної моделі циклових систем гідроприводів, призначеної для визначення рівня енергетичних витрат системи та прогнозування її енергетичної ефективності шляхом імітації експлуатаційного циклу з врахуванням основних чинників дисипації енергії.

За результатами порівняння відомих підходів до моделювання циклового гідроприводу та відповідно до поставлених задач було розроблено логіко-функціональну структуру моделі, яка складається з функціональної, логічної та енергетичної частин, та вихідних параметрів, характеристик і експлуатаційних даних, необхідних для моделювання процесу енергоспоживання.

В функціональній складовій моделі враховуються параметри системи та виконавчих пристроїв, які стосуються конкретних експлуатаційних функцій та дій. До параметрів функціональної складової відносяться: конструктивні параметри приводів, характеристики навантаження, час спрацювання приводів. Конструктивні параметри забезпечують розрахунок корисної роботи приводів, при виконанні певних дій, а саме: , , - діаметр поршня, штока та повний хід приводу (для гідроциліндрів); - ефективна площа приводу при прямому (+) і зворотньому (-) ході (для гідроциліндрів); - робочий об'єм (для гідромоторів).

В залежності від змісту дій, контрольованим параметром, який визначає стан приводу, може бути час, витрата, тиск, координата або інший параметр чи сигнал сенсору або комбінація сигналів.

В логічній складовій моделі системи відтворюється логіка взаємодії пристроїв відповідно до циклограми. Для імітації циклу задається порядок роботи приводів системи у вигляді набору, в якому вказано порядок включення пристроїв системи (їх номера). Дана послідовність враховує виконання прямих та зворотних дій приводів для повернення їх у вихідний стан.

Відповідно до логічної послідовності роботи системи, за методиками розробки логіки функціонування багатопривідних систем, записуються вирази логічних команд для кожного приводу чи виконавчого пристрою системи.

В енергетичній складовій моделі системи відтворюються інтегральні характеристики, які використовуються для розрахунку енергетичних втрат в системі. Отримання характеристик базується на даних функціональної і логічної складових моделі з урахуванням характеристик обладнання споживчого і енергетичного рівнів, способів його підключення та способів регулювання.

Методика моделювання включає 6 основних етапів:

1) Розрахунок витрати робочої рідини, наданої насосною станцією:

При визначенні затраченої потужності враховано коефіцієнти зміни потужності системи за рахунок одночасної роботи виконавчих пристроїв, циклічної роботи приводів та зміни температури робочої рідини. Значення коефіцієнтів перераховуються для кожної ітерації по емпіричним залежностям з результатів експериментального дослідження.

В процесі розробки узагальненої моделі для порівняння різних схем було використано наступні припущення і обмеження:

- тип робочої рідини однаковий для схемних рішень, що порівнюються (м₁= м₂=…= м_n, с₁= с₂ =…= с_n, к_Т1=к _Т2=…=к_Tn);

- температура середовища експлуатації незмінна (Tнс - const);

- енергетичні втрати для спільної частини схем однакові;

- лінійна зміна подачі під час переключення клапанів;

- вміст розчиненого повітря в робочій рідині та втрати в пристроях виконавчого рівня однакові для класу схемних рішень.

Тестову перевірку адекватності логіко-функціональної моделі виконано на дидактичному обладнанні фірм «Festo», «Bosch Rexroth», «Vickers».

Для перевірки обрана система, яка імітує роботу типових гідравлічних схем і складається з 4-х приводів, які спрацьовують в заданій послідовності з різними експлуатаційними навантаженнями, зокрема привід 1.0 імітує рух з високим зусиллям, яке реалізоване встановленням клапану тиску на виході гідродвигуна, приводи 2.0 і 4.0 імітують дії з низькою швидкістю, які реалізовані встановленням регулятора потоку та регульованого дроселя на вході та виході гідродвигуна, привід 3.0 імітує привід зі зменшеними значеннями зусилля і швидкості, що забезпечено байпасуванням.

