Швидкодійний генератор імпульсів тиску для керування гідроімпульсними приводами вібраційних технологічних машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Спеціальність 05.02.03 - системи приводів

УДК 621.226

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Швидкодійний генератор імпульсів тиску для керування гідроімпульсними приводами вібраційних технологічних машин

Архипчук Марія

Романівна

Вінниця - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті (ВНТУ), Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Іскович-Лотоцький Ростислав Дмитрович, Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри металорізальних верстатів та обладнання автоматизованих виробництв.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бочаров Віктор Пантелійович, Національний авіаційний університет, професор кафедри гідрогазових систем повітряних суден, м. Київ;

кандидат технічних наук, доцент

Переяславський Олексій Миколайович, Вінницький державний аграрний університет, доцент кафедри машин і обладнання сільськогосподарського виробництва.

Провідна установа:

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, кафедра „Конструювання верстатів та машин”, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться „ 19 ”травня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.03 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету (21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГНК).

Автореферат розісланий „12” квітня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Дерібо О. В.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Впровадження сучасних високоефективних енергозаощаджувальних вібротехнологій в різних галузях виробництва, зокрема для реалізації процесів пресування порошків, розкочування кілець підшипників, виготовлення ливарних форм і залізобетонних конструкцій, очищення деталей від окалини та іржі, зневоднення продуктів переробки сільськогосподарського виробництва, проведення прискорених ресурсних випробовувань вузлів машин та ін., ускладнюється через відсутність вібраційного технологічного обладнання, яке відповідає вимогам підприємств-користувачів з точки зору вартості, простоти експлуатації, можливості його регулювання та переналагоджування і мінімізації енерговитрат.

Наявне вібраційне технологічне обладнання, що застосовується на виробництві, достатньо різноманітне, головним чином, за рахунок використання різних типів вібраційних приводів (механічного, пневматичного, гідравлічного, електромагнітного, комбінованого тощо). Аналіз переваг та недоліків цих приводів показує, що на даний час суттєві переваги має гідроімпульсний привід, який дозволяє забезпечити високі робочі зусилля (до 320 кН та більше) і широкий діапазон регулювання параметрів вібрації (частоти - 1...100 Гц, амплітуди - (0,1...10)10-3м) на виконавчій ланці вібраційних технологічних машин, є простим та надійним в експлуатації і має невисоку металомісткість. Основною складовою частиною цього приводу є генератор імпульсів тиску (ГІТ), який забезпечує керування режимом роботи вібраційної машини.

Для реалізації сучасних вібротехнологій (пресування ультрадисперсних порошків, вібророзкочування кілець підшипників тощо) на вібраційних технологічних машинах з гідроімпульсним приводом необхідно забезпечувати високочастотні (60...150 Гц) режими вібронавантаження. Ці машини повинні бути оснащені спеціальними швидкодійними ГІТ. Тому створення таких генераторів на основі нових схемних рішень є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до науково-дослідної тематики кафедри „Металорізальні верстати та обладнання автоматизованих виробництв” (МРВОАВ) Вінницького національного технічного університету (ВНТУ) згідно координаційного плану держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки України „Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні” („Розробка теорії розрахунку та проектування процесів і обладнання сучасних вібротехнологій” (№ державної реєстрації 0197U012585)), „Розробка та дослідження спеціальної контрольно-розподільної апаратури та арматури гідроімпульсного приводу” (№ державної реєстрації 0100U002927) і госпдоговірної теми № 1919 „Вивчення можливостей застосування вібротехнологій при розкочуванні кілець підшипників”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення швидкодійного ГІТ з широким діапазоном регулювання робочих параметрів для керування гідроімпульсним приводами вібраційних технологічних машин.

Для досягнення мети необхідно розв'язати такі задачі:

- обґрунтувати технічні та технологічні вимоги до швидкодійних ГІТ для оснащення гідроімпульсних приводів вібраційних машин (ВМ);

- розробити нові принципові схеми швидкодійних ГІТ з регульованими параметрами тиску „відкриття” та частоти проходження імпульсів тиску і постійною подачею гідронасоса приводу;

- розробити динамічну та математичну моделі швидкодійного ГІТ та виконати теоретичне дослідження на ЕОМ режимів його роботи;

- експериментально дослідити режими роботи швидкодійного ГІТ в гідроімпульсному приводі реальної технологічної ВМ та перевірити коректність розроблених динамічної та математичної моделей;

- розробити науково-обґрунтовану методику розрахунку та проектування швидкодійного ГІТ та отримати аналітичні залежності для визначення його основних енергетичних, силових та конструктивних параметрів;

- на основі аналізу результатів теоретичного та експериментального дослідження швидкодійного ГІТ розробити конструктивні схеми нових перспективних швидкодійних ГІТ;

- розробити керівні рекомендації та матеріали для проектувальників гідроімпульсних приводів технологічних ВМ з розширеним діапазоном регулювання робочих параметрів.

Об'єкт дослідження - динамічні процеси, що відбуваються в гідроімпульсних приводах технологічних ВМ.

