CC BY
24
9. Abe, S. Malfunction mechanism of semiconductor circuit breaker in HVDC power supply system [Text] / S. Abe, K. Fukushima, Y. Sihun, M. Ogawa, K. Nomura, M. Shoyama, T. Ninomiya, A. Matsumoto, A. Fukui, M. Yamasaki // 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2010. - Р. 3733-3738. doi: 10.1109/ecce.2010.5617785
10. Magnusson, J. On the use of metal oxide varistors as a snubber circuit in solid-statebreakers [Text] / J. Magnusson, A. Bissal, G. Engdahl, R. Saers, Z. Zichi, L. Liljestrand // IEEE PES ISGT Europe 2013, 2013. - Р. 1-4. doi: 10.1109/isgteurope.2013.6695454
11. Kerboua, H. 1200 V snubberless symmetrical GTO for AC switches [Text] / H. Kerboua, D. Sebille, F. Miserey // Power Electronics and Applications. Fifth European Conference on IET Conference Publications. - 1993. - Vol. 2. - Р. 272-277 .
12. Magnusson, J. Separation of the Energy Absorption and Overvoltage Protection in Solid-State Breakers by the Use of Parallel Varistors [Text] / J. Magnusson, R. Saers, L. Liljestrand, G. Engdahl // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2014. - Vol. 29, Issue 6. - P. 2715-2722. doi: 10.1109/tpel.2013.2272857
13. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи [Текст]: учебник / Л. А. Бессонов. - М. : Гарда-рики, 2002. - 640 с.
-□ □-
Дослиджено duHaMÏ4HÏ процеси в cucmeMi керування гидропривода конве-ера з паралельно встановленими гидромоторами за допомогою математич-но1 модeлi, побудованог з урахуванням фiзичних явищ, що вгдбуваються пи) час роботи гидросистеми за змтного навантаження. Визначено параметри системи керування, що забезпечують безупинну роботу конвеера за рахунок вмикання i вимикання додаткового гидромотора в умовах ди перевантажень
Ключовi слова: гидропривод, система керування, конвеер, змтт ванта-жопотоки, динамiчнi процеси, мате-
матичне моделювання
□-□
Исследованы динамические процессы в системе управления гидропривода конвейера с параллельно установленными гидромоторами с помощью математической модели, построенной с учетом физических явлений, происходящих во время работы гидросистемы при переменной нагрузке. Определены параметры системы управления, обеспечивающие непрерывную работу конвейера за счет включения и выключения дополнительного гидромотора в условиях действия перегрузок
Ключевые слова: гидропривод, система управления, конвейер, переменные грузопотоки, динамические процессы,
математическое моделирование -□ □-
УДК 622.64:62-522.2
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.65930|
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ДИНАМ1ЧНИХ ПРОЦЕС1В В СИСТЕМ! КЕРУВАННЯ Г1ДРОПРИВОДА СТР1ЧКОВИХ КОНВЕ6Р1В
13 ЗМ1ННИМИ ВАНТАЖОПОТОКАМИ
Л. К. П о л i щу к
Кандидат техшчних наук, професор* E-mail: [email protected] £. В. Харчен ко Доктор техычних наук, професор Кафедра опору матерiалiв Нацюнальний ушверситет <^bBiBCb^ пол^ехшка» вул. С. Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013 E-mail: [email protected] О. В. Шонткевич Астрант** E-mail: [email protected] О. О. Ковал ь* Здобувач
E-mail: [email protected] *Кафедра металорiзальних версталв та обладнання автоматизованого виробництва*** **Кафедра технологи та автоматизаци машинобудування*** ***Вшницький нацюнальний техшчний уыверситет Хмельницьке шосе, 95, м. Вшниця, УкраТна, 21021
1. Вступ
CTpi4KOBi конвеери широко використовують у pi3-них галузях народного господарства, що сприяе меха-шзацп та автоматизаци технолопчних процеав. Ван-тажопотоки, що поступають на транспортувальний
орган, характеризуются вщносною постшшстю чи змшшстю як за штенсившстю так i за перюдом заван-таження. Наприклад, транспортш вантажопотоки, як формуються у забоях шахт, вiдрiзняються суттевою нерiвномiрнiстю за амплггудою, перервами в надхо-дженнi вантажу тощо. Здеб^ьшого, цi змiни носять
©
С.
випадковий характер [1]. Нерiвномiрнiсть е результатом сукупного впливу на процеси видобутку корисних копалин, навантаження i транспортування вуплля чи прничо! маси великого числа природних, прничотех-шчних та iнших чинникiв, що знаходяться в складному взаемозв'язку i можуть змшюватися в широких межах. За таких умов коефвдент нерiвномiрностi вантажопо-токiв може коливатися в межах Кн=1,97...2,02 [2]. Тран-спортери альськогосподарських машин сприймають навантаження, iнтенсивнiсть яких е суттево рiзною у рiзноманiтних фазах технологiчного циклу. Так, ви-вантажувальний i поперечний транспортери коренез-бирально! машини РКС-6 пiд час змши автотранспорту, що працюе з комбайном, зупиняються i в бункерi накопичуеться буряк. Пiд час подальшого пуску привода транспортерiв технологiчне навантаження на них зростае в 2,5...3 рази у порiвняннi з номiнальним. Ана-логiчнi режими роботи е властивими й для приймаль-ного конвеера буртоукладника К-65М2Б3-К тд час розвантаження коренеплодiв в бункерний пристрш з автотранспорту. В такому випадку, в електромехашч-ному приводi транспортерiв можливим е вихвд з ладу елементiв привода, а в гвдрофжованому [3] - аваршне вiдмикання через спрацьовування запобiжного клапана i зупинка гiдромотора. Для подальшого вiдновлен-ня роботи конвеера зменшують навантаження на його робочому органi, тсля чого здiйснюють повторний пуск привода.
