CC BY
11
УДК 621.542
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ПОРШНЕВОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА С ПРОДОЛЖИТЕЛЬНЫМ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ПОРШНЯ
А.А. Гненный
Представлены результаты экспериментальных исследований рабочего процесса импульсного поршневого пневматического привода с продолжительным перемещением поршня, перемещение которого встречает нарастающее сопротивление. Сравнение полученных экспериментальных данных с результатами компьютерного моделирования пневматического привода на основе предложенной автором уточненной математической модели, а также с теоретическими результатами, полученными ранее другими авторами, показали их более высокую точность и достоверность.
Ключевые слова: импульсный пневматический привод, гвоздезабивной пистолет, математическая модель, экспериментальные исследования.
Введение. Импульсные поршневые пневматические приводы (далее - пневмоприводы) с продолжительным перемещением поршня, перемещение которого встречает нарастающее сопротивление, используют в качестве привода пневматических монтажных гвоздезабивных пистолетов [1].
В предыдущей работе автора [2] была представлена уточненная математическая модель рабочего цикла импульсного поршневого пневмопривода и результаты его компьютерного моделирования. Анализ результатов компьютерного моделирования и их сопоставление с результатами, полученными ранее А.Н. Дроздовым [3], показали существенное расхождение между ними (25...30 %), что свидетельствует о значимости сделанных изменений и дополнений в математической модели пневмопривода. Однако насколько уточнения в математической модели повлияли на точность и достоверность расчетов процессов, протекающих в пневмоприводе, можно оценить только на основе экспериментальных исследований.
Методика и средства проведения экспериментов. Методика проведения экспериментальных исследований предполагает проведение серии опытов по определению давлений воздуха в рабочей и амортизационной камерах пневмопривода при рабочем цикле и при различных давлениях сжатого воздуха в магистрали.
В качестве испытуемого образца была использована серийная модель монтажного гвоздезабивного пистолета F 33PT-E производства фирмы Stanely Bostitch (США). Рабочее давление 4,80.8,30 бар. Расход воздуха 2,47 л/выстрел при давлении 5,6 бар. В качестве источника сжатого воздуха применяли поршневой безмасляный одноцилиндровый коаксиальный компрессор (рис. 1). Производительность компрессора (по выходу): 105/ 80 л/мин при давлении 2,8/6,2 бар. Объём ресивера 6 л.
Рис. 1. Компрессор и испытуемый образец гвоздезабивного пистолета с импульсным пневматическим приводом с установленным датчиком
давления
Для преобразования давления воздуха в рабочих камерах испытуемого высокоскоростного пневматического привода был использован пьезоэлектрический датчик динамического давления Р82001-250 производства фирмы «ГлобалТЕСТ» (рис. 2). Приборы этого типа обеспечивают высокую точность измерений в широком диапазоне уровней и частот анализируемых сигналов.
Рис. 2. Датчик динамического давления «ГлобалТЕСТ» Р82001-250
Технические характеристики датчика динамического давления «ГлобалТЕСТ» Р82001-250.
Чувствительность, мВ/бар 20.
Диапазон измерений, бар 0,001.. .250.
Резонансная частота, кГц, более 30.
Уровень шума, бар 3 10 .
Нелинейность, %, менее 2.
Регистрация и оцифровка сигналов с датчика осуществлялась с помощью системы сбора данных, созданной на базе измерительной системы компании «National Instruments» (США) в составе персонального компьютера, шасси NIcDAQ-9188, а также четырехканального модуля NI 9234 для измерения динамических сигналов (рис. 3).
Рис. 3. Система сбора данных на базе измерительной системы компании «National Instruments»: 1 - персональный компьютер; 2 - шасси NIcDAQ-9188;
3 - измерительный модуль NI9234
Для обработки сигналов использовалось специально разработанное программное обеспечение, реализованное в среде LabVIEW. Программа обеспечивает работу компьютера в режиме осциллографа, регистратора и анализатора.
Результаты экспериментальных исследований. Осциллограммы, полученные в ходе экспериментов, сравнивались с результатами расчетов по уточненной математическим моделям, предложенной автором, и исходной (базовой) модели, разработанной А.Н. Дроздовым. Было подобрано
_4 2
значение эффективной площади впускного отверстия/01 = 10 м (см. [2]), которое обеспечивало наименьшее расхождение во всей временной области сравниваемых импульсов.
