CC BY
12
Засядко А.А., Насников Д.Н.
УДК 532.54:62.752
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ АКТИВНОЙ ВИБРОЗАЩИТНОЙ СИСТЕМЫ
В практических реализациях активных виброзащитных систем электрогидравлические исполнительные механизмы получили наибольшее распространение [1-3] и используются в системах вибрационной защиты операторов транспортных систем, а также в вибрационных технологических машинах. Теоретические исследования электрогидравлических систем основываются на предварительном изучении особенности активной виброзащитной системы, составлении системы дифференциальных уравнений движения, построении передаточных функций, оценке динамических свойств при различных видах обратных связей [4]. Вместе с тем, многие ососбен-ности работы виброзащитных систем нуждаются в экспериментальной проверке.
Опытная установка была собрана и проходила экспериментальную проверку на кафедре теоретической механики Иркутского государственного технического университета [4-6].
Принципиальная схема экспериментальной установки активной виброзащитной системы представлена на рис. 1. Объектом защиты является однородный диск массой М. Его перемещение, вызванное движением основания системы, компенсируется активным элементом (2), выполненным на основе электрогидравлического сервомеханизма. Входной информацией дополнительной активной связи является перемещение объекта, которое фиксируется датчиком (3) абсолютного перемещения, состоящим из тензоэлементов, запитываемых напряжением постоянного тока, вырабатываемым тензоусилите-лем (5). При смещении объекта от среднего положения (при котором пластина не нагружена) в металлической балочке, один конец которой закреплен неподвижно, возникают напряжения, с одной
стороны, сжимающие, с другой — растягивающие тензоэлементы. За счет разности омического сопротивления тензоэлементов на выходе дифференциальной схемы появляется напряжение, величина которого пропорциональна смещению, объекта, а знак соответствует направлению смещения от нейтрального положения.
Датчик относительного перемещения (4) объекта и основания выполнен аналогично. Коэффициент усиления датчика определяется длиной консоли пластины и коэффициентом передачи тензоусилителя. В качестве устройства формирования закона управления (6) применена аналоговая электронная моделирующая установка (ЭМУ), операционные усилители которой выполняют также роль первого каскада усиления сигналов рассогласования показаний датчиков абсолютного и относительного отклонений. Аналоговая машина позволяет путем коммутирования операционных усилителей набирать необходимый вид корректирующих цепей с нужными параметрами и дает возможность менять не только алгоритм формирования сигнала управления, но и величину коэффициента
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки электрогидравлической виброзащитной системы.
иркутский государственный университет путей сообщения
усиления и постоянные времени цепи обратной активной связи.
Жидкость в гидробаке находится под атмосферным давлением и поступает в гидромагистраль под действием разряжения, создаваемого насосом (7). Параметры регулятора насоса находятся в таком соответствии с параметрами переливного клапана, которое характерно и присуще насосу постоянной производительности. Переливной клапан (8) поддерживает в магистрали давление не ниже 120 атм. Гидровоздушный аккумулятор давления (9) восполняет потери давления в системе и смягчает значительные по величине колебательные и ударные волны гидрожидкости. Совокупность переливного клапана и гидроаккумулятора поддерживает на входе в золотниковый механизм постоянное давление. Тем самым обеспечивается предположение о постоянстве давления питания исполнительного гидродвигателя, которое контролируется манометром (10). При закрытии крана (II) прекращается поступление рабочей жидкости в электрогидравлический сервомеханизм (2). Гидропровод выполнен на основе резиноме-таллических шлангов, суммарная длина которых составляет 3,4 м [5,6].
Объект массой М = 7 кг. установлен на
, кг
упругом элементе жесткостью к0 = 7 — при
см
помощи жестких элементов корпус гидроцилиндра через корпус сервомеханизма соединен с возмущающим основанием, а шток его поршня - с объектом зашиты. Работа сервомеханизма [4] как такового основана на электрогидравлическом принципе и описана в работах [1,2]. Сигнал рассогласования, поступающий от устройства формирования закона управлений, принимается электрическим блоком, который представляет собой поляризованное реле. Реле через соответствующие узлы и детали воздействует на гидравлическую часть, которая приводит в движение исполнительный шток, жестко связанный с объектом. Сервомеханизм состоит из корпуса электромагнитного поляризованного реле золотникового механизма с иглой, электромагнитного клапана, исполнительного гидроусилителя и двух редукционных, клапанов. При помощи цапф корпус сервомеханизма крепится к пластине силовой конструкции, передающей активное усилие на основание системы.