Предмет дослідження - швидкодійний генератор імпульсів тиску для керування гідроімпульсним приводом ВМ.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження динамічних процесів у гідроімпульсному приводі, керованому новим швидкодійним ГІТ, виконані методами математичного моделювання із використанням комп'ютерного моделювання на основі пакету MATLAB 6.5. Експериментальні дослідження здійснені методами тензометрії із реєстрацією результатів вимірювання за допомогою шлейфового осцилографа та оцінкою їх похибки методами математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше запропоновано в швидкодійному ГІТ використати принципи гідравлічної фіксації в закритому і відкритому положеннях впускного і випускного клапанів другого каскаду за допомогою сервоприводу - чотирилінійного однокаскадного генератора імпульсів тиску.

Вперше розроблені та досліджені динамічна і математична моделі швидкодійного ГІТ, що враховують концепцію представлення гідравлічних ланок гідроімпульсного приводу у вигляді в'язко-пружних моделей, складених із безінерційних пружних та дисипативних елементів.

Вперше отримані аналітичні залежності для визначення основних енергетичних, силових та конструктивних параметрів швидкодійного ГІТ;

Вперше на основі аналізу результатів теоретичного і експериментального досліджень швидкодійного ГІТ сформульовані наукові принципи проектного розрахунку гідроімпульсного приводу ВМ з розширеним діапазоном регулювання робочих параметрів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена нова конструкція швидкодійного двокаскадного ГІТ клапанного типу з широким діапазоном регулювання параметрів спрацювання: тиску відкриття генератора і частоти проходження імпульсів тиску, що суттєво розширює технічні можливості гідроімпульсних приводів ВМ. Експериментальними дослідженнями виготовленого нового зразка ГІТ підтверджені його очікувані технічні показники.

Створена методика проектного розрахунку гідроімпульсного приводу, керованого новим ГІТ, яка представлена у вигляді аналітичних залежностей, що дозволяють розрахувати всі основні геометричні, кінематичні, силові та енергетичні параметри ГІТ.

Конструкторська документація на дослідний зразок швидкодійного ГІТ та керівні матеріали у вигляді методики проектного розрахунку, опису конструкції та інструкції з експлуатації гідроімпульсного приводу з швидкодійним ГІТ, передані ЗАТ „Автоелектроапаратура” (с.м.т. Сутиски, Тиврівського району, Вінницької області) для створення спеціального технологічного обладнання віброабразивного очищення гартованих великогабаритних сталевих виробів від окалини і окислів.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень отримані автором самостійно.

В працях, що опубліковані у співавторстві, автору належать: аналіз конструктивних особливостей однокаскадних багатолінійних ГІТ [1]; пропозиція регулювати швидкість прямого ходу золотника другого каскаду ГІТ за допомогою блока тонкого налагодження, побудованого із паралельно установлених регульованого дроселя і зворотного клапана [2]; розробка методики проектного розрахунку клапанного двокаскадного ГІТ [3]; обґрунтування кінематичних і силових співвідношень між параметрами кривошипно-повзунного механізму повороту виконавчої ланки приводу і його силовим гідроциліндром [4]; обґрунтування припущень, що приймаються під час аналізу динаміки гідроімпульсних приводів [5]; обґрунтування послідовності організації САПР для гідроімпульсного приводу зі схемою підключення ГІТ „на вході” [6]; спосіб організації гідравлічної фіксації впускного і випускного клапанів другого каскаду ГІТ у відкритому та закритому положеннях [7]; пропозиція, з метою покращення технологічності, виконати випускний клапан другого каскаду ГІТ з двох частин [8]; розробка методики та програми експериментальних досліджень [9]; обґрунтування умов перемикання впускного клапана ГІТ [10]; конструктивний принцип керування впускним і випускним клапанами другого каскаду ГІТ за допомогою двох штовхачів однакового діаметра із розміщенням їх в нерухомих втулках, що розташовуються в глухих осьових розточках клапанів [11].

Апробація результатів дисертації.

Основні результати доповідались, обговорювались та були схвалені на: Міжнародних науково-технічних конференціях - „Гидроаэромеханика в инженерной практике” (м. Харків, 2001 р., VI МНТК); „Tehnomus XI” (м. Сучава (Румунія), 2001р.); „Гидроаэромеханика в инженерной практике” (м. Київ, 2004 р, IХ МНТК); „Вібрації в техніці та технологіях” (м. Вінниця, 2004, V МНТК); науково-технічних конференціях Вінницького національного технічного університету в 1998 - 2006 р. р.; наукових семінарах кафедри МРВОАВ ВНТУ в 1998-2006 р. р.

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковані у 11 наукових працях з них: 6 - статті у фахових наукових виданнях України; 3 - патенти України; 2 - статті у наукових виданнях Румунії (Бюлетень політехнічного інституту м. Яси ).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації 221 сторінок. Основний зміст викладено на 150 сторінках машинописного тексту, ілюструється 46 рисунками та 5 таблицями. Додатки містять 23 сторінки. Список джерел має 117 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, висвітлено її зв'язок з державними науковими програмами, планами і темами кафедри, сформульовані мета та задачі дослідження, визначено наукову новизну, практичну цінність та особистий внесок здобувача, наведені коротка анотація всіх розділів, відомості про публікації і апробацію результатів дисертації, її структуру та обсяг.

