CC BY
62
Перевертов В.П. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВОЧНОГО РАСЧЕТА БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА МУФТОВОГО ВИНТОВОГО ПРЕССА С СИСТЕМОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Муфтовые винтовые прессы (МВП) представляют собой новый и перспективный класс кузнечно-штамповых машин (КШМ), предназначенных для технологических операций горячей и холодной объемной штамповки в закрытых и открытых штампах, ковки, листовой штамповки, чеканки, калибровки, обрезки облоя, глухой прошивки и т.д. В отличие от винтовых прессов (ВП) традиционных конструкций [1] в МВП для привода рабочих частей используется кинетическая энергия постоянно вращающегося в одном направлении маховика. Для совершения рабочего хода деформирования маховик соединяется с винтом и по окончании его отсоединяется от винта соединительной муфтой. Поэтому быстродействие отключения муфты (должно быть на порядок меньше времени совершения хода деформирования) осуществляемое системой управления, является важной технологической и эксплуатационной характеристикой качества управления МВП.
Проектировочный расчет ВП с системой управления включает в себя:
1. динамическое моделирование и расчет нагрузок на основные элементы конструкции пресса на ходе разгона, возвратном ходе и в течение хода деформирования с учетом типа технологической операции;
2. расчет параметров привода;
3. кинематический, силовой и прочностной расчет основных деталей и механизмов;
4. энергетический расчет ВП и его основных технологических и эксплуатационных характеристик;
5. анализ ВП как объекта управления, математическая постановка и решение задачи оптимального управления, включающие формулировку целевых условий, критерия качества и вычислительных операций алгоритма управления ВП.
В данной работе изложена методика проектировочного расчета быстродействующего исполнительного органа МВП с системой диагностического управления, составными частями которой являются: взаимозависимость математических моделей системы «КШМ - инструмент - заготовка - диагностическое управление - исполнительный орган КШМ» (рис. 1); методика расчета динамики срабатывания гидроприводной муфты МВП с импульсным сбрасывающим клапаном (ИСК), являющимся исполнительным органом системы управления; методика синтеза математического обеспечения алгоритмов адаптивного управления МВП. Она позволяет рассчитывать на ЭВМ динамические параметры муфты и синтезировать математическое обеспечение ВП управления по формализованной процедуре.
Рис.1. Взаимозависимость математических моделей системы «КШМ - инструмент - заготовка - диагностическое управление - исполнительный орган КШМ»
Математические модели системы «КШМ - инструмент - заготовка - диагностическое управление - исполнительный орган КШМ»
В разработанной системе (рис.1) важным и малоизученным элементом является система диагностического управления, составными частями которой являются системы контроля, диагностики и управления.
Для организации обслуживания, наладки и эксплуатации КШМ в ГПС необходимо постоянно оценивать с помощью средств контроля и диагностики техническое состояние отдельных элементов оборудования и технологического процесса. На дискретный характер работы КШМ оказывают влияние внешние и внутренние факторы. Своевременная информация о техническом состоянии отдельных элементов конструкции КШМ позволит повысить их надежность и долговечность, безопасность, а так же осуществлять быструю переналадку и обслуживание в ГПС.
Диагностика позволяет обнаружить дефекты и неисправности и своевременно устранить их в процессе работы и обслуживания ГПС или отключить неисправный и включить резервный канал и обеспечить непрерывное
функционирование системы. При диагностировании КШМ в составе ГПМ необходимо установить место, способ и средства контроля. При этом выбираются параметры, контроль которых дает наиболее объективную информацию о техническом состоянии машины.
Наиболее простым являются случаи, когда показания датчика выходного параметра непосредственно, с достаточной точностью, характеризуют состояние машины и можно не учитывать влияние посторонних факторов. Например, датчики перемещения, скорости ползуна ЭВП позволяют судить о функционировании пресса во время хода разгона рабочих частей. Отклонение характера нарастания скорости рабочих частей пресса от заданного свидетельствует о нарушении работоспособности какого-либо из элементов машины. Падение скорости на ходе разгона свидетельствует или об увеличении сил трения (отсутствие смазки, малый зазор и т.д.) или об изменении (падении) напряжения в электросети.