Перевірку моделі виконано для ряду робочих циклів, які дозволяють визначити вплив факторів, які були враховані при її розробці. Наприклад для визначення впливу надлишкового тиску в загальній зливній лінії було розроблено робочий цикл , в якому в 2-му та 4-му такті відбувається одночасне і споживана витрата масла та корисна і споживана енергія. Базовим для порівняння обрано схемне рішення з максимальним рівнем енергоспоживання (система з постійним тиском та витратою). Для інших систем класу визначалась різниця енергоспоживання по відношенню до базового. За результатами порівняння модельного та експериментального визначення похибка середніх значень різниці енерговитрат систем з різним типом енергетичного рівня, по відношенню до базового типу, не перевищує 2%, що є передумовою для використання логіко-функціональної моделі при прогнозуванні енерговитрат багатопривідних циклових систем об'ємного гідроприводу (рис. 10а).

Порівняння результатів моделювання та експериментальної перевірки по окремим параметрам роботи гідросистеми (витрата, потужність) показало відхилення до 18%, яке припадає на спільну виконавчу частину схемних рішень, що за методикою поспрацювання двох приводів.

В якості схемних рішень енергетичної частини були використані системи з постійним тиском і витратою, постійним тиском і змінною витратою, змінним тиском і постійною витратою, змінним тиском і витратою та з двома джерелами живлення.

В п'ятому розділі сформульовано вимоги до методики та інструментального засобу моделювання. Розроблено алгоритм логіко-функціонального моделювання процесу експлуатації і можливості її модифікації. Розроблено прикладну програму для моделювання роботи багатопривідних циклових гідросистем MAS 2.0. Виконано опис роботи з прикладною програмою.

Підготовка до моделювання відбувається введенням вихідних даних в діалоговому режимі у відповідності з структурою логіко-функціональної моделі. Імітація роботи системи здійснюється шляхом прогонки моделі до моменту виходу системи на режим теплового балансу з наступним врахуванням втрат на етапі початкового та заключного періоду роботи системи та часу експлуатації.

Запропоновану логіко-функціональну модель та прикладну програму MAS 2.0 використано для визначення енергетичної ефективності гідравлічної схеми випробувального стенду передньої опори шасі літака АН-148 в АНТК ім. Антонова. Гідропривід стенду складається з 6 гідравлічних циліндрів, які працюють по фіксованому робочому циклу у відповідності з циклограмою навантаження передньої опори шасі.

В результаті проведеного моделювання визначено енергетичну ефективність існуючої гідросхеми та запропоновано використання двох джерел живлення з налаштуванням тиску на приводах за допомогою пропорційних клапанів тиску. Прогнозоване значення економії енергії для модернізованої схеми у порівнянні з існуючою становить 6,4%, що призведе до зменшення енергоспоживання за 1 годину роботи на 2,24 кВт•год.

Основні результати і висновки

Основні наукові і практичні результати за дисертаційною роботою полягають у наступному:

1. Вперше, за результатами аналізу методів проектування та прикладів практичних систем, науково обґрунтовано уточнену теорію формування енерговитрати циклових систем потужністю 50 - 2500 кВт, яка враховує дисипацію енергії за структурними рівнями схемних рішень та впродовж циклу, та зміну середньоциклових показників під час виходу системи на сталий тепловий режим та на заключному етапі, що надає передумови для використання логіко-функціонального підходу для прогнозування енергетичних витрат циклових систем об'ємних гідроприводів. Встановлено, за результатами експериментальних досліджень та аналізу практичних систем великої потужності, що значна частина процесу формування втрат енергії є незалежною від схемного рішення виконавчого рівня, врахування якого може здійснюватись за допомогою характерних параметрів, що дозволяє перейти від моделювання конкретної системи до узагальненої моделі, розповсюдженої на клас систем з спільною частиною виконавчого рівня і різними варіантами керуючого і енергетичного рівнів.

2. Отримано нові експериментальні залежності терміну виходу на стабільний тепловий режим від нерівномірності навантаження в циклі, рівня енергоспоживання системи, температури робочої рідини, які використано при моделюванні процесу виходу системи на сталий температурний режим, чим забезпечена можливість розрахунку енергетичних втрат на початковому етапі роботи системи, що підвищує точність розрахунку енергоспоживання систем класу на 3ч10%.

3. Вперше розроблено узагальнену логіко-функціональну модель циклових систем гідроприводу, яка дозволяє за результатами імітації логіки взаємодії виконавчих пристроїв, функцій виконавчих пристроїв, пристроїв контролю, керування і енергетичних агрегатів відтворювати циклограму роботи системи та визначати з точністю 7ч14% енергетичну складову експлуатаційних характеристик за типом схемного рішення.