В першому розділі розглянуті технічні і конструктивні особливості приводів технологічних ВМ. На основі порівняльного аналізу вібраційних приводів різних типів показані переваги гідроімпульсного приводу в залежності від схемного та конструктивного виконання ГІТ, що керує робочим циклом приводу.

Проведено аналіз відомих структурних схем ГІТ та визначені тенденції удосконалення і створення нової швидкодійної спеціальної апаратури керування гідроімпульсним приводами ВМ, а також розглянуто стан теорії та методів розрахунку гідроімпульсного приводу та ГІТ.

Створення гідроімпульсного приводу обумовлено потребами обладнання і устаткування нових прогресивних технологічних процесів, наприклад, таких як вібропресування із порошкових матеріалів великогабаритних і складних за формою виробів, вібророзкочування кілець підшипників, віброабразивна обробка матеріалів вільними абразивами тощо. В розвиток теорії вібраційних технологій та розробку технологічних ВМ з різними типами приводів значний внесок зробили відомі вчені І. Х. Гончаревич, К. В. Фролов, А. П. Бабічев, В. М. Баранов, Ю. Е. Захаров, В. О. Бауман, В. О. Повідайло, П. С. Берник, Р. Д. Іскович-Лотоцький та інші.

Працями І. Б. Матвеєва, Р. Д. Ісковича-Лотоцького, Р. Р. Обертюха, М. М. Вірника, В. О. Пішеніна, В. О. Дрончака, І. В. Коца та інших доведені переваги гідроімпульсного приводу перед іншими типами приводів ВМ, який дозволяє створювати технологічні машини з широким діапазоном регулювання параметрів вібронавантаження об'єкта технологічного впливу як за частотою (0,5...150 Гц) та амплітудою (0,05...10 мм), так і за формою силової дії (ударне, імпульсне, гармонічне). Основний внесок в створення, розвиток та дослідження гідроімпульсного приводу, зокрема його основного вузла керування - ГІТ, зробили вітчизняні вчені наукової школи ВНТУ, яку очолює Р. Д. Іскович-Лотоцький.

На підставі проведеного огляду відомих робіт, аналізу сучасного стану та тенденцій розвитку гідроімпульсного приводу і основного виду апаратури керування ним - ГІТ, сформульовано мету та задачі дослідження.

Другий розділ містить: обґрунтування технічних та технологічних вимог до високочастотних гідроімпульсних приводів ВМ і швидкодійних ГІТ, що керують цими приводами; розробку нової принципової та конструктивної схем швидкодійного двокаскадного ГІТ клапанного типу; опис принципу роботи та конструктивного устрою швидкодійного ГІТ і його основних структурних складальних одиниць, включно з модернізованим варіантом другого каскаду.

Дослідженнями, виконаними у ВНТУ на реальних зразках ВМ, установлено, що для реалізації високочастотного режиму (60...150 Гц) вібронавантаження, гідроімпульсні приводи ВМ повинні задовольняти таким основним вимогам:

- сумарний об'єм напірної порожнини приводу для забезпечення максимальної жорсткості його гідросистеми повинен бути мінімальним для заданого умовного проходу напірної гідролінії;

- гідролінії, що з'єднують ГІТ з цикловим гідроакумулятором і виконавчим гідродвигуном приводу, повинні мати мінімально можливу довжину для зменшення втрат енергії імпульсу тиску під час спрацювання ГІТ;

- запірні елементи каскадів ГІТ і особливо основного каскаду, повинні мати мінімально необхідні, виходячи із допустимої швидкості потоку, ходи та достатні площі поперечного перерізу запірних ланок каскадів з боку керівних порожнин для забезпечення малої тривалості перемикання ГІТ під час „відкриття” і „закриття”;

- схемне і конструктивне виконання сервоприводу ГІТ повинно бути таким, що забезпечує мінімальну тривалість перемикання основного каскаду ГІТ, направляючи в його керівні порожнини максимально можливі потоки енергоносія;

- конструктивна схема ГІТ повинна бути такою, щоб забезпечувалась в заданих межах стабільність амплітудно-частотної характеристики приводу через зміну властивостей енергоносія внаслідок його нагрівання в процесі тривалої роботи приводу.

У відповідності з цими вимогами і розробленими конструкторськими та технологічними заходами для їх здійснення, створена нова конструкція (рис. 1) трилінійного двокаскадного швидкодійного ГІТ клапанного типу, новизна якого захищена патентом України №53711. ГІТ складається з блоків (модулів) сервоприводу 1, тонкого налагодження 2 та другого (основного) каскаду 3, вхідні, вихідні, напірні, керівні та зливні порожнини яких з'єднані відповідним чином гідроканалами, утвореними в корпусах блоків. До виконавчого гідродвигуна приводу ГІТ приєднується за схемою „на вході”, що обумовлює вмикання в напірну порожнину А основного каскаду циклового гідроакумулятора 4.

