Научная статья на тему 'Измерительный комплекс для исследования расходно-перепадных характеристик управляющих устройств позиционного гидропривода'

Измерительный комплекс для исследования расходно-перепадных характеристик управляющих устройств позиционного гидропривода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
266
79
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ / МЕТОДИКА ПРОЛИВКИ / РАСХОДНО-ПЕРЕПАДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ / ПРОГРАММА POWERGRAPH / ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА / HYDRO-MECHANICAL DEVICES / POSITIONING / NONSTATIONARY CHARACTERISTICS / DYNAMICAL FLOWMETER / METHODOLOGY INVESTIGATION / PERFORMANCE OF THE HYDRAULIC UNITS / APPLICATION POWERGRAPH / UNSTEADY PROCESSES

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Полешкин Максим Сергеевич, Сидоренко Валентин Сергеевич

Представлен измерительный комплекс, позволяющий исследовать нестационарные характеристики управляющих устройств. Регистрация параметров: расхода, давления и перемещения золотника клапана проводится в реальном времени при помощи программного пакета PowerGraph и платы ЦАП-АЦП Е-20-10. Результаты позволили получить закономерности между выходными параметрами потока и уточнить математическое описание гидравлического устройства управления.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Полешкин Максим Сергеевич, Сидоренко Валентин Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MEASURING SYSTEM FOR INVESTIGATION FLOW RATE AND FLUID PRESSURE FEATURES OF CONTROL DEVICES FOR THE POSITION HYDRODRIVE

This paper presents a measuring system allows us to investigate transient dynamic response control devices. Registration parameters: flow, pressure and spool valve displacement, conducted in real time using the software package PowerGraph and board DAC-ADC mod. E-20-10. The results allow to deduce the laws from the exit flow parameters and refine the mathematical description of the hydraulic control unit.

Текст научной работы на тему «Измерительный комплекс для исследования расходно-перепадных характеристик управляющих устройств позиционного гидропривода»

УДК 621.22-546

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСХОДНО-ПЕРЕПАДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ПОЗИЦИОННОГО ГИДРОПРИВОДА

© 2012 М. С. Полешкин, В. С. Сидоренко

Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

Представлен измерительный комплекс, позволяющий исследовать нестационарные характеристики управляющих устройств. Регистрация параметров: расхода, давления и перемещения золотника клапана - проводится в реальном времени при помощи программного пакета Ро\уегСгар1і и платы ЦАП-АЦП Е-20-10. Результаты позволили получить закономерности между выходными параметрами потока и уточнить математическое описание гидравлического устройства управления.

Нестационарные характеристики, методика проливки, расходно-перепадные характеристики, про-

грамма Ром/егОгарИ, гидромеханические устройства.

Введение. Расчёт и проектирование управляющих дросселирующих устройств связаны с особенностью их статических, динамических и эксплуатационных характеристик, а также с возможными изменениями физических параметров системы, конфигурации и настройки их исполнительных элементов [1].

Исполнительным элементом таких устройств является золотниковая пара, однако исследование их гидравлических характеристик осложнено рядом нестабильных параметров: вязкость рабочей жидкости, влияние гидродинамических сил и т.д.

Наиболее важной при регулировании магистралью слива гидродвигателя является область малых открытий-закрытий (х=0...0,3 мм) исполнительного элемента управляющего устройства, поскольку именно она определяет динамические качества клапана и жёсткость характеристики его регулирования. Поведение устройства на данном участке характеризуется его расходно-перепадными характеристиками.

Необходимость экспериментального исследования динамических расходно-перепадных характеристик устройств обусловлена трудностями их теоретического анализа в силу нестационарности протекающих процессов [2]. Вследствие этого используют полученные экспериментально статические зависимости, результаты которых не всегда адекватно отображают реальные внутренние процессы для запорно-

регулирующего элемента устройства и требуют дополнительных уточнений.

Целью данной работы является получение точных количественных и качественных гидродинамических характеристик: <3 -расхода через запорно-регулирующий элемент, АР - перепада давления до и после дросселирования, АТ - разности температур до и после дросселирования за цикл срабатывания устройства.

