CC BY
10Студенческий научный электронный журнал StudArcticForum
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ W
https://saf.petrsu. ru
https://petrsu.ru
ISSN 2500-140Х
Студенческий научный электронный журнал
StudArctic Forum
2022. Т. 7, № 2
Главный редактор И. М. Суворова
Заместитель главного редактора А. А. Малышко
Ответственный секретарь П. С. Воронина
А. А. Ившин А. А. Кузьменков
Е. Н. Лузгина Ю. В. Никонова М. И. Раковская А. А. Скоропадская Е. И. Соколова И. М. Соломещ А. А. Шлямина
Издатель
ФГБОУ «Петрозаводский государственный университет» 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, ул. Ленина, 33.
Адрес редакции журнала 185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, ул. Ленина, 33. Е-mail: saf@petrsu.ru
https://saf.petrsu.ru
© ФГБОУ ВО «Петрозаводский государственный университет», 2022
Редакционный совет
С. В. Волкова М. И. Зайцева Г. Н. Колесников В. С. Сюнёв В. А. Шлямин
Редакционная коллегия
А. Ю. Борисов Р. В. Воронов Т. А. Гаврилов Е. О. Графова
Службы поддержки Е. В. Голубев А. А. Малышко
Л. А. Девятникова
Scientific journal StudArctic Forum
PETROZAVODSK STATE UNIVERSITY
https://saf.petrsu. ru https://petrsu. ru
ISSN 2500-140Х
Scientific journal
StudArctic Forum
2022. Vol. 7, No. 2
Editor-in-Chief Irina M. Suvorova
Deputy Editor-in-Chief Anton A. Malyshko
Executive secretary Polina S. Voronina
Editorial Team Support Services
Alexey Yu. Borisov Evgeniy V. Golubev
Roman V. Voronov Anton A. Malyshko
Timmo A. Gavrilov Elena O. Grafova Lyudmila A. Devyatnikova
Alexander A. Ivshin Alexander A. Kuzmenkov Elena N. Luzgina Yulia V. Nikonova Marina I. Rakovskaya Anna A. Skoropadskaya Evgeniya I. Sokolova Ilya M. Solomeshch Anastasia A. Shlyamina
Editorial Council Svetlana V. Volkova Maria I. Zaitseva Gennadiy N. Kolesnikov Vladimir S. Syunev Valery A. Shlyamin
Publisher © Petrozavodsk State University, 2022
Editorial office address Petrozavodsk State University 33, Lenin Ave., Petrozavodsk, 185910, Russian Federation Е-mail: saf@petrsu.ru
http ://saf.petrsu. ru
© Petrozavodsk State University, 2022
Студенческий научный электронный журнал StudArctic Forum
ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Машиностроение
Т. 7, № 2. С. 67—72
Научная статья УДК 621.5
Борис Григорьевич
КАЛИНОВСКИИ
бакалавриат, Петрозаводский государственный университет (Петрозаводск, Российская Федерация), kalinovskiy. boris@mail. ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УВЕЛИЧЕНИЯ НАГРУЗКИ НА ДВИЖЕНИЕ ПНЕВМОЦИЛИНДРА
Принята к публикации: 06.05.2022; Размещена в сети: 22.06.2022.
Научный руководитель:
Янюк Юлия Вячеславовна
Статья поступила: 04.05.2022;
Аннотация. В статье представлены результаты эксперимента по исследованию влияния нагрузки на скорость движения штока пневмоцилиндра. Для изучения работы пневмоцилиндра использовался лабораторный стенд и прилагаемый набор грузов. Результатом исследования стало предложение использовать новый коэффициент, позволяющий определить максимальную нагрузку, с которой возможна работа без неравномерности хода и вибрации на минимально допустимой скорости. Сделан вывод о необходимости проведения дополнительных измерений с целью уточнения введённого коэффициента.