Блок сервоприводу 1 містить запірний елемент 1.1 клапанно-золотникової форми, навантажений пружиною 1.2 регулятора тиску „відкриття” ГІТ. Серво-привід 1 є однокаскадним чотирилінійним ГІТ з параметричним збудженням імпульсів тиску внаслідок стрибкоподібного збільшення площі під час відкриття з (площа поперечного перерізу герметизуючої фаски) до (площа поперечного перерізу золотникової частини запірного елемента 1.1), а під час закриття - навпаки. Регульований дросель 1.3 стабілізує режим закриття сервоприводу 1. Основний каскад 3 складається з випускного 3.4 та впускного 3.5 клапанів з гідравлічною фіксацією в закритому і відкритому положеннях. Початкова герметизація впускного клапана 3.5 здійснюється зусиллям пружини 3.6, попередню деформацію якої можна регулювати, а відкриття цього клапана виконується посередністю штовхачів 3.1 і 3.3, розміщених, відповідно, в нерухомій грибоподібній втулці 3.2 та осьовому отворі випускного клапана 3.4.

Фіксація випускного клапана 3.4 у відкритому положенні відбувається за закритого сервоприводу 1 дією тиску на кільцеву площу його грибка, а у закритому під час відкриття сервоприводу 1 - на площу . Блок тонкого налагодження 2, складений із паралельно установлених регульованого дроселя 2.1 та зворотного клапана 2.2, забезпечує практично імпульсне відкриття впускного клапана 3.5 в момент перемикання сервоприводу 1, коли тиск в гідросистемі приводу досягає рівня тиску p1 „відкриття” ГІТ, і рух цього клапана з регульованою швидкістю на шляху зворотного ходу, межі зміни якої визначають діапазон регулювання частоти проходження імпульсів тиску, що подаються внаслідок розрядки циклового гідроакумулятора 4 через відкритий впускний клапан 3.5 в порожнину В виконавчого гідродвигуна приводу ВМ. В цей момент випускний клапан 3.4 закритий. Комутування відповідних порожнин сервоприводу 1 та основного каскаду 3 здійснюється за допомогою чотирьох робочих кромок золотникової частини запірного елемента 1.1, які утворюють з розточками гільзи (умовно не показана) позитивні та від'ємні перекриття як під час прямого, так і під час зворотного ходів запірного елемента 1.1. В результаті аналізу процесу роботи основного каскаду ГІТ установлені співвідношення між робочими площами його структурних елементів:

; ,

де - відповідно, площі поперечного перерізу штовхачів 3.1 та 3.3, запірної фаски і хвостовика впускного 3.5 та запірної фаски випускного 3.4 клапанів; - жорсткість і попередня деформація пружини 3.6. Потрібна зносостійкість запірних фасок клапанних елементів каскадів ГІТ досягається вибором такої висоти запірної фаски, щоб контактний тиск не перевищував межу пружності матеріалу сідла клапанів.

В третьому розділі розроблені і теоретично досліджені динамічна та математична моделі гідроімпульсного приводу ВМ, керованого новим швидкодійним ГІТ (див. рис. 1).

Повномасштабна багатомасова динамічна модель гідроімпульсного приводу створена на основі структурної схеми приводу, робочий цикл якого розділений на дванадцять умовних фаз, а гідравлічна ланка приводу представлена у вигляді в'язко-пружної моделі енергоносія, складеної з паралельно з'єднаних безінерційних пружного та дисипативного елементів. Такий підхід до моделювання гідравлічних приводів ковальсько-штампувальних машин вперше був запропонований проф., д.т.н. Ю. О. Бочаровим і набув подальшого розвитку в працях проф., д.т.н. Р. Д. Ісковича-Лотоцького та доц., к.т.н. Р. Р. Обертюха. В даній роботі установлено, що витрати енергоносія через комунікаційні гідроканали ГІТ й приводу під час його робочого циклу пропорційні кореням квадратним із різниць переміщень запірних елементів каскадів ГІТ (або приводу) із врахуванням відповідних передаточних відношень.

Гідравлічна ланка протягом робочого циклу деформується з певною швидкістю і взаємодіє з іншими ланками (масами) приводу через передаточні відношення чи (тут - робоча площа, відповідно, перерізу ланки ГІТ або іншої ланки приводу, наприклад, гідродвигуна; - порядковий номер ланки; - відповідно, усереднені площі поперечного перерізу напірної та зливної порожнин приводу; - відповідно, довжина і площа перерізу і-го гідроканалу напірної та зливної порожнин). Жорсткості гідравлічних ланок відносно усереднених площ та визначаються за відомими залежностями

Зведення жорсткості і деформації до j-ї робочої ланки приводу виконується за відомими співвідношеннями

та .