Для ГВП, падение давления в гидросистеме ниже нормы свидетельствует о нарушениях герметизации и возрастании утечек или разрушении элементов гидроприводов, а повышение давления - о засорении или облитерации каналов.
Если при этом известна функциональная связь между выходными параметрами состояний и характеристиками состояний (неисправностями), то можно составить контрольную картотеку изменения параметров для различных первичных неисправностей и диагностировать состояние КШМ или ее элементов.
При адаптивном управлении процессом деформирования на ГПМ необходим контроль параметров заготовки, инструмента, системы управления, привода и рабочих узлов кузнечной машины в исходном состоянии, в процессе деформирования и в конечном состоянии.
К контролируемым параметрам заготовки относятся температура, масса (объем), химический состав, геометрические размеры, наличие микротрещин. Своевременная информация о состоянии заготовки дает возможность вычислять и корректировать в условиях ГПС энергетические и кинематические параметры кузнечной машины, необходимые для получения поковок (штамповок) с размерами в пределах поля допуска при минимальной перегрузке механической системы и привода. При организации непрерывного контроля за состоянием заготовки в процессе деформирования, в особенности для горячей объемной штамповки и ковки на машинах ударного действия, необходимы датчики, обеспечивающие безотказную и надежную работу в условиях повышенного уровня вибрации, температур, запыленности и загазованности окружающей среды. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют цифровые бесконтактные датчики, не требующие тарировки в процессе работы и не имеющие изнашиваемых частей.
Диагностирование состояния инструмента (температура, деформация, износ) позволяет предупредить поломку инструмента и выход размеров заготовки за пределы поля допуска. По температуре инструмента можно судить о стабильности процесса деформирования и макроструктуре поковок и предупредить возможную потерю устойчивости системы (норма, риск, отказ).
Контроль энергетических и кинематических параметров подвижных частей КШМ дает возможность определить запасенную энергию и усилие деформирования. Диагностирование состояния механической системы КШМ (например, измерение напряжений в станине пресса) может предупредить перегрузку и поломку базовых деталей, а также позволяет косвенно судить о состоянии деформируемой заготовки. Контроль параметров КШМ ударного действия, связан с трудностями обеспечения надежной и безотказной работы датчиков на различных этапах машинного цикла, продолжительность которого составляет несколько долей секунды. Ускорение, которое испытывает ударная масса в начальный период деформирования, может достигать 1000д, что затрудняет установку на ней средств контроля и диагностики.
Управление КШМ должно осуществляться только после определения технического состояния рассмотренных элементов системы /1/.
Методика расчета динамики срабатывания гидроприводной муфты МВП с ИСК
Проведенные экспериментальные исследования (компьютерное и схемотехническое моделирования; натурные испытания) позволили разработать алгоритм методики расчета динамики срабатывания гидроприводной муфты с ИСК.
1. Анализ конструкции ВП, муфты и гидросистемы и разработка общей динамической модели.
На данном этапе производятся следующие действия:
1.1. анализ конструктивной схемы; обоснование допущений и выбор расчетной схемы;
1.2. разбиение схемы на отдельные элементы;
1.3. представление отдельных элементов в виде их механических эквивалентов с сосредоточенными параметрами;
1.4. анализ взаимодействия отдельных элементов и представление взаимодействий механическими эквивалентами;
1.5. синтез фрагментов динамической модели по отдельным сложным узлам и агрегатам конструктивной схемы;
1.6. синтез общей динамической модели по фрагментам.
Результатом этапа является общая многомассовая и многомоментная сосредоточенная динамическая модель гидроприводной муфты МВП с элементами гидроарматуры.
2. Разработка эквивалентной схемотехнической модели:
2.1. представление механических элементов их электротехническими аналогами по динамическому подобию [2];
2.2. синтез эквивалентной электротехнической схемы по динамическому подобию с динамической моделью.
Результатом этапа является электротехническая схема, эквивалентная динамической модели, в которой
напряжения представляют давления рабочей жидкости, токи - расходы рабочей жидкости, индуктивности -приведенные массы, емкости - упругости, сопротивления - скоростные механические и гидравлические сопротивления, источники напряжения - источник давления, источники тока - источники расхода рабочей жидкости.
3. Разработка математической модели.