Ключевые слова: пневмоцилиндр, дроссельное регулирование, исполнительный механизм, нагрузка
Для цитирования: Калиновский Б. Г. Исследование влияния увеличения нагрузки на движение пневмоцилиндра // StudArctic Forum. 2022. Т. 7, № 2. С. 67—72.
Пневмодвигатель - это исполнительный механизм в пневматической системе, видоизменяющий энергию сжатого воздуха в механическую работу. Если пневмодвигатель осуществляет возвратно-поступательный ход поршня, он называется пневмоцилиндром. Пневмоцилиндры делятся условно на транспортирующие и зажимные. Транспортирующие обладают большей длиной хода и являются основой движения различных устройств перемещения. Зажимные составляют часть силового привода зажимных, фиксирующих, переключающих устройств. Отдельно можно отметить ударные приводы, используемые в штамповочных, прошивочных, маркировочных, чеканочных и других устройствах с ударным действием. В целом, силовые возможности пневматических цилиндров применяют в машиностроении, приборостроении, металлообработке, литейно-сварочном производстве и иных отраслях, использующих пневматические системы управления.
Одним из наиболее часто встречающихся в современном производстве технологических процессов является процесс сортировки изделий по различным признакам, в котором, в свою очередь, применяются автоматизированные системы перемещения грузов, использующие в качестве исполнительных устройств пневмоцилиндры разнообразного технического исполнения. Очевидно, что если предприятие занимается выпуском разнообразной продукции, например, в пищевой индустрии, то при сортировке готовой продукции одна и та же автоматизированная линия может использоваться для перемещения совершенно разных по массе упаковок. Нагрузка на исполнительные механизмы в этом случае должна быть рассчитана и не должна превышать ограничений, оговорённых в технических условиях.
Была поставлена задача найти ответ на вопрос: возможно ли увеличение нагрузки на технологической линии, например, при перестройке производства на другой ассортимент с увеличением его массы, и на сколько можно увеличить нагрузку на шток пневмоцилиндра без потери равномерности хода?
Известно, что максимальная масса объекта, который может переместить
пневмоцилиндр, зависит от рабочего давления этого пневмоцилиндра и диаметра рабочей поверхности. Для регулировки скорости используют дроссели. Возможны две разные схемы расположения дросселей с обратным клапаном при регулировании скорости хода штока пневмоцилиндра:
регулирование расхода при подаче воздуха в цилиндр (при этом расход воздуха на сброс не ограничивается);
регулирование расхода при сбросе воздуха из цилиндра (при этом расход воздуха на подачу не ограничивается).
Тем не менее, масса объекта, с которым взаимодействует пневмоцилиндр, также оказывает влияние на скорость движения штока, что необходимо учитывать, например, если она критически влияет на общую продолжительность технологического процесса. На данный момент проблема влияния нагрузки на скорость решается путем обеспечения такой мощности, что скорость будет постоянной при работе с заранее определенным диапазоном нагрузок, а ту мощность, которая выходит за данный диапазон, считают не рекомендуемой величиной.
Наиболее распространенной скоростью штока является диапазон 0.33-0.41 м/с, а минимально допустимым является 0.08-0.1 м/с, при меньшей скорости могут возникнуть неравномерность хода и вибрация.
Определение силы пневмоцилиндра осуществляется по формуле [Алексеев : 35]: F=PxS где: P - давление; S - площадь поперечного сечения цилиндра.
Данная формула позволяет определить, с какой нагрузкой может работать пневмоцилиндр на указанной скорости при постоянном давлении.
Очевидно, что при превышении нагрузки шток будет выдвигаться медленнее, но всё равно продолжит движение. Возникает вопрос: насколько можно превысить нагрузку, рассчитанную по формуле, так чтобы скорость не опустилась ниже минимально допустимой. Предлагается ввести в формулу повышающий коэффициент: F_max=PxSxц где: P - давление; S - площадь поперечного сечения цилиндра; - повышающий коэффициент.