Направление движения золотника совпадает с направлением движения иглы. При пе-
ремещении золотника средние буртики его прикрывают отверстия в гильзе, соединенные с двумя каналами, в результате чего в одну из полостей исполнительного гидроусилителя подводится жидкость под давлением, а из другой — вытесняется в сливную магистраль. Регулировочные винты позволяют изменять количество жидкости, идущей на слив, обеспечивая тем самым возможность выравнивания скоростей движения исполнительного штока внутрь и наружу. При автоматическом управлении катушки электромагнитного клапана находятся под током, и крышка клапана закрывает соединительные каналы. При выходе из строя автоматики якорь реле под действием пружин возвратится в среднее положение и переместит рычаг с иглой и золотник в нейтральное положение.
В гидросистеме используется рабочая жидкость АМГ-10, её расход при максимальной скорости при Р = 0 не превышает 5,5 л/мин. Крутизна скоростной характеристики мм / сек
составляет 5---, а ход исполнительного
ма
штока около 40 мм с максимальной скоростью 50 мм/сек при зоне нечувствительности не более 0,5 ма.
Источником кинематического возмущения является электромеханический виброударный стенд. Амплитуда возмущения устанавливается величиной эксцентриситета сменного кулачка стенда. Частота возмущения определяется скоростью вращения кулачка. Для моделирования переходных процессов устанавливается ударный кулачок с резким изменением профиля, при этом свободное движение системы происходит в течение времени одного оборота кулачка. В противном случае при большой скорости возмущающих импульсов необходимо выключать стенд немедленно после, «сброса» стола стенда с кулачка.
Градуировка частоты возмущения произведена на пульте управления виброударным стендом. Диапазон изменения частот составляет от 0,05 Гц до 10 Гц. Суммирующее устройство, воспринимающее сигналы датчиков и выдающее их рассогласование, подаваемое на устройство формирования закона управления и включено после первого каскада усиления — тензометрического усилителя постоянного тока. Для пропорционального закона управления на ЭМУ при помощи операционных усилителей набрана схема (рис. 2.), имеющая коэффициент передачи 100, при
Я1 =1 Ом, Я2 = 01 Ом. Выходное управляющее напряжение рассогласования поступает на электронный осциллограф.
Для апериодического закона управления при помощи операционных усилителей набирается схема, представленная на рис. 3. В данном случае коэффициент усиления обратной связи имеет вид 1
кОС =
Я 2 С
эму
Рис. 2. Схема усиления сигнала для дифференциального закона управления.
действий при отрицательной обратной связи с пропорциональным и апериодическим законами управления при их различных параметрах. На рис. 4. и рис. 5. приведены амплитудно-частотные характеристики замкнутой системы для пропорционального закона управления. Штриховыми линиями показаны расчетные зависимости.
Приведенные графики показывают, что по характеру амплитудно-частотных зависимостей активная виброзащитная система на основе следящего гидропривода близко соответствует выбранной расчетной модели. Наибольшее совпадение наблюдается в области низких частот. Резонансные частоты, определенные опытным и расчетным путем, также совпадают (в пределах 2-3%).
При незначительных по величине частотах сдвиг фазы между входной амплитудой возмущения и выходной амплитудой движения объекта близок к 90°. По мере повышения частоты сдвиг фаз изменяется и в пределе стремится к нулю. В области высоких частот пропускание сигналов хуже за счет наличия запаздывания в системе по сравнению с идеальным типовым дифференцирующим звеном. В определенной степени происходит своеобразное запирание активного элемента и воздействие со стороны основания почти «жестко» передает возмущение объекту за счёт закритического демпфирования и очень большой жесткости гидрожидкости в полостях исполнительного устройства.
