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

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

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: [email protected]. 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: [email protected]. 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: [email protected]. 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: [email protected]. Area of research: Optimal control of hydraulic and pneumatic mechanical positioning systems, process equipment and machinery.