На рис. 4 представлены результаты экспериментальных исследований в сопоставлении результатами компьютерного моделирования по исходной и уточненной математическим моделям в виде зависимостей изме-
нения во времени давления воздуха в камере прямого хода пневмопривода при холостом выстреле (крепеж 3x75 мм) при различных избыточных давлениях воздуха (ат) в магистрали.
О 2x10 3 4x10 3 6<10 3 8x10 3 0.01
Время, с в
Рис. 4. Характер изменения давления в камере прямого хода при избыточном давлении в магистрали: а - 3 ат; б - 4 ат; в - 5 ат
266
На всех рисунках сплошной линией обозначены экспериментальные осциллограммы, а пунктирными линиями - теоретические зависимости, полученные по результатам компьютерного моделирования:! - по исходной модели; 2 - по уточненной модели.
Для всех зависимостей в исследуемом интервале давлений 3.5 ат видно, что в интервале времени 0.0,003 с базовая модель (кривые 1) показывает всплеск давления, в среднем превышающий на 20 % значения, полученные в результате эксперимента.
Результаты расчетов по улучшенной модели (кривые 2) практически на всем интервале исследований совпадают со значениями, полученными в результате эксперимента (кривые 3), что позволяет более точно и достоверно рассчитать параметры импульсного пневмопривода.
На рис. 4 показан характер изменения давления в аккумулирующей камере, по которому можно судить, через какое время после выстрела в аккумулирующей камере будет необходимое давление для производства следующего выстрела (рабочего цикла). Зависимость имеет экспоненциальный характер, с пределом давления воздуха, установленного в магистрали.
1.2
К X
О
м 0.6 я
к
0.3
0
Время, с
Рис. 5. Характер изменения давления в аккумулирующей камере при избыточном давлении в магистрали 2 ат
Базовая модель показывает, что цилиндр будет готов к следующему рабочему циклу через 0,008 с. В то же время эксперимент и уточненная модель показывают, что на это потребуется на 20 % больше времени, а именно 0,01 с.
Анализ зависимостей, представленных на рис. 4 - 5, позволяет сделать вывод, что результаты компьютерного моделирования по базовой математической модели неудовлетворительно согласуются с эксперимен-
тальными данными по характеру изменения давления в камере прямого хода, а также по максимальному значению давления в аккумулирующей камере.
Таким образом, уточненная математическая модель, предложенная автором, более точно и достоверно описывает процессы, происходящие в импульсном поршневом пневмоприводе, и может быть использована в практических расчетах характеристик привода при разработке оптимального параметрического ряда гвоздезабивных пистолетов [4].
Список литературы
1. Дроздов А.Н. Ручные машины для строительно-монтажных работ, устройство и основы расчета. М.: МГСУ, 1999. 252 с.
2. Гненный А. А. Математическая модель импульсного поршневого пневматического привода с продолжительным перемещением поршня // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 9. С. 420 - 431.
3. Дроздов А.Н., Степанов В.В. Математическое моделирование рабочего процесса гвоздезабивного пистолета // Механизация строительства. 2015. № 11. С. 12 - 17.
4. Гненный А.А., Дроздов А.Н., Степанов В.В. Разработка типораз-мерных рядов строительных монтажных пистолетов // Механизация строительства. 2016. № 11. С. 41 - 45.
Гненный Андрей Александрович, инженер, agnennyy@gmail. com, Россия, Москва, Московский государственный строительный университет (научно-исследовательский университет)
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF THE IMPULSE PISTONPNEUMA TIC DRIVE WITH A LONG MOVEMENT OF THE PISTON
A.A. Gnennyi
The results o/ experimental studies o/ the working process o/ the impulse piston pneumatic drive with a long displacement o/ the piston, the movement o/which meets the increasing resistance. Comparison o/ the obtained experimental data with the results o/ computer simulation o/ the working process o/ the pneumatic drive on the basis o/ the re/ined mathematical model proposed by the author, as well as with the theoretical results obtained earlier by other authors, showed their higher accuracy and reliability.
Key words: impulse pneumatic drive, nail gun, mathematical model, experimental
studies.
Gnennyi Andrey Aleksandrovich, engineer, agnennyy@gmail.com, Russia, Moscow, Moscow State Construction University (Research University)