З метою забезпечення безупинно! роботи гщро-приводно! системи, що пiддаеться короткочасним або тривалим перевантаженням, та тдвищення за раху-нок цього продуктивностi машини неперервного транспорту, дощльно оснащувати гiдропривод додатковим гiдромотором, встановленим паралельно до основного, що дозволить застосувати активне резервування крут-ного моменту на приводному барабань При цьому не-обхщно застосовувати систему керування iз засобами гвдроавтоматики, чутливу до змши навантаження на робочому орган i теоретично обгрунтовувати !! па-раметри, як забезпечать ефективне функцiонування гвдропривода в нестацiонарних режимах роботи. Тому всебiчне вивчення впливу параметрiв тако! системи керування гiдроприводом на динамiчнi процеси в кон-веерах е актуальним завданням.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
Теоретичш дослiдження систем i пристро!в керування гiдроприводiв виконувалися для транспорту-вальних та iнших технолопчних машин. Так, напри-клад, для гвдропривода з пропорцiйним керуванням виконавчо! ланки [4] дослiдження динамiчних характеристик виконано за допомогою математично! моделi, що враховуе характеристики насосно! станцi'i, виконавчо! ланки, шерцшного навантаження, пристрою керування - пропорцшного клапана з електричним зворотнiм зв'язком за положенням. Дослвджена i екс-периментально пiдтверджена роботоздатнiсть вбу-довано! системи керування гiдропривода стрiчково! пили з контролем швидкосп рiзання металу [5].
В гiдросистемi з дискретним пдророзпод^ьником потокiв робочо! рiдини [6], що живить два регульоваш гвдромотори, дослiдженням фiзично! та математично!
моделi перехiдних процесiв в режимi !х дiлення, ви-значено параметри керуючого органу, якi забезпечу-ють незалежшсть навантажувального режиму роботи контурiв цих гiдромоторiв один вiд одного та швид-костi обертання !х валiв в широкому дiапазонi змiни навантажень.
Аналiзом електрогiдравлiчно! системи пропор-цiйного керування швидюстю стрiчки конвеера [7], проведеним за допомогою програмного забезпечення МА^АВ, встановлено, що коли iснують невелик змiни iнерцiйного навантаження, система керування повинна мати вщповщш частотнi параметри для тдвищення чутливост П1Д-регулятора, який корегуе частоту обертання гщромотора.
В адаптивнiй системi керування електрогiдравлiч-ною системою з невiдомими нелшшними параметрами [8] за допомогою системи давачiв, що контролюють тиски в натрнш, зливнiй гiдролiнiях та пдролжях керування роботою гiдроцилiндра двосторонньо! дп, а також змiни положення навантажено! виконавчо! ланки, в процесорi контролера за функцiею Ляпунова формуеться вихщний сигнал. Вiн поступае до елек-трогiдравлiчного розподiльника, що забезпечуе стшку роботу привода, незалежно вщ дiючого навантаження.
Дослiджено систему керування пдропривода наван-тажувача [9], який працюе за короткочасних режимiв пусюв i зупинок, що мiстить паралельно встановлеш виконавчi ланки. Визначено параметри гвдросистеми, якi забезпечують використання регенеровано! в гiдро-акумуляторi енергГ! тд час режиму гальмування для подолання ткових навантажень за пускових режимiв.
Проаналiзовано роботу гiдропривода з паралельно встановленими гщромоторами [10] з однаковими i рiз-ними !х характерними об'емами. Розглянуто викори-стання подiльника потоку для забезпечення необхвд-них швидкостей обертання валiв гiдромоторiв.
В системi керування гiдропривода мiнiекскавато-ра [11] давачi контролюють роботу регульованого насосу, запобiжно-переливного клапана, розподiльникiв та двох виконавчих ланок у виглядi гiдроцилiндрiв. Дослiдженнями динамiчних характеристик вихвдно! ланки визначено параметри розробленого контролера, за допомогою якого досягаеться оптимiзацiя роботи всiх елементiв гiдропривода регулюванням траекторп перемiщення манiпулятора, потоку та тиску робочо! рвдини в гщросистемь
Дослiдженням двох математичних моделей елек-трично! лiнi! живлення насосно! станцп з насосами постiйно! та змшно! продуктивностi i гiдроприводно! системи рiжучоi головки тунелепрохiдницько! маши-ни [12] встановлено параметри системи керування, що забезпечують рiзнi режими роботи при змiнi навантаження на робочш ланцi. Необхщна змiна потужностi на робочiй ланщ досягаеться вмиканням регульованого пдронасоса.