Опір деформуванню дисипативного елемента гідравлічної ланки знаходиться за законом Ньютона

відносно характерного розміру а у випадку зведення цього елемента до j-ї ланки приводу

де - коефіцієнт в'язкого опору деформуванню гідравлічної ланки; - динамічна в'язкість енергоносія; - швидкість деформації гідравлічної ланки, зведена до робочої площі відповідної ланки приводу та швидкість ланки. швидкодійний генератор гідроімпульсний вібраційний

Кожна фаза циклу роботи гідроімпульсного приводу може бути описана математичною моделлю, що містить диференціальні рівняння руху ланок приводу, рівняння витрат та умови однозначності. Аналізом динамічної та математичної моделей приводу установлено, що для спрощення математичного описання його роботи фази 1...8 можна вважати за прямий, а фази 9...12 за зворотний ходи рухомих елементів ГІТ та гідродвигуна приводу.

Під час розробки динамічної та математичної моделей гідроімпульсного приводу, керованого новим швидкодійним ГІТ, прийнята, з урахуванням вимог, що ставляться до високочастотних гідроімпульсних приводів, традиційна для гідроприводів система припущень, яка в зв'язку з обмеженим обсягом автореферату, тут не наводиться.

Згідно зроблених зауважень, динамічні моделі прямого і зворотного ходів ланок приводу, шляхом зведення гідравлічної ланки до відповідних ланок ГІТ та гідродвигуна, можна представити у вигляді восьми простих моделей (рис. 2).

Рис. 2. Динамічні моделі прямого (а, б, в, г) та зворотного (д, е, ж, з) ходів, відповідно, запірних елементів ГІТ і гідродвигуна приводу: сервоприводу, впускного та випускного клапанів другого каскаду і рухомої ланки гідродвигуна

Вихідні математичні моделі, складені на основі розрахункової схеми приводу, керованого швидкодійним ГІТ, його динамічних моделей та принципу Даламбера, складні для аналізу через суттєво нелінійний характер деформації гідравлічної ланки, яка є нелінійною функцією переміщень, швидкостей і прискорень запірних елементів ГІТ та інших рухомих ланок, і нелінійну частину коефіцієнтів демпфірування мас m1…m4, що залежать від відношення швидкостей. В результаті проведеної оцінки вагомості сталої і змінної частин коефіцієнтів установлено, що змінна частина цих коефіцієнтів складає тисячні долі відсотка від сталої, тому можна взяти

Виключенням із вихідних диференціальних рівнянь руху мас членів, які враховують вплив на динаміку приводу змінного тиску в зливній порожнині, оскільки , що дозволяє вважати , , та введенням нових змінних, після відповідних перетворень математичні моделі прямого і зворотного ходів ланок привода приведені до вигляду у формі, зручній для аналізу на ЕОМ:

Дослідження математичної моделі (7) реалізовано за допомогою комп'ютерної програми, створеної на основі пакету MATLAB 6.5. В результаті теоретичного дослідження гідроімпульсного приводу, керованого швидкодійним ГІТ, отримані у вигляді графіків залежності про характер зміни в часі параметрів робочого процесу гідроімпульсного приводу: деформації гідравлічної ланки (аналог тиску); переміщень, швидкостей і прискорень запірних елементів каскадів ГІТ та рухомої ланки гідродвигуна.

В четвертому розділі: викладені мета та методика експериментальних досліджень гідроімпульсного приводу дослідного зразка ВМ, керованого швидкодійним ГІТ; детально описана дослідна установка та реєструюча апаратура і прилади; установлені реальні закономірності зміни робочих режимів гідроімпульсного приводу під час регулювання параметрів спрацювання ГІТ.

Під час проведення експериментів зміна тиску в порожнинах напірній і гідродвигуна (гідроциліндра) та переміщення виконавчої ланки (вібростола) дослідного зразка ВМ реєструвались тензодатчиками за допомогою тензопідсилювача „Топаз-3” і світлопроменевого осцилографа Н115, оснащеного гальванометрами М004-06, що мають власну частоту коливань 600 Гц. Власні частоти датчиків тиску 5416 Гц і 4919 Гц, а переміщень - 694 Гц, чим забезпечувалась потрібна точність вимірювань. Обробка результатів вимірювань і оцінка похибок виконувались методами математичної статистики. Осцилограма режиму роботи приводу ВМ з частотою проходження імпульсів тиску 100 Гц, керованого новим ГІТ, наведена на рис.4.

За результатами обробки осцилограм різних режимів роботи гідроімпульсного приводу дослідного зразка ВМ побудовані графічні залежності частоти проходження імпульсів тиску від перерізу дроселя 2.1 (див. рис. 1), змінної подачі гідронасоса н(Q), тиску „відкриття” н(p1), зусилля пружини 3.6 та інерційного навантаження н(m4) (рис. 5). Установлена експериментальна залежність амплітуда вібрацій вібростола дослідного зразка ВМ від частоти для постійного навантаження вібростола та визначено вплив на амплітуду і частоту вібрацій зміни об'єму циклового гідроакумулятора і навантаження вібростола.