Для обеспечения контроля вышеназванных параметров используется специальный измерительный комплекс (рис.1), включающий в себя:

• Г идродинамический расходомер (ГДР) оригинальной конструкции - измеряет объёмный расход в момент срабатывания (открытия-закрытия) клапана ()гук.

• Оригинальное устройство слежения и ограничения перемещения запорно-регулирующего элемента клапана с датчиком малых линейных перемещений (Д112) -измерение х3.

• Оснастку исследуемого устройства для измерения температур (термосопротивления) в области до (ДТ1) и после (ДТ2), области дросселирования (АТрук) с измерителем-регулятором ОВЕН ТРМ210 и программным пакетом М^егБсаёа уег.3.4 -для контроля параметров рабочей жидкости.

• Плату ЦАП-АЦП Ь-САЕШ Е20-10, подключенную к ПК с программным пакетом для обработки данных РолуегОгарИ уег.З.З.

• Датчики для контроля избыточного давления: Ру - управления (ДД1), Р„ - в нагнетательной (ДД2) и Р2 -в сливной (ДДЗ) полостях ГУКа.

Принципиальная схема экспериментального стенда для снятия динамических расходно-перепадных характеристик представлена на рис. 1.

Рі

Рис. 1. Экспериментальный стенд для снятия динамических расходно-перепадных характеристик: а - принципиальная гидравлическая схема; б - электрическая схема

При исследовании использовались две насосно-энергетические станции. Первая станция обеспечивает циркуляцию потока рабочей жидкости в силовом контуре привода с установившимися параметрами Рни 0„ в соответствии с методикой эксперимента. Вторая санция осуществляет питание контура гидравлического управления для работы исследуемого устройства - гидроуправляемого клапана (ГУКа) - потоком жидкости с параметрами Ру и Оу. Объект регулирования

- гидромотор (ГМ), в сливной магистрали которого установлен ГУК. Давление управления Ру замеряется датчиком давления ДД1. Колебания давления на входе в клапан Р? и на выходе Рсл, фиксируются датчиками давления ДД2 и ДДЗ.

Распределитель Р1 позволяет включать и выключать в цепочку привода ГМ, в сливной гидролинии которого установлен ГУК

(спроектирован на основе клапана ПГ54-12). Двухпозиционный распределитель РЗ осуществляет перераспределение потока к гидродинамическому расходомеру (ГДР). Давление управления Ру через распределитель Р2, при включении УА 3, поступает в поршневую полость инвертора ГУКа, а затем через жёсткую связь воздействует на золотник клапана. Одновременно с этим срабатывает ¥А4 распределителя РЗ, тем самым направляя поток жидкости при закрытии золотника клапана в цилиндр ГДР.

В основе работы ГДР лежит принцип измерения объёмного расхода рабочей жидкости в процессе открытия-закрытия управляющего устройства при помощи гидроцилиндра ГЦ и линейного датчика перемещения типа ЛИР-7 (относительная погрешность Д=2,45 мкм). Цилиндр имеет облегченную конструкцию поршня и штока для

уменьшения инерционных сил и пружину сжатия для компенсации сил сухого трения при движении (Рс;„;1= 1,7 Н).

Для повышения чувствительности и снижения действия сил реакций опор ГДР устанавливается в вертикальном положении штоком вниз. Ограничение хода при изме-

нии регулируется путём установки магнитного датчика положений ДІ11 на корпусе гидроцилиндра ГЦ. Возврат в первоначальное положение выполняется в ручном режиме при соединении поршневой полости со сливом.

Мнемосхема (>/и1уе)

t2 34.01

Слой I Основной

V* У & г < в IГраФикм[Значення | Легенда Настройки

^ Режим интерполяции

Дата/время

Температура

И

53:48:583 35.2

Температура Расчет 12________ 1 Т.