Характеристики, приведенные для различных коэффициентов добротности систе-
(С =1 мкФ, Я2 =1 Ом),
кос =10 или кос =100 (С =1 мкФ,Я = 01 Ом)
с коэффициентом передачи
к 1 Я
к гдеТ = — = 01 или 0,01, к1 ==10.
Т кос Я 2
Движение объекта защиты при замкнутой системе фиксировалось на шлейфовом осциллографе, по сигналам датчика абсолютного перемещения, который подключался к системе после тензоусилителя параллельно. При помощи трехдекадного переключателя на аналоговой моделирующей установке производилось изменение коэффициента добротности системы, т.е. общего коэффициента передачи всех элементов, включенных в дополнительную активную цепь обратной связи. При этом коэффициенты передач всех звеньев системы, исключая ЭМУ, были установлены такой величины, что при переключении трехдекадного преобразователя в крайнее положение (Япр = 0), в системе наблюдался автоколебательный режим движения (или потеря устойчивости в виде колебательной границы).
Соответствующие динамические характеристики системы определялись для трех значений добротности при максимальном коэффициенте передачи к
к = 07 ктах к = 035ктах
лэму2 = 07 лэму , лэму3 = °,35лэму ■
ческого закона управления, двух различных постоянных времени Т1 = 01, Т2 = 0,01, соизмеримых по величине с постоянной времени игольчатого гидроусилителя.
I. Реакции активной виброзащитной системы определялись для гармонического закона возмущающих воз- Рис. 3. Схема усиления сигнала для апериодического закона управления.
=100( ЯПр = 0), а для апериоди-кроме того, для
иркутским государственный университет путей сообщения
мы, значительно отличаются. Чем выше коэффициент передачи всех элементов дополнительной обратном связи (или корректирующего устройства), тем до более значительных частот сохраняется сдвиг фаз в 90°. Причем это изменение происходит менее интенсивно при более значительных величинах добротности. При критическом коэффициенте усиления система находится на границе устойчивости. При возмущениях, незначительных по частоте и величине, сохраняется устойчивость движения в несколько большей мере, а далее система впадает в автоколебательный режим, причем со значительной амплитудой движения.
Характеристики, приведенные на рис. 4. а,б, отличаются различными по величине амплитудами возмущающих воздействий. Характеристики указывают на влияние величины амплитуды входного сигнала. По мере приближения амплитуды возмущения к амплитуде автоколебаний системы на границе устойчивости (« 0,2 см) энергичнее происходит увеличение коэффициента передачи амплитуд колебаний. Так, в случае (рис. 4. а), Авх = 0,12 см, например, дляю = 8,сдвигфаз более 90°, а при Авх = 0,05 см. сдвиг фаз менее 90°. Зависимость выходных координат системы от величины входных указывает на нелинейность процессов виброизоляции [7].
Экспериментальные исследования активной виброзащитной системы показывают, что при синусоидальных воздействиях на входе — движение объекта защиты близко к синусоидальному, а автоколебания системы вблизи границы устойчивости совершаются примерно по синусоиде. Эти выводы подтверждаются типовыми осциллограммами перемещений объекта, приведенными на рис. 5. На рис. 6. приведены амплитудно-частотные характеристики разомкнутой системы для пропорционального закона управления. Данные зависимости были получены при подаче синусоидальных колебаний от генератора, включаемого в цепь сигналов датчика, вместо усилителя (5) (см.рис. 1). Частотный диапазон пропускания управляющих воздействий возрастает при увеличении коэффициента усиления разомкнутой цепи системы. При этом выходные амплитуды для малых частот также значительно возрастают.
Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики замкнутой системы для пропорционального закона управления при разных значениях амплитуды входного воздействия: а) А = 1,25 мм; б) А = 0,5 мм.
Активная виброзащитная система является нелинейной и динамические характеристики её существенно зависят не только от параметров линейной передаточной функции, но и от нелинейностей, таких как сухое трение в золотнике и силовом поршне, ограничение расхода (проводимости) гидромагистрали или питающего насоса.