Таким образом, необходимо провести ряд испытаний и наблюдений для определения повышающего коэффициента и максимально возможной нагрузки, с которой может работать пневмоцилиндр без неравномерности хода и вибраций.
Исследование проводилось на лабораторном пневматическом стенде СПУ-УН-13-26ЛР-01. Были собраны и испытаны три схемы, представленные на рисунках 1 - 3, с различными вариантами установки дросселей, используемых для регулирования скорости.
Рис. 1. Дроссельное регулирование скорости пневмопривода установкой дросселей
в линиях нагнетания и выхлопа
Рис. 2. Дроссельное регулирование скорости выдвижения штока пневмопривода
установкой дросселя в линии выхлопа
Щ1
ГШ
ОУ:
вн !£
] -А
т
г0
Р2
х
V
БПВ Иг
И
РЗ
Р2
Рис. 3. Дроссельное регулирование скорости выдвижения штока пневмопривода установкой дросселя в линии нагнетания
По каждой схеме были проведены следующие виды измерений: многократные равноточные измерения времени полного выдвижения штока пневмоцилиндра (средство измерения - секундомер); однократное измерение расстояния, преодолеваемого штоком (средство измерения - линейка). Расстояние было решено измерить однократно, так как шток выдвигается всегда до своего конечного положения, оно не меняется, и в процессе работы измерить его технически не представляется возможным ввиду очень быстрого движения (см. значения скоростей). Результаты измерений обработаны стандартным методом по ГОСТ Р 8.736-2011 [Ткалич: 46].
Результаты измерений и расчётные данные представлены в таблице 1:
Таблица 1
Результаты обработки экспериментальных данных
Наименование физической величины Схема 1. Дроссельное регулирование скорости пневмопривода установкой дросселей в линиях
Без груза С грузом 1 кг
Время нагнетания ^ сек 2,15±0,15 2,43±0,11
Время выхлопа ^ сек 2,17±0,25 1,77±0,12
Скорость штока при нагнетании и, м/с 0,072±0,005 0,064±0,003
Скорость штока при выхлопе и, м/с 0,072±0,008 0,0846±0,0024
Наименование физической величины Схема 2. Дроссельное регулирование скорости выдвижения штока пневмопривода установкой дросселя в линии выхлопа
Без груза С грузом 1 кг
Время нагнетания ^ сек 0,18±0,08 0,53±0,04
Время выхлопа ^ сек 2,17±0,25 1,77±0,12
Скорость штока при нагнетании и, м/с 0,691±0,108 0,3±0,06
Скорость штока при выхлопе и, м/с 0,071±0,008 0,085±0,0024
Наименование физической величины Схема 3. Дроссельное регулирование скорости выдвижения штока пневмопривода установкой дросселя в линии нагнетания
Без груза С грузом 1 кг
Время нагнетания ^ сек 2,15±0,15 2,43±0,11
Время выхлопа ^ сек 0,39±0,14 0,312±0,107
Скорость штока при нагнетании и, м/с 0,072±0,005 0,064±0,003
Скорость штока при выхлопе и, м/с 0,41±0,17 0,52±0,24
Результаты экспериментов представлены также на графиках (рисунки 4 - 6):
Схема 1
и, ьл/с
-0,5
0,5 1,5
1:, сек
23
0,1
¿г ^^
-0^
Нагнетание
Н а гн етан и е с грузо гл
Выхлоп
Вынлоп с грузом
Рис. 4. Изменение скорости выдвижения штока пневмоцилиндра при дроссельном регулировании в линиях нагнетания и выхлопа
Схема 2
Нагнетание Н а гн етан и е с грузо у. Выхлоп
Выклопс грузом 0,5 1,5 1,5
1:, сек
Рис. 5. Изменение скорости выдвижения штока пневмоцилиндра при дроссельном регулировании в линии выхлопа
-Нагнетание
-Нагнетание с грузом
-Выклоп
-Выхлопе грузом
сек
Рис. 6. Изменение скорости выдвижения штока пневмоцилиндра при дроссельном регулировании в линии нагнетания
По результатам проведённого исследования можно сделать следующие выводы: при сохранении постоянного давления добавление массы привело к падению скорости выдвижения штока на 58% при регулировании в линии нагнетания, на 20,38% при регулировании в линии выхлопа от рабочей скорости пневмоцилиндра, но при этом скорость не опустилась ниже минимально необходимой.