Рис. 4. Осцилограма режиму роботи гідроімпульсного приводу дослідного зразка ВМ з частотою проходження імпульсів тиску 100 Гц

Рис. 5. Експериментальні залежності частоти проходження імпульсів тиску, знайдені варіюванням:

Збільшення об'єму циклового гідроакумулятора в 2,8 рази спричиняє зменшення частоти вібрацій виконавчої ланки ВМ на 33% з одночасним зростанням її амплітуди на 36% у високочастотному інтервалі діапазону регулювання за постійних інших параметрів робочого циклу приводу. Експериментальними дослідженнями установлено, що швидкодійний ГІТ нового типу дозволяє регулювати частоту проходження імпульсів тику в межах від 2 Гц до 150 Гц за подачі гідронасоса м3/с.

В п'ятому розділі викладена науково-обґрунтована методика проектного розрахунку нової конструкції швидкодійного двокаскадного ГІТ клапанного типу і керованого ним гідроімпульсного приводу, створена на основі аналізу результатів теоретичного та експериментального досліджень цього приводу та розглянуті перспективні схемні і конструкторські рішення ГІТ та їх вузлів.

За основні початкові дані під час розрахунку гідроімпульсних приводів, що визначаються видом технологічного процесу, який належить реалізувати на ВМ, беруться: діапазон регулювання частоти і амплітуди вібрацій, максимальні інерційна маса виконавчої ланки ВМ та технологічне зусилля на ній, номінальний тиск „відкриття” і орієнтовна амплітуда імпульсу тиску, тип енергоносія та спосіб організації комунікацій між ланками приводу, в першу чергу, між гідроапаратурою, що входить в його систему. Ґрунтуючись на цих даних і результатах теоретичного та експериментального досліджень, виведені розрахункові залежності для визначення конструктивних (геометричних) розмірів, силових, жорсткісних і енергетичних параметрів ланок ГІТ та приводу, а також на основі встановленого закону регулювання частоти проходження імпульсів тиску отримана формула для розрахунку максимальної площі прохідного перерізу дроселя 2.1 - регулятора швидкості зворотного руху впускного клапана 3.5 (див. рис. 1).

За результатами виконаних досліджень і схемного пошуку запропонована нова конструкція регулятора тиску „відкриття” ГІТ, яка дозволяє змінювати в потрібних межах тиск „закриття”, а також створена нова конструктивна схема ГІТ клапанного типу, оснащеного блоками незалежного регулювання швидкостей відкривання впускного і випускного клапанів другого каскаду, що розширює технологічні можливості гідроімпульсних приводів ВМ.

ВИСНОВКИ

1. В результаті аналізу відомих підходів до побудови гідроімпульсних приводів для технологічних ВМ і спеціальної гідроапаратури керування їх робочим циклом - ГІТ, визначені області застосування генераторів в залежності від їх виконання. Установлено, що для розширення діапазону робочих параметрів ВМ з високочастотним режимом вібронавантаження найперспективнішими є швидкодійні ГІТ клапанного типу.

2. Сформульовані і обґрунтовані технічні та технологічні вимоги до швидкодійних ГІТ для керування гідроімпульсними приводами ВМ, що працюють у високочастотних (60..150 Гц) діапазонах вібронавантаження технологічного об'єкта.

3. На основі сформульованих вимог створений новий (пат. №53711, Україна) трилінійний двокаскадний ГІТ клапанного типу, основний каскад якого виконано у вигляді двох клапанів - впускного та випускного, конструктивні елементи яких забезпечують їх гідравлічну фіксацію у закритому і відкритому положеннях за допомогою сервоприводу - чотирилінійного однокаскадного ГІТ.

4. На основі аналізу структурної схеми гідроімпульсного приводу з новим швидкодійним ГІТ розроблені динамічні та математичні моделі прямого і зворотного ходів виконавчої ланки гідродвигуна приводу та запірних елементів ГІТ. Методами числового аналізу на ПЕОМ за допомогою комп'ютерної програми на основі пакету MATLAB 6.5 установлено закономірності зміни в часі параметрів робочого процесу гідроімпульсного приводу - переміщень, швидкостей і прискорень запірних елементів ГІТ та виконавчої ланки гідродвигуна і деформації (тиску) гідравлічної ланки, а також вплив на характер цих закономірностей варіювання основних вхідних даних: навантаження виконавчої ланки приводу, тиску „відкриття” (максимальної деформації гідравлічної ланки) ГІТ, подачі енергоносія і гідравлічного опору дроселя-регулятора частоти проходження імпульсів тиску.

5. Експериментальними дослідженнями гідроімпульсного приводу дослідного зразка ВМ виявлено, що під час керування її робочим циклом за допомогою нового ГІТ, частота вібрацій виконавчої ланки ВМ регулюється в межах 2...150 Гц з постійною подачею гідронасоса і середнім технологічним (імітаційним) навантаженням виконавчої ланки 32 кН.

6. Порівнянням теоретичних та експериментальних значень динамічних параметрів гідроімпульсного приводу визначені розходження за частотою та амплітудою вібрацій виконавчої ланки ВМ становлять, відповідно, 18...20% і 12...15% та тиском „відкриття” ГІТ 8...11%. За похибки обробки експериментальних даних не більше 7,4% ці результати дозволяють вважати прийняті під час теоретичних досліджень припущення правомірними, а математичну модель приводу адекватною реальній системі.