Дослiджувалися також системи керування пдро-приводiв, в яких керуючим сигналом були змши в перемщенш робочо! ланки, або в швидкосп !! руху. На жаль, такi системи керування не можуть бути вико-ристаш для гiдропривода, який повинен реагувати на короткочасну або тривалу змшу навантаження вмиканням паралельно встановленого додаткового пдро-мотора в приводi робочо! ланки без додаткових затрат енергп насосно! станцп.
уз
У дослщженнях пристрою керування пдропри-вода, який виконано на основi двокаскадного клапана [13], показано ефектившсть його використання за умови змши навантаження на робочому оргаш. Ви-значено шляхи удосконалення роботи пдропривода за рахунок розробки системи керування з фрикцшною муфтою для вмикання додаткового пдромотора. Крiм того, для зменшення сил опору пiд час пуску додаткового пдромотора необхщно, щоб робота пристрою керування ще! системи вiдбувалася за режимом, вщ-повiдно до якого, спочатку, з невеликою затримкою в часi, вщбуваеться зрушення вала додаткового пдромо-тора, а поим спрацьовуе фрикцшна муфта ведучо! ше-стiрнi передавального механiзму. Ця задача розв'язана в системi керування вмонтованого гiдропривода, що розглядаеться нижче.
3. Щль та задачi дослiдження
Метою дослщжень е обгрунтування параметрiв системи керування пдропривода конвеера, який включае паралельно встановлеш основний i додатко-вий гiдромотори, що забезпечують безупинну роботу пдроприводно! системи в умовах короткочасних або тривалих перевантажень i дають можливiсть за зада-ними режимами здшснювати вмикання та вимикання додаткового пдромотора в залежносп вщ моменту сил корисного опору на приводному барабан конвеера.
Для досягнення поставлено! мети в робоп розв'язу-валися такi задачi:
- для системи керування пдропривода з паралельно встановленими пдромоторами будувалася матема-тична модель динамiчних процесiв з урахуванням змЬ ни моменту сил корисного опору, дп сил в'язкого тертя на обертовi елементи гiдромоторiв, змiни напрямкiв руху робочо! рщини в процесi роботи пристрою керування, дисипацп енергп при поступальних перемщен-нях елементiв системи керування;
- проводився аналiз впливу параметрiв системи керування та режиму навантаження рушшного барабана на перебп динамiчних процесiв у вмонтованому гiдроприводi стрiчкового конвеера та обгрунтовано параметри системи керування, що забезпечують безу-пинну роботу конвеера за рахунок вмикання i вимикання додаткового пдромотора на заданих режимах роботи машини неперервного транспорту.
4. Матерiали та методи дослщжень системи керування пдропривода стрiчкового конвеера iз змiнними вантажопотоками
Теоретичш дослiдження динамiчних процесiв у сис-темi керування вмонтованого пдропривода конвеера iз змiнними вантажопотоками виконувалися методами фiзичного та математичного моделювання iз застосу-ванням комп'ютерного програмного пакету МА^АВ Simulink. Для розв'язання диференщальних рiвнянь ма-тематично! модели обчислення 11 станiв в процес моделювання i генерацп коду використано функщю ode23s, в основу яко'! покладено однокроковий модифiкований метод Розенброка 2-го порядку, покликаний забезпечи-ти високу швидюсть обчислень для жорстких систем.
4. 1. Фiзичне моделювання системи керування
Для системи керування пдроприводами стрiчко-вих конвеерiв iз змiнними вантажопотоками розро-блено розрахункову модель, що подана на рис. 1.
Виконавчими ланками системи керування пдропривода е два пдромотори ГМ1 та ГМ2, до яких шдво-дяться потоки робочо! рщини Qd1 та Qd2 ввд насосно! станцп, що мае витрати Qn, та плунжер 7 фрикцшно! муфти вмикання передавального механiзму додаткового пдромотора ГМ2, зведена маса якого т3. Плунжер 7 взаемодiе з натискним пристроем дискiв нашвмуфти, який навантажений пружиною 8 жорстюстю kз. При-ймаемо осьову силу Fa стискання дисюв постшною, що вiдповiдае кiнцевiй стадп вмикання муфти.
Рис. 1. Розрахункова модель системи керування пдропривода конвеера iз змшними вантажопотоками
Робочi порожнини гiдромоторiв та натискного плунжера 7 короткими пдрол^ями з'еднано з в^-пов^ними порожнинами основного складового еле-менту системи - пристрою керування клапанного типу з функщями розподiльника. Система керування складаеться з клапана першого каскаду (сенсора) параметричного принципу дп, що мiстить запiрний елемент 1 масою т1, який мае кулькову форму i навантажений пружиною 2 жорстюстю k1, регулятора тиску в^криття пристрою керування, та другого каскаду у виглядi запiрно-регулювального елемента 3 масою т2, що навантажений регулювальною пружиною 4 жорстюстю k2. Мiж промiжною та зливною порожнинами встановлено регулювальний дросель 5 з прох^ним перерiзом площею /¿2. Напiрна порож-нина, що утворена проточкою клапанно! частини запiрно-регулювального елемента 3, внутршньою поверхнею корпуса та герметизуючою фаскою шд-ла, пдрол^ями з'еднана з першою керiвною по-рожниною, яка мае додатне перекриття hd, другою керiвною порожниною, верхня торцева поверхня розточки корпуса яко! з нижньою торцевою поверх-нею проточки зашрно-регулювального елемента 3
утворюють вщ'емне перекриття hb, з порожниною мiж торцевою поверхнею хвостово! частини затр-но-регулювального елемента 3 та верхньою части-ною корпуса, що мае висоту hc, а також з нашрною порожниною сенсора.