33.7

21.06201211:53:48.693 35.2 33.7

21.08 201211:53:55:673 35.3 ЗЗ.Э N

21.03,201211:53:55:783 35.3 ЗЗ.Э

21.08 201211:54:02:738 35.4 34.0

21.08201211:54:02:343 35,4 34.0

21.08,201211:54:05:301 35.4 34.0

Рис.2. Диаграммы зависимости температур Т1 и Т2 в области дросселирования ГУКа, полученные в программе Маь1ег8сас1а: а- индикаторная панель; б - графическое отображение; в- табличное отображение данных

Мониторинг термодинамических процессов, протекающих в проточной части ГУКа, осуществлялся датчиками температуры: ДТ1 на входе и ДТ2 на выходе из зоны дросселирования. В качестве датчика использовалась термопара, помещённая в тонкостенную (0,5 мм) резьбовую втулку из красной меди 17, внутри заполненную термопроводящей пастой (рис.З). Термопара ДТПЬ011-0,5 (хромель-копель) с показателем тепловой инерции менее 3 с.

Исследования ГУКа проводились на базе стенда для испытаний позиционного гидропривода, что позволило соблюсти тепловой режим, соответствующий режиму работы в структуре привода. Температура рабочей жидкости (МГЕ-46В) в НЭУ поддерживалась в диапазоне 37±2С° на протяжении

серии экспериментов. Контроль осуществлялся термодатчиком ДТС105-50М.В3.250 через терморегулятор ТРМ-202 и интерфейс Я8-486, подключенный к ПК с программным пакетом Маз1ег8сас1а у.3.4. Результаты эксперимента визуализировались и вались в виде диаграмм и таблиц значений (рис.2).

В целях уменьшения влияния тепловых процессов расход замерялся при установлении равенства теплового режима в баке насосной установки и перед ГУКом. Компоновка стенда и его элементная база позволяют снимать динамические характеристики целого ряда управляющих устройств с ограничением по рабочему давлению: Рнтах= 7 МПа.

Рис.З. Оснастка ГУКа: 1- золотник; 2 - шайба опорная, 3 - втулка-ограничитель, 4 - шестигранник,

5 - втулка, 6,8 - антифрикционные вкладыши, 8 - подпорная пружина, 10 - поршень, 11, 12-уплотнения, 13 -регулировочный винт, 14 - корпус клапана, 15 - колпак, 16 - пружина клапана, 17 - втулка термопары

В крышку гидроуправляемого клапана установлено устройство слежения и ограничения перемещения золотника, его конструкция приведена на рис.З. Регулирование хода золотника 1 (0-3,2 мм) осуществляется при помощи поворота шестигранника -/, имеющего связь со втулкой 3, вращающейся с шагом 1 виток/1 мм, которая упирается в опорную шайбу 2. Величина допустимой области открытия-закрытия золотника ГУКа контролируется при помощи датчика перемещения (тип. ВЕ-178 через преобразующий механизм) и передаётся на блок обработки данных (ЦАП-АЦП + ПК).

Для идентификации рабочих процессов использовался метод осциллографирования при помощи специального измерительного комплекса (рис.4). Датчик ЛИР-7 устанавливается в начальное (крайнее) положение для снятия осциллограммы перемещения штока гидроцилиндра. Погрешность измерения расхода жидкости составляет 2,5%. Нестационарный расход жидкости измеряли по скорости движения поршня ГЦ.

Программный пакет РолуегОгарИ 3.3 в режиме реального времени дифференцирует функцию перемещения по времени. Установленный на устройстве магнитный датчик положений позволяет ограничить объём жидкости, поступающей в ГЦ расходомера, формируя управляющий сигнал на переключение распределителя РЗ в позицию 1.

В процессе экспериментальных исследований производилась оценка погрешностей выполненных измерений. Систематические погрешности оценивались на основе анализа точности измерительных приборов и метода измерений [3].

В качестве выходных параметров эксперимента фиксировались:

• Расход через ГУК - Огук-

• Давление на входе и выходе ГУКа -Ри Р2-

• Давление управления - Ру.

• Перемещение золотника - Ь3.

• Температура рабочей жидкости на входе и выходе ГУКа - Г/, 7Ч

Приём входных сигналов от датчиков давления ДД1, ДД2, ДДЗ осуществлялся через блок коммутации и плату ЦАП-АЦП. Датчики типа ДТ-150 с погрешностью измерения ±0,8 % предварительно прошли операцию калибровки в программе РолуегОгарИ

[5].