7. На основі аналізу результатів теоретичного і експериментального досліджень розроблено науково-обґрунтовану методику проектного розрахунку гідроімпульсного приводу, керованого новим швидкодійним двокаскадним ГІТ клапанного типу, яка дозволяє визначити основні геометричні, силові, жорсткісні і енергетичні параметри приводу та ГІТ. Конструкторська документація та інші керівні матеріали на дослідний зразок нового ГІТ, розрахованого і спроектованого за запропонованою методикою, передані для впровадження на ЗАТ „Автоелектроапаратура”.

8. Розглянуто перспективи удосконалення швидкодійних ГІТ та їх вузлів і запропоновані нові конструкції регулятора тиску „відкриття” та двокаскадного ГІТ клапанного типу, оснащеного блоками незалежного регулювання швидкостей відкривання впускного і випускного клапанів основного каскаду.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ В РОБОТАХ

1. Іскович-Лотоцький Р. Д., Обертюх Р. Р., Обертюх (Архипчук) М. Р. Генератори імпульсів тиску для технологічних вібромашини з гідроімпульсним приводом // Вибрации в технике и технологиях. -1998. - №2(6). - С. 84 -87.

2. Іскович-Лотоцький Р. Д., Обертюх Р.Р., Томчук В.І., Обертюх М.Р. Генератор імпульсів тиску для гідроімпульсних приводів технологічних машин // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету- Кіровоград: КДТУ, 2000. - Вип. 7. - С. 9-14.

3. Іскович-Лотоцький Р. Д., Обертюх Р. Р., Обертюх М. Р., Томчук В. І. Проектний розрахунок двокаскадних генераторів імпульсів тиску для гідроімпульсних приводів технологічних машин // Весник НТУ “Харьковский политехнический институт”. - Харьков: НТУ “ХПИ”. - 2001. - Вып. 129. - С. 10-22.

4. Іскович-Лотоцький Р.Д., Обертюх Р.Р., Булига Ю.В., Архипчук М. Р. Дослідження гідроімпульсного приводу машин із зворотно-гвинтовим рухом робочої ланки// Наукові нотатки. - Луцьк :ЛДТУ. - 2002.- Вип. 11. - С. 170 - 176.

5. R. Iskovich-Lototkiy, R. Obertuh, Y. Bulyha, M. Arkhipchuk. Dynamics of transient processes in hudroimpulsive drives / Buletіnul Institutului Politehnic din Iasi. Tomul XLVI (L) Fasc. 3-4. 2000. Stiinta si Ingineria Materialeor/ - P. 15-20.

6. R. Iskovich-Lototkiy, R. Obertuh, Y. Bulyha, M. Arkhipchuk. Structure and organization of the automated systems of designing works “hydraulic impulse drive” //Buletinul Institutului Politehnic din Iasi. Tomul XLVIІІ (LІІ) Fasc. 3-4. 2002. Stiinta si Ingineria Materialelor/ - P. 187-191.

7. Пат. 53711, Україна, 7.МПК F15B21/12: Генератор імпульсів тиску/ Іскович-Лотоцький Р. Д., Обертюх Р. Р., Томчук В. І., Булига Ю. В., Обертюх М. Р, (Україна). - №99123916; Заявл. 20.12.1999; Опубл. 17.02.2003, Бюл.№13. - С. 56.

8. Пат. 65844А, Україна, 7.МПК F15B21/12: Генератор імпульсів тиску/ Обертюх Р. Р., Іскович-Лотоцький Р. Д., Архипчук М. Р., Бернада М. А. (Україна). - №2003065359; Заявл. 10.06.2003; опубл. 15.04.2004. Бюл. №4. - С. 49.

9. Іскович-Лотоцький Р. Д., Обертюх Р. Р., Архипчук М. Р. Експериментальні дослідження режимів роботи вібромашини із клапанним генератором імпульсів тиску//Промислова гідравліка і пневматика. - 2005. - №1(7). - С. 83-88.

10. Іскович-Лотоцький Р. Д., Обертюх Р. Р., Архипчук М. Р., Бернада М. А. Клапанний генератор імпульсів тиску з регуляторами швидкості руху запірних елементів другого каскаду // Вібрації в техніці та технологіях. - 2005. - №1(39) - С.25-27.

11. Пат. 7804 U, Україна, 7. МПК F15B21/12. Генератор імпульсів тиску/ Р. Р Обертюх., Р. Д., Іскович-Лотоцький, М. Р. Архипчук, Бернада М. А (Україна). - №20041109354; Заявл. 15.11.2004; Опубл. 15.07.2005, Бюл. №7. - С. 61.

АНОТАЦІЇ

Архипчук М. Р. Швидкодійний генератор імпульсів тиску для керування гідроімпульсними приводами вібраційних технологічних машин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.03 - Системи приводів. - Вінницький національний технічний університет, м. Вінниця - 2006.