У гщролшп мiж першою керiвною порожниною та порожниною торцево! частини зашрно-регулю-вального елемента 3, що з'еднана з нашрною порожниною сенсора, встановлено регулювальний дросель 5 з поперечним перерiзом площею fj.
У вихiдному положеннi запiрно-регулювального елемента 3 пристрою керування плунжер 7 масою m3 натискного пристрою твмуфти, який навантажений пружиною розмикання 8 жорстюстю k3, знаходиться у положеннi, що ввдповвдае вимкненому стану фрик-цшно! муфти.
4. 2. Математичне моделювання системи керування
Математична модель системи керування, що розро-блена за розрахунковою моделлю (рис. 1) побудована на основi принципу Д'Аламбера щодо сил, якi дiють на рухомi елементи, та балансу витрат робочо! рщини [14] з урахуванням змши моменту сил корисного опору, дп сил в'язкого тертя на обертовi елементи гiдромоторiв, змiни напрямкiв руху робочо! рiдини в процесi роботи пристрою керування, дисипацп енергп при перемщен-нi рухомих елементiв системи.
Математична модель складена за умови прийняття таких припущень: розглядаються зосереджеш параметри пдропривода; температура i в'язкiсть потоку робочо! рвдини прийнята постiйною; напiрнi з'еднуваль-m трубопроводи короткi, тому гiдравлiчним опором i хвильовими процесами в них нехтуемо; податливост порожнин, а також стисливкть робочо! рiдини врахо-вувалися як усереднеш величини для дослвджуваного дiапазону змiни тиску; тиск рщини в зливних мапстра-лях приблизно постшний; сили сухого тертя невелик^ тому ними нехтуемо; режими роботи - безкавиацшш; перетiкання робочо! рвдини в щiлинах насоса або мо-торiв не враховувались.
Коректнiсть прийнятих припущень та принципи ма-тематичного моделювання динамiчних процесiв в сис-темi керування пiдтверджено порiвнянням результапв теоретичних та експериментальних дослiджень [15].
Рiвняння рiвноваги моментiв на валах гiдромоторiв:
- коли працюе один гщромотор ГМ1 (у=0),
M + M0 = qml-p„
M + M0 = qmi Pn +qm2 Pn
(2)
Pi 2-
fl
(3)
Рiвняння руху кулькового запiрного елемента тс-ля вiдкриття сенсора за умови, що тиск в зливнш по-рожнинi р0~ 0, мае вигляд:
де
Fgi = Fgi -Fg"2 = pQvw cosß0 -pQvc = pQ(vw cosß0 -vc). (5)
При 0 < x < hc, hc = hcd + hcb витрати потоку через сенсор
Q = -^2|pJ/p ■sign(p1).
(6)
Рiвняння руху затрно-розпод^ьного елемента 3 для перемiщення 0 < y < hb, мае вигляд:
(1)
- коли працюе два гщромотори ГМ1 та ГМ2 (у>0; Fa>Ftr),
Pnf3 = Plf4 + к2Ус-
- якщо y=0;
Pnf3 = m2 У + к2(Уо + У ) + b2y + Plf4 + Fg2 -
- якщо y>0, де
Fg2 =VgPnf3.
(7)
(8)
(9)
Рiвняння балансу витрат робочо! рщини в натрнш пдролшп:
Qn = Qm1 + Qfd +ßWnddp
- якщо y=0;
Qn = Qm1 + Qm2 +Qfd +ßW„^,
- якщо 0<y<4,540-3 м;
Qn =Qm1 + Qm2 +Qfd + Qk
(10)
(11)
(12)
- якщо y>4,540-3 м, тобто мае мiсце вiдкриття по-рожнини плунжера 7, де
Qfd = MdV2|p„-p\/P sign(p„ -p4); (13)
Qk = ЦП-d2 ■ (y-4,5■ 10-3^2|pn -p\/p ■ sign(p„ -p2). (14)
Витрати робочо! рщини пiсля дроселя 5 Qfd та за-пiрно-регулювального елемента 3 в порожниш плунжера 7 Qk:
Qfd = Q+ßw1dptL;
0 = f5 z + |i n d2 (1,5 10-3-y)x
Х/ 2Р2/ P ■ sign(p2) + ßW2djt2,
(15)
(16)
Вiдкриття запiрного елемента 1 вщбуваеться за умови пiдвищення тиску в гiдроприводi до величини
k1x
- якщо y=0...1,510-3 м - мае мшце злив робочо! рь дини з порожнини плунжера 7;
0 = f5 z + ßW2^2;
dP2. dt
якщо y=(1,5-10-3-4,5-10-3) м;
Qk = fs z+ßW2dp
(17)
(18)
f2p4 = m1 x + k4(x0 + x) + bjxs + Fg1,
(4)
- якщо y=4,5'10-3...5'10-3 м - мае мкце нагнiтання робочо! рiдини в порожнини плунжера 7.
Рiвняння руху натискного плунжера 7 фрикцшно! нашвмуфти:
«вщкриття» i «закриття» сенсора pi(t) та перемiщення сенсора x(t) в часi показано на рис. 4.