Использована следующая методика исследования функционирования ГУКа.

1. Оценка изменения характеристик для открытого положения золотника клапана - моделируется его закрытие. ГУК открыт, давление управления Ру отсутствует, распределитель Р2 находится в первой позиции. Для замера расхода необходимо подать сигнал управления на электромагниты

УАЗ и УА4 распределителей Р2 и РЗ, соответственно.

2. Оценка изменения характеристик для закрытого положения золотника клапана

- моделируется его открытие. ГУК закрыт, давление управления Ру подано в управляющий микродвигатель клапана, распределитель Р2 находится во второй позиции. Для

замера расхода необходимо подать сигнал управления на электромагнит УАЗ распределителя РЗ, соответственно.

Обработка входных сигналов с датчиков перемещения ДП1 и ДП2 в PowerGraph выполнялась в соответствии с алгоритмом блока Functions [5], который представлен в табл.1.

Рис.4 Измерительно-вычислительный комплекс: 1 - блок контроля температуры (ТРМ-202); 2 - блок контроля частоты вращения ГМ (ТХ-01); 3 -плата ЦАП-ЛЦП (Е20-10); 4 - ПК обрабатывающий центр (программный интерфейс); 5 - блок коммутации сигналов

Таблица 1. Алгоритм математической обработки входных сигналов

№ п/п Канал Алгоритм расчёта Наименование операции Примечание

1 Ch5 Level - Const(l) Уст. уровня

2 Ch6 Comparison Ch4>Ch5 Сравнение

3 Ch7 DiffPt(Ch6) Диффер.

4 Ch8 Math - ABS(Ch7) Модуль числа

5 Ch9 Integral lPt(Ch8) Интергриров. Перемещение, В

6 ChlO Level - const(lOOO) Уст. уровня Коэф. масштаб.

7 Chi 1 Aritfmetics - Ch9/Chl0 Деление Перемещение, мм

8 Chl2 Differenial -Dif£RC(Chll;1000) Фильтр ВЧ Скорость

9 Chl3 Level - Const(lOOO) Константа Коэф. масштаб.

10 Chl4 Aritfmetics - Ch9/Chl3 Деление Перемещение, 2У

Осциллограмма нестационарного процесса истечения жидкости через золотниковую пару при закрытии гидроуправляемого клапана представлена на рис.5. Результаты отображают гидродинамические характери-

стики в момент открытия ГУКа при начальных условиях: Л,=2,5МПа, Л=4МПа,

х=3,2мм и представлены без учёта работы гидромотора ГМ.

X: 857 т*

ДТ200 Р чправлеь&я

1 ► | 3.788 МПа

------------7-

ДТ200-Р1 б>ап -

2 4 2.366 МПа

1гяр (мм]__________5^

|11 > 122.7 мм

4-

Qrnp Ir.T.iWcl 18 > | 58,47 мм["ЗА

ЛИР-7

перемещение 2-4 > |3.4263 V

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1-

V зол (мм/с]________’

р! ► ( 0 мм/с

:ол '1 “

27 | 0,454 кУ

Л111Ш111111

нвлшшиииш

Рис. 5 Осциллограмма нестационарного процесса при закрытии ГУКа, полученная в программе Роч’егОгарИ (в масштабе временной оси М2000:1)

На осциллограмме процесса закрытия ГУКа видно запаздывание при измерении динамического расхода, равное 0,2 с. Это объясняется реальной длиной гидролиний связи от ГУКа к ГДР и упругостью их связующих трубопроводов. Компенсировать запаздывание при измерении расхода возможно дополнительной установкой высокоточного реле времени, предварительно рассчитав время запаздывания.

Потери давления АР в проточной части ГУКа определялись как разность нестационарных давлений Pj(t) и Pif/J при соответствующем расходе Qr trd) и вычислялись после осциллографирования при помощи блока математических функций программы Power-Graph. Для получения расходно-перепадных характеристик типа и f(l), £=f(t) и Re=f(t) численные массивы данных из программы PowerGraph в виде таблиц формата Excel импортировались в подсистему Simulink вычислительного пакета MATLAB.