Следовательно, можно сказать, что при рекомендуемой техническими характеристиками данного оборудования нагрузке в 0,31 кг пневмоцилиндр смог справиться с нагрузкой в 1 кг, и при этом его скорость не опустилась ниже допустимой.
Важно отметить, что проведённое исследование не следует считать окончательным для вывода точного повышающего коэффициента, так как необходимо понять, каков интервал изменения нагрузки, и особенно важно знать максимальное её значение до потери способности штока к выдвижению.
Автором также не проводились прочностные расчёты, то есть влияние повышенных нагрузок на долговечность работы пневмоцилиндра, а также не рассматривался экономический аспект, связанный с одной стороны с возможным уменьшением срока службы
Схема 3
0,6 ,
оборудования, но, с другой стороны, - возможностью его использования в условиях быстро меняющейся конъюнктуры и перенастройки технологических процессов. Эти вопросы будут целью дальнейших научных и экспериментальных исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Алексеев В. В., Маклаков Л. И. Курс общей физики : учеб. пособие. В 2-х томах. Т. 1. Механика. Электродинамика. Колебания и волны. Казань: изд-во Казанск. гос. архитект.-строит. ун-та, 2013. 126 с.
Всероссийский инженерный портал. Новости приводной техники и промышленной автоматизации [сайт]. URL: http://privod.news. (дата обращения: 04.05.2022).
Прокопов М. Г. Конструкции элементов пневмоагрегатов: учеб. пособие. Сумы: Сумский государственный университет, 2015. 148 с.
Ткалич В. Л., ЛабковскаяР. Я. Обработка результатов технических измерений : учебное пособие. Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2011. 72 с.
Engineering
Original article
bachelor's degree, Petrozavodsk State University Boris G. KALINOVSKIY (Petrozavodsk, Russian Federation),
kalinovskiy. boris@mail. ru
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF INCREASING THE LOAD ON THE MOVEMENT OF THE PNEUMATIC CYLINDER
Abstract. The article presents the results of an experiment to study the effect of load on the speed of the pneumatic cylinder rod. To study the operation of the pneumatic cylinder, a laboratory stand and the attached set of weights were used. The result of the study was a proposal to use a new coefficient to determine the maximum load with which it is possible to work without uneven travel and vibration at the minimum allowable speed, and also concluded that additional measurements are necessary to clarify the introduced coefficient. Keywords: pneumatic cylinder, throttle control, actuator, load
For citation: Kalinovskiy B. G. Investigation of the effect of increasing the load on the movement of the pneumatic cylinder. StudArctic Forum. 2022; 7(2): 67—72.
REFERENCES
Alekseev V. V., Maklakov L. I. Course of general physics : textbook. stipend. In 2 volumes. Vol. 1. Mechanics. Electrodynamics. Vibrations and waves. Kazan: publishing house of Kazan State Architect.- builds. un-ta, 2013. 126 p.
All-Russian Engineering portal. News of drive technology and industrial automation [website]. URL: http://privod.news. (date of reference: 04.05.2022).
ProkopovM. G. Designs of elements of pneumatic units: textbook. stipend. Sumy: Sumy State University, 2015. 148 p.
Tkalich V. L., Labkovskaya R Ya. Processing of the results of technical measurements : a textbook. St. Petersburg: St. Petersburg State University ITMO, 2011. 72 p.
Scientific adviser:
Julia V. Janyuk
Paper submitted on: 05/04/2022; Accepted on: 05/06/2022; Published online on: 06/22/2022.