P2f5 = + k3 (z0 + z) + b3Z + Fa.
(19)
Fa починае дiяти у момент входження в контакт натискного плунжера з муфтою.
Закриття кулькового зашрного елемента вщбуваеться за умови зниження тиску до величини [16]
Pi^ Pif--f2
kix
IT'
(20)
В рiвняннях (1)-(20), крiм зазначених вище, використано такi позначення: М - крут-ний момент на валах гiдромоторiв; М0 - момент тертя в пдромоторах; ßm - коефiцiент в'язкого тертя в пдромотор^ qm1, qm2 - харак-терний об'ем гiдромоторiв; ß - коефiцiент по-датливостi з урахуванням стисливост робочо! рiдини; ц - коефiцiент витрати; р - густина робочо! рщини; S=f1/f2 - вщношення площi контакту рiдини з сенсором при «вщкриттЬ» сенсора 1 та руху сенсора 1 вщповщно; f3, f4, f5 -плошд поверхонь торцiв зашрно-регулюваль-ного елемента 3 та плунжера 7, вщповщно; WH, W1, W2 - об'ем напiрноï гiдролiнiï, порожнини сенсора 1 та порожнини плунжера 7, вщповщ-но; d1, d2, d3 - дiаметр запiрного елемента, зашрно-регу-лювального елемента 3 та плунжера 7, вщповщно; x0, уо, z0 - попередне стиснення пружини 2, 4, 8, вщповщно; b1, b2, b3 - коефiцiент в'язкого демпфування; ßo - кут нахилу струменя робочо! рщини; vw, Vc - швидюсть руху рщини в шiлинi та сщл^ вiдповiдно; ^g - коефщент сили.
5. Результати дослiджень системи керування пдропривода сучкового конвеера i3 змiнними вантажопотоками
Для виконання теоретичних дослщжень використано такi вихщш значення параметрiв системи керування: М до 350 Нм; М0=35 Нм; ßm=0,05 Нмс/рад; Qn=2,35x х10-4 м3/с; qm1=2qm2=12,8.10-6 м3/рад; ß=0,6x10-9 м2/Н; ц=0,6; р=850 кг/м3; S=f1/f2=0,7; fd=2.10-6 м2; WH=0,510-3 м3; m1=33.10-3 кг; d1=7,94.10-3 м; x0=10.10-3 м; hcd=1,8.10-3 м; k1=50.103 H/м; b1=500 кг/с; W1=0,5.10-5 м3; m2=120.10-3 кг; d2=16.10-3 м; y0=0; hc=1,5.10-3 м; k2=9.103 H/м; b2=50 кг/с; W2 = 0,1.10-3 м3; m3 = 120.10-3 кг; d3 = 19.10-3 м; z0 = 0; k3=15.103 H/м; b3=300 кг/с; ß0=0; vw=vc; yg=0,2.
В результат розв'язання системи диференцiальних рiвнянь (1)-(20) з рiзними значеннями початкових да-них отриманi у виглядi графтав теоретичнi залежностi змiни в чаа крутного моменту навантаження M(t), тиску нашрно! гiдролiнiï pn(t), тиску «вщкриття» та «закриття» сенсора p1(t), тиску в порожнинi плунжера p2(t), перемiшення сенсора х(t), перемiшення зашрно-регу-лювального елемента у(t), перемiшення плунжера z(t), що показанi на рис. 2.
Отримано графiчнi залежностi, шо iлюструють вплив характерного об'ему додаткового пдромотора на змшу тиску в сенсорi p1(t) в часi (рис. 3, а, б).
Вплив вщношення плош S=f1/f2 герметизацп зашрного елемента на перехщш процеси змши тиску
Рис. 2. Теоретичш графой змши в 4aci M(t), pn(t), pi(t), p2(t), x(t),
y(t), z(t)
Рис. 3. Теоретичнi графiки змiни тиску «вщкриття» сенсора p1(t) вiд часу при значеннях характерного об'ему додаткового пдромотора: а — qm2<0,5 qm1; б — qm2=0,75 qm1
Рис. 4. Теоретичнi граф^и змiни в часi p1(t) та x(t) при S=0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 0,9
Кр1м того, дослщжувався вплив зведено! маси плунжера Шэ та його демпфування Ьз на динам1чн1 процеси шд час розмикання фрикцшно! муфти, а та-кож характер змши навантаження на робочш ланщ на перехщш процеси в систем! керування.
6. Обговорення результате дослщжень системи
керування пдропривода стр1чкового конвеера 1з змшними вантажопотоками
Дослщження проводили за умови змши крутного моменту М зпдно з законом, поданим на першому гра-фшу рис. 2. Анал1з теоретичних графтв показуе, що система керування адекватно реагуе на змшу зовшш-нього навантаження. Перехщш процеси тривають невеликий за пром1жком час (до 0,009 с), максимальне амплггудне значення коливань тиску не перевищуе тиск «вщкриття» (0,76 р1). Характеристики пружи-ни 2 та площа ^ сенсора вщповщають налаштуванню на тиск «вщкриття» 21 МПа зашрно-регулювального елемента 3. Тривалють вщкриття зашрно-регулюваль-ного елемента 3 до моменту спрацьовування сенсора становить 0,006 с.