Дисертацію присвячено розв'язанню наукової задачі створення та дослідження нової конструкції швидкодійного генератора імпульсів тиску для керування гідроімпульсними приводами вібраційних технологічних машин. На основі аналізу відомих конструкцій генераторів розроблено нову конструкцію швидкодійного генератора імпульсів тиску з широким діапазоном регулювання параметрів спрацювання. Створено і досліджено математичну модель гідроімпульсного приводу, керованого новим типом генератора. Дослідження проведено за допомогою комп'ютерної програми, створеної на основі пакету MATLAB 6.5. Коректність математичної моделі приводу підтверджено експериментально. Розроблено методику проектного розрахунку гідроімпульсного приводу та генератора імпульсів тиску. Запропоновано перспективні конструкції клапанного генератора та регулятора тиску його відкриття.

Ключові слова: гідроімпульсний привід, генератор імпульсів тиску, вібраційна машина, частота, амплітуда, ланка.

Архипчук М. Р. Быстродействующий генератор импульсов давления для управления гидроимпульсными приводами вибрационных технологических машин. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.03 - Системы приводов - Винницкий национальный технический университет, г. Винница - 2006.

Диссертация посвящена решению научной задачи создания и исследования новой конструкции быстродействующего генератора импульсов давления для управления гидроимпульсным приводом вибрационных технологических машин.

В результате проведенного анализа известных конструкторских решений генераторов импульсов давления (ГИД) определены области их применения и установлено, что для вибрационных технологических машин (ВМ) с высокочастотным режимом нагруженния наиболее перспективны быстродействующие ГИД клапанного типа.

Сформулированы и обоснованы технические требования к быстродействующим ГИД, на основе которых разработана принципиальная схема и конструкция нового трьохлинейного двухкаскадного ГИД клапанного типа.

На основе структурной схемы гидроимпульсного привода, управляемого новым ГИД, разработаны динамическая и математическая модели привода. Гидравлическое звено в динамической и математической модели представлено в виде вязко-пружной модели энергоносителя (тело Кельвина-Фохта), составленной из безинерционных упругого и диссипативного элементов, взаимодействующих со звеньями ГИД и исполнительным звеном гидродвигателя привода через передаточные отношения, представляющие собой отношения квадратов рабочих площадей звеньев привода и ГИД к квадрату площади поперечного сечения усредненной напорной гидролинии привода (характерный размер). В течение рабочего цикла гидравлическое звено деформируется с переменной скоростью. Математическая модель привода, состоящая из систем дифференциальных уравнений движения запорных элементов ГИД и исполнительного звена гидродвигателя и уравнений расходов при прямом и обратном ходах звеньев привода, исследована на ПЭОМ с использованием компьютерной программы, созданной на основе пакета MATLAB 6.5. Получены данные о характере изменения во времени - перемещений, скоростей и ускорений исполнительного звена, гидродвигателя и запорных элементов ГИД и деформации гидравлического звена (аналог давления). Установлены закономерности изменения параметров рабочего процесса при варьировании значений входных величин - нагрузки исполнительного звена привода, давления “открытия” ГИД и подачи энергоносителя.

Корректность математической модели и принятых допущений подтверждены экспериментальными исследованиями на опытном образце ВМ с новым ГИД в приводе. Экспериментальные данные об изменении давления в полостях напорной и гидродвигателя привода и перемещении исполнительного звена ВМ определены осциллогафированием посредством тензометрических датчиков и светолучевого осциллографа. Установлены диапазон регулирования и закон изменения частоты следования импульсов давления при варьировании площади проходного сечения дросселя - регулятора частоты ГИД, зависимость амплитуды вибраций от частоты и другие сведения о рабочем процессе в приводе.

Разработана научно-обоснованная методика проектного расчета гидроимпульсного привода и ГИД, позволяющая определить все основные геометрические, силовые, жесткостные и энергетические параметры ГИД и привода.

Рассмотрены перспективы усовершенствования ГИД и его узлов и предложены новые конструкторские решения клапанного ГИД и регулятора давления его открытия, расширяющие технические возможности гидроимпульсного привода.

Ключевые слова: гидроимпульсный привод, генератор импульсов давления, вибрационная машина, частота, амплитуда, звено.

Arkhipchuk M. R. High-speed generator of pulses pressure for managing a hydroimpulse drive of technological vibromachine. -А manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.02.03 - system drives. - Vinnitsa National Techikal University. Vinnitsa - 2006.

The thesis is dedicated to solution of creation and research of new construction of the high-speed generator of pulses pressure for managing a hydroimpulse drive of technological vibromachine. At the base of analysis known constructions generators were designed new construction of the high-speed generator of pulses pressure with whiled range of regulating parameters start-work. The mathematic model of hydroimpulse drive witch are managing of new tape generator was creating and researching. Researches were made with help of computer program MATLAB 6.5. The correctness of mathematic model was experimentally confirmed. The method of design study hydroimpulse drive and generator of pulses pressure were development. The aspects to construction of valve generator and pressure regulator of his “opening” are offer.

Keywords: hydroimpulse drive, generator of pulses pressure, vibromachine, frequency, amplitude, link.

Размещено на Allbest.ru

...