Вывод. Разработанная методика снятия, обработки и визуализации параметров ГУКа:

P2=f(t)nP}=f(t), 0=f(t), AT=f(t)

позволяет исследовать нестационарные гидродинамические процессы целого ряда золотниковых устройств клапанного типа.

Особенностью спроектированного измерительного комплекса является возможность снятия как статических, так и динамических расходно-перепадных характеристик гидравлических устройств.

Полученные расходно-перепадные и регулировочные характеристики гидроуправляемого клапана позволили описать его поведение во всём диапазоне изменения площади проточной части в процессе закры-тия-открытия, что в дальнейшем позволит оптимизировать контур гидравлического управления позиционного гидропривода.

Библиографический список

1. Сидоренко, B.C. Структурнопараметрическое управление гидромеханическими позиционерами механизмов машин [Текст] / B.C. Сидоренко, М.С. Полешкин // Гидропневомсистемы мобильных и технологических машин: сб. докл. междунар. науч.-техн. конф-Минск: БИТУ. 2010.

2. Лещенко, В.А. Гидравлические следящие приводы станков с программным управлением [Текст] / В.А. Лещенко. - М.: Машиностроение, 1975. -288 с.

3. Сидоренко, B.C. Многофункциональное гидромеханическое устройство позиционирования целевых механизмов ста-

ночных систем повышенного быстродействия и точности [Текст] / B.C. Сидоренко, М.С. Полешкин // Вестн. ДГТУ. - 2009. -Т.9.

4. Джонсон, Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы

обработки данных [Текст] / Н. Джонсон, Ф. Лион // - М.: Мир, 1980. - 602 с.

5. Измайлов, Д.Ю. «Ро\уегОгар1і». Справочник по функциям обработки сигналов [Текст] / Д.Ю. Измайлов // ПиКАД. -2009. - № 1, 2,- С. 36-39.

MEASURING SYSTEM FOR INVESTIGATION FLOW RATE AND FLUID PRESSURE FEATURES OF CONTROL DEVICES FOR THE POSITION HYDRODRIVE

© 2012 M. S. Poleshkin, V. S. Sidorenko Don State Technical University

This paper presents a measuring system allows us to investigate transient dynamic response control devices. Registration parameters: flow, pressure and spool valve displacement, conducted in real time using the software package PowerGraph and board DAC-ADC mod. E-20-10. The results allow to deduce the laws from the exit flow parameters and refine the mathematical description of the hydraulic control unit.

Hvdro-mechanical devices, positioning, nonstationary characteristics, dynamical flowmeter, methodology investigation, performance of the hydraulic units, application PowerGraph, unsteady processes.

Информация об авторах

Полешкин Максим Сергеевич, аспирант, старший преподаватель кафедры «Гидравлика, ГПА и ТП», Донской государственный технический университет. E-mail: Poleshkin.Maks@gmail.com. Область научных интересов: гидромеханические устройства управления позиционным гидроприводом исполнительных механизмов АТО.

Сидоренко Валентин Сергеевич, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Гидравлика, ГПА и ТП», Донской государственный технический университет. E-mail: vsidorenko@dstu.edu.ru. Область научных интересов: оптимальное управление гидро-и пневмомеханическими позиционирующими системами технологического оборудования и машин.

Poleshkin Maks Sergeevich, a postgraduate student, Art. Lecturer: «Hydraulics, GPA and ТР», Don State Technical University. E-mail: Poleshkin.Maks@gmail.com. Area of research: hydraulic control unit positional hydrodrive actuators automatics technology equipment.

Sidorenko Valentin Sergeevich, Doctor of Technical Sciences, professor of Don State Technical University, Head of Department «Hydraulics, GPA and ТР». E-mail: vsidorenko@dstu.edu.ru. Area of research: Optimal control of hydraulic and pneumatic mechanical positioning systems, process equipment and machinery.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.