Однако влияние упомянутых нелинейностей реализуется по-разному, в зависимости от величины и частоты (скорости) управляющего сигнала. Первый вид нелинейностей проявляется в виде зоны нечувствительности и запаздывания. Так, при очень малых возмущающих амплитудах коэффициент передачи колебании (при малых частотах) меньше, чем для больших возмущающих воздействий, сдвиг фаз ликвидируется значительно энергичнее. Это может быть вызвано тем, что управляющие воздействия становятся соизмеримыми с величиной зоны нечувствительности. Во втором случае - ограничение скорости проявляется при значительных по величине и скорости сигналах управления, которые не могут быть отработаны исполнительным гидромеханизмом. Действительно, при довольно значительных входных возмущениях (>4,0мм) и больших частотах зона эффективной работы активной системы сужается.
Рис. 5. Осциллограммы установившихся движений объекта защиты при пропорциональном законе управления активной обратной связи при частоте ю = 5 Гц.
При уменьшении возмущений до определенной величины качество виброзащиты повышается, увеличивается значение предельной частоты отработки. Кроме того, при эксперименте наблюдаются нелинейные эффекты, вызванные «насыщением» операционных усилителей аналоговой моделирующей установки при больших управляющих сигналах. Они проявляются также в более быстрой ликвидации сдвига фаз между движением основания и объекта.
Амплитудно-частотные характеристики замкнутой системы для апериодического за-
Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики разомкнутой системы управления при прапорци-ональном управлении и разных коэффициентах усиления К.
кона управления при амплитуде возмущающего воздействия 0,05 см и 0,12 см приведены соответственно на рис. 7, а,б при различных постоянных времени Т= 0,1 (кривые а) и Т = 0,01 (кривые б).
Сравнив характеристики системы при пропорциональном управлении (рис. 4, а) и апериодическом (рис. 7, а) (при 2 Авх = 2,5 мм) управлении, можно сделать вывод, что в целом динамические процессы остались неизменными. Точно также при незначительных по величине частотах сдвиг фазы между входной амплитудой возмущения и выходной близок к 90°. По мере повышения частоты этот сдвиг уменьшается, причем более быстро, по сравнению с пропорциональным законом. Следовательно, влияние увеличения постоянной времени аналогично уменьшению коэффициента добротности для пропорционального закона управления, при прочих равных условиях. Влияние же уменьшения коэффициента
иркутским государственный университет путей сообщения
на не соответствует динамике реального устройства.
Если для пропорционального и апериодического законов управления активной виброзащиты для больших по величинам возмущений соответствовала электрическая схема -модель в виде Я - С цепи (рис. 8, а), то для малых перемещений основания системе соответствует резонансная LСR-цепь (рис. 8, б) с со-
бственной частотой Ю2 =
Рис. 7. Экспериментальные АЧХ макета электрогидравлической виброзащитной системы для апериодического закона управления: a) при
2Авх = 2,5 мм, б) 2Авх = 1 мм
передачи к для апериодического управления аналогично увеличению постоянной времени.
При критическом коэффициенте усиления системы, меньшем по величине, в сравнении с пропорциональным, наблюдается колебательная граница устойчивости.
Следовательно, увеличение запаздывания в системе не позволяет по причине потери устойчивости добиваться значительных коэффициентов добротности, а значит и большей эффективности виброзащиты. Характеристики, приведенные на рис. 7, а,б, отличаются величиной входной возмущающей амплитуды.
С увеличением коэффициента добротности (при малых Т) резонансные амплитуды движений объекта по величине возрастают и наблюдаются на больших частотах возмущения. В данном случае модель активной виброзащитной системы в виде реально дифференцирующего зве-
1С'
Очевидно, причиной этому явлению служит нелинейность ограничения расхода жидкости через золотник при значительных по величине возмущающих амплитудах.
II. Реакция системы на возмущение, действующее в течение короткого промежутка времени (значительного меньшего, чем длительность переходного процесса), позволяет определять важные динамические свойства системы. На рис. 8. приведены типовые осциллограммы на ударные воздействия для пропорционального и апериодического законов управления.