Затримка в час! м1ж пуском вала додаткового пд-ромотора та зчепленням фрикцшно! муфти становить 9-10-4 с, за яко! вщбуваеться перекомутащя пдролшш напору та зливу порожнини плунжера 7. Шсля знижен-ня навантаження зашрний елемент 1 сенсора поверта-еться у вихщне положення за тиску «закриття» близько 12 МПа. При цьому пдролш1я додаткового пдромотора вщмикаеться вщ пдросистеми 1 вщбуваеться тимчасо-ве зростання тиску в нашрнш порожниш першого пд-ромотора до 18 МПа, який е меншим вщ тиску «вщкрит-тя» сенсора 1 забезпечуе стшку роботу пдропривода до моменту виходу на номшальний режим.
Пор1вняння перехщних про- ^ цеспв, що вщображеш на граф1ках (рис. 3), шюструе вплив характерного об'ему додаткового пдро-мотора ГМ2 на стшкють системи. Коли характерний об'ем не перевищуе значень |ш2^0,5 С|ш1, система працюе в стшкому режим! 1 тиск «вщкриття» вщповщае тис-ку налаштування сенсора. Коли ж характерний об'ем додаткового пдромотора ГМ2 мае бшьш! значення (наприклад, |ш2=0,75 |ш1), в пдросистем! спочатку розви-ваються нестшк! процеси спрацьовування сенсора 1 лише за до-сягнення значень тиску 23 МПа, що бшьше тиску налагодження, повнютю вщкриваеться зашрний елемент, коливання якого у цьо-му положенш вщбуваються впро-довж 0,05 с, а перевищення тиску над номшальним сягае 30 %.
Анал1зом динам1чних проце-с1в, прошюстрованих на рис. 4, визначено вплив сшввщношення площ S=fl/f2 на тиск «вщкриття» 1 «закриття» сенсора. За малих
сшввщношень ^=0,1; 0,3) перехщш процеси вщбува-ються в стшкому режим! 1 тиск «закриття» мае менш1 значення. Сшввщношення S=0,5; 0,7 вщповщають тиску «закриття», що забезпечуе нормальний режим роботи пдропривода, тобто вимикання додаткового пдромотора ГМ2 за необхщного зменшення дшчого навантаження. За значення S=0,9 спостер1гаемо нестшкий режим роботи сенсора системи керування.
Розчеплення фрикцшно! муфти вщбудеться лише тод1, коли повнютю витиснеться робоча рщина з порожнини плунжера 7. В цей час додатковий пдромо-тор ГМ2 може працювати в насосному режимь Для уникнення утворення вакуумно! порожнини в робочш камер! додаткового пдромотора ГМ2 м1ж нашрною 1 зливною пдролш1ями необхщно встановити зворотний клапан. Встановлено, що зведена маса плунжера Ш3 1 коеф1щент демпфування Ь3 впливають на перехщний процес розмикання фрикцшно! муфти. 1з збшьшен-ням маси плунжера необхщно збшьшувати коеф!щент демпфування для забезпечення швидкого затухання коливань плунжера. За умови, коли зменшення маси плунжера е неможливим, до його порожнини необхщно шдключити паралельно встановлеш зворотний клапан з дроселем, регулюванням якого досягаеться необхщне демпфування коливань плунжера.
Встановлено, що збшьшення швидкост! змши наван-таження робочо! ланки може призвести до перевищення тиску в сенсор! над значенням тиску налагодження. Для убезпечення пдросистеми вщ перевантаження за таких умов необхщно встановлювати в нш запоб1жно-пере-ливний клапан, що обмежуе тиск в нашрнш пдролшп.
Отримаш результати дослщжень дозволили роз-робити конструкцт вмонтованого пдравл!чного привода з системою керування вмикання паралельно встановленого додаткового пдродвигуна, схема якого наведена на рис. 5 [17].
Рис. 5. Конструктивна схема вмонтованого пдропривода приймального конвеера буртоукладника К-65М253-К
Керований г1дравл1чний мотор-барабан м1стить корпус барабана 1, в який вбудовано привод, виконаний у вигляд1 двох окремих г1дромотор1в основного 2 (ГМ1) та додаткового 3 (ГМ2), i два передавальш механ1зми, кожний з яких складаеться з ведучих 4 i 7, пром1жних 5 i 8 та коронних 6 i 9 зубчастих кол1с. Корпус барабана 1 встановлено на в1с1, шо складаеться 1з трьох частин 10, 11, 12. Для тдведення i в1дведення робочо! р1дини до г1дромотор1в 2 та 3 в середиш л1во! та право! частин в1с1 10 та 12 виконано осьов1 канали 13 i 14, як1 за допомогою рад1альних канал1в 15 i 16, а також натрних трубопро-вод1в 17 1 18 та зливних - 19 1 20, з'еднаш з робочими камерами г1дромотор1в 2 та 3. В натрному трубопровод! 17 встановлено пристр1й керування 21. Вх1д додаткового пдромотора 3 при вимкненому пристро! керування 21 з'еднано 1з зливом через зворотний клапан 22.
Пристрш керування 21 виконано за схемою, шо наведена на рис. 1, у вигляд1 двокаскадного клапана, над1леного функц1ями г1дравл1чного розпод1льника.