4. Вперше, на основі логіко-функціонального моделювання та за результатами експериментальних досліджень, розв'язано практичну задачу побудови енергозберігаючих схемних рішень систем об'ємного гідроприводу великої потужності, що забезпечено прогнозуванням енергетичних втрат системи на початкових етапах проектування та отриманням кількісних характеристик об'єму заощадженої енергії для обґрунтування вибору нових або модернізації існуючих схемних рішень.

5. Вперше розроблено, на основі логіко-функціонального підходу, прикладне програмне забезпечення «MAS-2.0» для імітації роботи циклових систем об'ємного гідроприводу, яке надає можливість визначати інтегральні характеристики витрати і тиску в системі, прогнозувати енерговитрати на етапі розробки схемного рішення, тестувати алгоритми керування та забезпечує підвищення ефективності розробки циклових систем гідроприводів, а саме:

- скорочує строки постановки і проведення імітаційних експериментів з 1 - 2 місяців до 1 - 5 днів для систем з 5ч20 виконавчими пристроями, які надають порівняльні дані витрат енергії для типових схемних рішень і дозволяють визначати: максимальні та середні значення і циклограму витрати робочої рідини; тривалість циклу; максимальне значення та циклограму змін тиску; середнє значення та циклограму змін потужності; порівняльний коефіцієнт енергетичної ефективності;

- надає з 3% точністю порівняльну оцінку споживаної енергії типових схемних рішень циклових систем потужності 50 - 2500 кВт;

- скорочує в 5-10 разів витрати часу при тестуванні логічної послідовності дій виконавчих пристроїв циклових систем для розробки систем керування;

- автоматизує перехід від виразів логічних команд циклової системи, що пройшли тестування програмою «MAS-2.0», до алгоритму програми керування для контролера мовою STL.

- підвищує ефективність навчання студентів при розробці систем дискретного гідроприводу середньої складності за рахунок постановки комп'ютерного практикуму та введення додаткових лабораторних робіт підвищеної складності.

6. Апробація методик і рекомендацій по вибору енергетично раціональних схемних рішень та програми «MAS-2.0» підтвердила їх ефективність на прикладах практичних систем на підприємствах: Авіаційний науково-технічний комплекс «Антонов» (запропонована модернізація з 13% зменшенням енергоспоживання), Нікопольський південнотрубний завод «Centravis Production Ukraine» (скорочено термін підготовки операторів з 72 до 54 годин), Дидактичний центр «GidroMax Didactic», КСП «Брусилів».

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Губарев А.П. Механотроника: от структуры системы к алгоритму управления / А.П. Губарев, О.В. Левченко. - Учеб. пособие, К.: НТУУ» КПИ», 2007. - 180 с.

2. Левченко О.В. Особливості керування гідравлічними пропорційними розподільниками в багатопривідних виробничих системах / Левченко О.В. - В кн.: Вестник Национального технического университета Украины («КПИ») Серия машиностроение. - Киев: НТУУ, 2007, вып. 51. - c. 154-160.

3. Губарев А.П. Проверка логики функционирования цикловых систем гидравлических и пневматических приводов / Губарев А.П., Козинец Д.А., Левченко О.В. - Всеукраїнський науково-технічний журнал «Промислова гідравліка і пневматика» №3, 2004. - с. 64-69. (Здобувачем запропоновано алгоритм перевірки логіки функціонування циклових систем гідро- і пневмоприводів).

4. Губарев А.П. MAS-1.0 - упрощенное моделирование многоприводных гидропневматических систем циклического действия / Губарев А.П., Козинец Д.А., Левченко О.В. - Всеукраїнський науково-технічний журнал «Промислова гідравліка і пневматика» №4 (10), 2005. - с. 72-77. (Здобувачем розроблено програму MAS-1.0).

5. Губарев О.П. Особливості моделювання роботи механотронних систем з гідравлічними і пневматичними силовими приводами / О.П. Губарев, О.В. Левченко. - «Опто-электронные информационно-энергетические технологии» №1 (11), 2006, Вінницький національний технічний університет. - с. 207-214. (Здобувачем розроблено розподіл апаратів по рівням системи з метою визначення енерговтрат).