Испытания проводились на ударном электромеханическом стенде. Кулачок со специально профилированной поверхностью, вращаясь плавно, поднимает стол с установленной на нем системой, а затем сбрасывает его на жесткие резиновые подушки. При этом активный элемент сначала отслеживает подъем стола, сохраняя неизменным положение объекта в пространстве, а затем в соответствие с динамическими характеристиками системы отрабатывает импульсное возмущающее воздействие таким образом, чтобы вернуть объект в прежнее исходное положение.
В момент приложения импульсного воздействия, как можно заметить из приведенных графиков, проявляется существенная нелинейность в виде зоны нечувствительности системы. Так, при малой постоянной времени обратной дополнительной связи объект пада-
Рис. 8. Схемы для реализации управления для больших (а) и для малых перемещениях основания (б)
Рис. 9. Осциллограммы движения объекта при ударных воздействиях со стороны основания: а) пропорциональный закон управления к = 0,3; б) к = 0,7; в) к = 0,9; г) апериодический закон управления к = 0,35, Т = 0,02; д) к = 0,35, Т = 0,1; е)
к = 0,7, Т = 0,1. Затухание вблизи колебательной границы устойчивости
ет вместе со столом стенда, поскольку исполнительный элемент не успевает отслеживать возмущение из-за зоны нечувствительности. На осциллограмах присутствует высокочастотная составляющая, наложенная на основной тон, присущая тензометрическим датчикам из-за близости собственных колебаний их основания крепления к возмущающим частотам.
Высокочастотные составляющие в некоторой степени определяются также собственными колебаниями подвижных частей элек-тро-гидравлического усилителя и золотника.
Пропорциональный закон позволяет быстрее за счет высококолебательного переходного процесса вывести объект в прежнее положение (рис. 9, а,б,в).
При апериодическом законе в большей мере (рис. 9, г,д) проявляется инерционность передачи сигналов рассогласования, причем, чем зна-чительнее величина постоянной вре-
мени Т, тем большее время необходимо для окончания переходного процесса и тем сильнее начальные выбросы объекта при его сходящихся колебаниях.
При увеличении коэффициента усиления дополнительной обратной связи (рис. 4) качество переходного процесса улучшается.
При критических коэффициентах передачи системы (рис. 9, е) наблюдался сходящийся колебательный переходный процесс. Это соответствует небольшому запасу устойчивости: система близка к колебательной границе, при которой она теряет устойчивость.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Чупраков Ю.И. Гидравлические системы защиты человека-оператора от общей вибрации. Москва. Машиностроение, 1987. -224с.
2. Елисеев С.В. Вопросы методики проектирования активной электрогидравлической системы виброизоляции кресла пилота самолета / С.В. Елисеев, А.Н. Самбарова,
B.Д. Шпрах // Механика и процессы управления. Иркутский политехнический институт: сб.ст. Иркутск, 1975. - С.27-41.
3. Баландин О.А. Вибрации вертолетов и борьба с ними / О.А. Баландин, С.В. Ели-севв // Теория активных сиброзащитных систем: сб.ст. Иркутский политехнический институт. - Иркутск, 1975. - Вып3. ч1.-
C.77-111.
4. Засядко А.А. Электрогидравлические виброзащитные системы / А.А. Засядко // Современные технологии. Ситемный анализ. Моделирование. Иркутск, 2007. -№2(14). - С.16-24.
5. А.С. S40081 СССР, МКИ A1F16F5/100. Двухкаскадное устройство для гашения вибраций / С.В. Елисеев, В.В. Ольков, А.И. Перелыгин, А.А. Засядко. Заявитель Иркутский политехнический институт. №2094461/28. заяв.23.01.75; опубл.25.12.76. Бюл. №47.
6. А.с. №800462 СССР, AI F16F15/06. Способ демпфирования колебаний длинномерных консолей / Н.К. Кузнецов, А.В. Лукьянов, А.А. Засядко. 0публ.30.01.81.Бюл. №1.
7. Засядко А.А. Особенности гидропривода в системах активной вибрационной защиты / Засядко А.А., Насников Д.Н. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск. ИрГУПС (Спецвыпуск). - 2008. - С. 18-30.