В другому передавальному механ1зм1 м1ж валом додаткового пдромотора 3 та ведучою шестернею 8, вста-новлена фрикц1йна муфта 25, л1ва п1вмуфта яко! через грибок мае контакт з торцевою сферичною поверхнею натискного плунжера 26, шо встановлений у б1льшому д1аметр1 центрального стутнчастого отвору, викона-ного з правого боку середньо! частини 11 в1с1. Плоска поверхня натискного плунжера 26 з б1льшим д1аметром центрального стутнчастого отвору утворюе порожни-ну 27, яка з'еднана з порожниною меншого д1аметра.
За ном1нального навантаження на робоч1й ланц1 конвеера працюе основний г1дромотор 2, який через передавальний мехашзм приводить в рух корпус барабана 1. При раптовому тдвишенш навантаження, величина якого в1дпов1дае значенням тиску «в1дкриття», спрацьовуе пристрш керування 21 1, спочатку, в1дбува-еться вмикання додаткового пдромотора 3, а пот1м -спрацьовуе фрикцшна муфта 25, 1 крутний момент в1д вала додаткового пдромотора 3 через передавальний мехашзм передаеться корпусу барабана 1.
П1сля зниження навантаження на робочш ланц1 конвеера до величини, шо в1дпов1дае тиску «закриття», спрацьовуе пристрш керування 21, в1дмикаеться фрикцшна муфта 25, а пот1м додатковий г1дромотор 3.
Розроблено техшчну документац1ю на вмонтова-ний г1дравл1чний привод з системою керування для приймального конвеера буртоукладника К-65М2Б3-К на ПрАТ «Калишвський машинобуд1вний завод» (В1-нницька область, Украша), продукц1я якого експлуа-туеться на заводах Украши та бвропи.
7. Висновки
В результат1 виконаних досл1джень:
1. Побудована математична модель динам1чних про-цес1в у систем1 керування г1дропривода з паралельно встановленими г1дромоторами, за допомогою яко! ви-значено параметри системи керування, шо забезпечу-ють рацюнальш режими роботи конвеера за змшних навантажень на приводному барабаш. Анал1з теоре-тичних граф1к1в показав, шо зап1рно-регулювальний елемент пристрою керування, забезпечуе необх1дний режим роботи системи 1з затримкою вмикання фрикцшно! муфти п1сля вмикання додаткового пдромотора для його розгону в холостому режим1, за рахунок чого виконавчий орган ефективно долае короткочасш та тривал1 перевантаження приводно! системи.
2. Значення характерного об'ему додаткового пдромотора, сп1вв1дношень плош герметизацп затрного елемента впливають на ст1йк1сть перех1дних процес1в сенсора. Для уникнення утворення вакуумно! порожнини в додатковому г1дромотор1 п1д час розчеплення фрикцшно! муфти необх1дно м1ж нап1рною 1 зливною г1д-рол1н1ями встановити зворотний клапан. Зм1ною маси плунжера чи його демпфування за рахунок тдключення паралельно встановлених зворотного клапана та дроселя досягаеться затухання його коливань п1д час в1дключен-ня муфти. Для запоб1гання перевишення тиску в сенсор1 над значенням тиску налагодження необх1дно встанов-лювати в г1дросистем1 запоб1жно-переливний клапан, шо обмежуе тиск в натрнш г1дрол1н1!. Шдтверджено ефективн1сть застосування в пристро! керування, як сенсора, - клапана прямо! дп з параметричним принципом керування, шо дозволяе регулювати тиск закриття за рахунок добору його геометричних характеристик, незалежно в1д характеру змши навантаження.
Лггература
1. Спиваковский, А. О. Теоретические основы расчета ленточных конвейеров [Текст] / А. О. Спиваковский, В. Г. Дмитриев. -М. : Наука, 1977. - 154 с.
2. Шахмейстер, Л. Г. Теория и расчет ленточных конвееров [Текст] / Л. Г. Шахмейстер, В. Г. Дмитриеев - М. : Машиностроение, 1978. - 392 с.
3. Полщук, Л. К. Пдрофшащя транспортних засобiв буртоукладальних машин [Текст] / Л. К. Полщук, Р. Д. 1скович-Лотоць-кий, Р. П. Коцюбiвський // Вiбрацii в техшщ i технолопях. Всеукра'шський науково-техшчний журнал. - 2002. - № 5 (26).
4. Forental, V. Investigation of Dynamic Characteristics of the Hydraulic Drive with Proportional Control : Engineering. International Conference on Industrial Engineering (ICIE-2015) [Text] / V. Forental, M. Forental, F. Nazarov // Procedia Engineering. - 2015. -Vol. 129. - P. 695-701. doi: 10.1016/j.proeng.2015.12.093
5. Noskievi^ P. Control of the hydraulic drive using embedded control system [Text] / P. Noskiev^ // 14th International Carpathian Control Conference (ICCC), 2013. - P. 255-261. doi: 10.1109/carpathiancc.2013.6560549
6. Котлобай, А. Я. Гидравлические агрегаты систем приводов ходового оборудования дорожно-строительных машин [Текст] / А. Я. Котлобай, А. А. Котлобай, В. Ф. Тамело // Наука и Техника. - 2016. - № 15 (1). - С. 69-77.