6. Губарев О.П. Уніфікація представлення приводів, виконавчих пристроїв програмуємих компонентів в керуючих програмах для PLC на мові STL / Губарев О.П., Пижиков Ю.О., Левченко О.В. - В кн.: Вестник Национального технического университета Украины («КПИ»), Серия машиностроение. - Киев: НТУУ, 2006, вып. 49, 2007. - c. 42-46. (Здобувачем розроблена структура гідросистеми при написанні керуючих програм мовою STL для контролерів FEC).

7. Губарев О.П. Вибір схемних рішень з урахуванням енерговитрат багатопривідної гідравлічної системи / Губарев О.П., Пижиков Ю.О., Левченко О.В. - В кн.: Вісник Східноукраїнського національного університету, №3 (109), ч. 1, СНУ. - Луганск, 2007. - с. 65-70. (Здобувачем розроблена методика визначення енерговитрат за термін експлуатації).

8. Губарев О.П. Логіко-функціональне моделювання багатопривідних гідравлічних систем / Губарев О.П., Левченко О.В., Аверіна Т.В. - Матеріали XIV міжнародної конференції з автоматичного управління «Автоматика-2007». - Вінниця, «Універсум-Вінниця», том 2, 2007. - с. 29-31. (Здобувачем розроблена структура логіко-функціональної моделі).

9. Губарев О.П. Порівняння способів регулювання насосних агрегатів гідроприводів з циклічною дією системи / О.П. Губарев, О.В. Левченко - Вісник Аграрної науки Причорномор'я, Спеціальний випуск 2 (41), Матеріали ІІІ міжнародної Науково-практичної конференції «Перспективна техніка і технології». - Кременчук, 2007. - с. 245-249. (Здобувачем розроблена класифікація схемних рішень для реалізації енергетичного рівня гідросистеми).

10. Губарев О.П. Особливості моделювання роботи механотронних систем з гідравлічними і пневматичними силовими приводами / О.П. Губарев, О.В. Левченко. - Контроль і управління в складних системах (КУСС-2005). Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції. - Вінниця: «Універсум-Вінниця», 2005. - с. 258.

11. Губарев О.П. Особливості керування гідравлічними пропорційними розподільниками в багатопривідних автоматичних системах / О.П. Губарев, О.В. Левченко. - Тези доповідей. ХІІІ Міжнародна конференція з автоматичного управління «Автоматика - 2006». - Вінниця, 2006. - с. 237.

12. Губарев О.П. Логіко-функціональне моделювання багатопривідних гідравлічних систем / Губарев О.П., Левченко О.В., Аверіна Т.В. - Тези доповідей. XIV Міжнародна конференція з автоматичного управління «Автоматика-2007», Севастополь, 2007. - с. 29.

13. Губарев О.П. До питання визначення енергетичної ефективності циклових систем приводів / Губарев О.П., Левченко О.В., Аверіна Т.В. - Збірник тез IX Міжнародної науково-технічної конференції АС ПГП «Промислова гідравліка і пневматика». - Кременчук, 2008. - с. 42.

14. Губарев О.П. Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу «Програмовані контролери в системах керування гідропневмоавтоматики» (частина 1) студентам, що навчаються за фахом «Гідравлічні і пневматичні машини» / О.П. Губарев, О.В. Левченко - Київ, НТУУ «КПІ», 2005. - 48 с.

15. Губарев О.П. Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу «Програмовані контролери в системах керування гідропневмоавтоматики» (частина 2) студентам, що навчаються за фахом «Гідравлічні і пневматичні машини» / О.П. Губарев, О.В. Левченко. - Київ, НТУУ «КПІ», 2006. - 52 с.

16. Губарев О.П. Дискретні системи керування гідропневмоавтоматики (частина 1 - Пневмоавтоматика). Методичні вказівки до лабораторних робіт, для студентів спеціальності «Гідравлічні і пневматичні машини» / Губарев О.П., Левченко О.В., Ганпанцурова О.С. - Київ: НТУУ» КПІ». Вид. Біла Церква: «БК Нафтохім-Аваль», 2007. - 52 с.

17. Матвійчук О.С. Законодавчі аспекти паливно-енергетичного комплексу, Верховна Рада України / Матвійчук О.С., Соколовська Н.І., Левченко О.В. - Інформаційний збірник:Вісник національної газової спілки України №2, 2007. - с. 12-21.

Размещено на Allbest.ru