7. Li, R. Analysis of Electro-hydraulic Proportional Speed Control System on Conveyer [Text] / R. Li, J. Luo, C. Sun, S. Liu // Procedia Engineering. - 2012. - Vol. 31. - P. 1185-1193. doi: 10.1016/j.proeng.2012.01.1161
8. Guan, C. Adaptive sliding mode control of electro-hydraulic system with nonlinear unknown parameters [Text] / C. Guan, S. Pan // Control Engineering Practice. - 2008. - Vol. 16, Issue 11. - Р. 1275-1284. doi: 10.1016/j.conengprac.2008.02.002
9. Engineering Essentials: Hydraulic Motor Circuits [Electronic resource]. - A staff report. - Hydraulics & Pneumatics, 2012. - Available at: http://hydraulicspneumatics.com/200/TechZone/HydraulicPumpsM/Article/False/6472/TechZone-HydraulicPumpsM
10. Ho, T. H. Speed Control of a Hydraulic Pressure Coupling Drive Using an Adaptive Fuzzy Sliding-Mode Control [Text] / T. H. Ho, K. K. Ahn // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. - 2012. - Vol. 17, Issue 5. - P. 976-986. doi: 10.1109/tmech.2011.2153866
11. Xu, B. Energy saving of cutterhead hydraulic drive system of shield tunneling machine [Text] / B. Xu, R. Ding, J. Zhang, M. Cheng, T. Sun // Automation in Construction. - 2015. - Vol. 57. - P. 98-111. doi: 10.1016/j.autcon.2015.04.012
12. Shi, H. Energy saving of cutterhead hydraulic drive system of shield tunneling machine [Text] / H. Shi, H. Yang, G. Gong, H. Liu, D. Hou // Automation in Construction. - 2014. - Vol. 37. - P. 11-21. doi: 10.1016/j.autcon.2013.09.002
13. Полщук, Л. К. B^ip napaMeTpiB вмонтованого пдракшчного приводу з пристроем керування [Текст] / Л. К. Полщук, О. О. Адлер, М. Салех. - Машинознавство. - 2010. - № 6. - С. 36-40.
14. Polishchuk, L. Mathematical modeling of dynamic processes of control device of hydraulic drive of belt conveyor with variable load [Text] / L. Polishchuk, O. Koval // Tehnomus. New Technologies and Products in Machine Manufacturing Technologies. - 2015. -Issue 1. - P. 141-147.
15. Полщук, Л. К. Вмонтоваш гiдpaвлiчнi приводи конвееpiв з гнучким тяговим органом, чутливi до змши навантаження [Текст]: моногpaфiя / Л. К. Полщук, О. О. Адлер. - Вшниця : ВНТУ, 2010. - 184 с.
16. 1скович-Лотоцький, Р. Д. Генератори iмпульсiв тиску для керування гiдpоiмпульсними приводами вiбpaцiйних та вiбpоудapних технолопчних машин [Текст]: моногpaфiя / Р. Д. 1скович-Лотоцький, Р. Р. Обертюх, М. Р. Архипчук. - Вшниця, 2008. - 171 с.
17. Пат. 68816 Украши, МПК8 B65G 23/00. Керований гiдpaвлiчний мотор-барабан [Текст] / Полщук Л. К., Обертюх Р. Р., Харченко 6. В., Адлер О. О., Кислиця Д. В. - заявник та патентовласник Вшницький нацюнальний техшчний ушверситет. -№ u201111872; заявл. 10.10.2011; опубл. 10.04.2012, Бюл. № 7.
-□ □-
Наведено результати теоретичних дослi-джень по визначенню основних характеристик оригтальних кончних вихрових дiодiв для захисту трубопроводiв вид гiдравлiчних ударiв. Дано опис конструкцИ дюда, стенда та методики проведен-ня експериментiв. Отриман до^дш дан узгод-жуються з розрахованими значеннями дiодностi та постшног часу, що тдтверджуе достовiрнiсть математичног моделi робочого процесу пристрою Ключовi слова: гiдравлiчний гiдравлiчний удар, захист трубопроводу, гiдравлiчний отр, дюд-ность, вихровий дюд, експериментальн характеристики вихрового дюда
□-□
Приведены результаты теоретических исследований по определению основных характеристик оригинальных конических вихревых диодов для защиты трубопроводов от гидравлических ударов. Дано описание конструкции диода, стенда и методики проведения экспериментов. Полученные опытные данные согласуются с рассчитанными значениями диодности и постоянной времени, что подтверждает достоверность математической модели рабочего процесса устройства
Ключевые слова: гидравлический удар, защита трубопровода, гидравлическое сопротивление, диодность, вихревой диод, экспериментальные
характеристики вихревого диода -□ □-
УДК 621.646.942
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.65996|
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ВИХРЕВОГО ДИОДА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ГИДРОУДАРОВ
М. В. Оверко
Соискатель Кафедра горных машин и мехатронных систем машиностроения Донецкий национальный технический университет ул. Шибанкова, 2, г. Красноармейск, Украина, 85300 E-mail: [email protected]
1. Введение
Защита от гидравлических ударов считается необходимым мероприятием на всех напорных водоводах и должна обеспечиваться комплексом нормативных мер, которые включают в себя как технологические
требования, например плавное закрытие задвижки на выходе насоса перед его отключением, так и установку специальной предохранительной аппаратуры, которая срабатывает в аварийных режимах, возникающих в результате ошибок персонала, внезапного отключения электроэнергии, механических поломок регулирую-
©