На данном этапе на основе динамической модели формулируется система дифференциальных уравнений с начальными и граничными условиями, описывающих динамику срабатывания муфты, импульсного клапана, входного и выходного распределителя, динамику давлений и расходов в элементах гидросистемы, динамику разгона и торможения винта с ползуном.
4. Предварительный анализ динамики срабатывания, включающий :
4.1. формирование таблицы конструктивных параметров ВП, муфты и гидроарматуры;
4.2. вычисление приведенных масс и жесткостей элементов;
4.3. определение частот собственных колебании элементов и объединение их в группы по общему порядку частот собственных колебаний;
4.4. вычисление чисел Рейнолъдса для гидравлических элементов по ориентировочному времени протекания гидравлических процессов;
4.5. определение гидравлического режима и вычисление коэффициентов гидравлического сопротивления;
4.6. разбиение модели на фрагменты с общим порядком частот собственных колебаний и общим гидравлическим режимом.
Результатом данного этапа является определение совокупности исходных данных для численного расчета, существенно нелинейных элементов модели и фрагментов модели, подлежащих отдельному численному расчету.
5. Численный расчет по нелинейной математической модели, включающий:
5.1. выделение совокупности дифференциальных уравнений с начальными и граничными условиями, описывающих нелинейный фрагмент модели;
5.2. разработка разностной схемы и алгоритма расчета динамики;
5.3. разработка программы расчета на языке высокого уровня и проведение расчета на ЭВМ.
Результатом данного этапа является программа численного расчета динамики нелинейных фрагментов и получение численных результатов расчетов.
6. Численный расчет по линейной (линеаризованной) модели.
На данном этапе целесообразно применение средств программного комплекса ПА-6, при этом выполняются следующие действия:
6.1. разработка эквивалентных электротехническим схем линейных (линеаризованных) фрагментов динамической модели;
6.2. расчет параметров электросхем: эквивалентных источников напряжений и токов, индуктивностей, емкостей, сопротивлений, начальных условий;
6.3. разработка оперативных программ моделей имеющихся нелинейных элементов;
6.4. разработка программы на входном языке комплекса ПА-6 и проведение расчетов.
7. Проведение проверочных расчетов по упрощенным математическим моделям фрагментов.
8. Анализ и сопоставление полученных результатов расчетов по линейной и упрощенной моделям.
9. Корректировка моделей и программ расчета по выявленным существенным неточностям и ошибкам.
10. Повторное проведение расчетов.
11. Выработка рекомендаций по оптимизации проектируемой конструкции МВП, гидроприводной муфты, гидроарматуры. На данном этапе можно проводить оптимизирование параметров гидросистемы привода муфты, например, длин и диаметров гидролиний, масс и эффективных площадей поршней, затворов, золотников. Критериями оптимизации могут служить быстродействие напорного и сливного распределителей, время отключения муфты, энергетические потери маховика на проскальзывание в муфте, скорость поршня муфты при ее включении. Алгоритм методики расчета динамики срабатывания гидроприводной муфты МВП с ИСК приведен на рис. 2.
Рис. 2. Алгоритм расчета динамики срабатывания гидроприводной муфты МВП с ИСК
Методика синтеза математического обеспечения алгоритмов адаптивного управления МВП
Управление МВП может осуществляться по одному из трех способов: по ходу деформирования Бд, по усилию деформирования Рд, по работе деформирования Ад.
Задача программного управления МВП заключается в отключении муфты при достижении одним из параметров Бд, Рд, Ад заданного значения.
При управлении по заданному усилию деформирования (Рд) путем регулирования давления в полости муфты, величину давления в полости муфты Р, соответствующую заданному усилию деформирования, можно определять по соотношению (1.1).
р _ р ■ РЛ ■ (а + )
Ц • Вс2 • ¥ • п
где , Пс2 - средние диаметры винта и фрикционного кольца; Цх, ц - коэффициент трения в винтовой
паре и в муфте; а - угол подъема резьбы винта; Е - площадь поршня муфты; п - число пар трения муфты.
При управлении по величине совершенной работы деформирования Ад с контролем угловой скорости ю маховика, величину угловой скорости, соответствующую заданной работе деформирования, можно определять из соотношения (1.2).
2 Ад\
(1.2)
где Ум , Ув - моменты инерции маховика и винта; m - масса ползуна с гайкой и верхним штам-
пом; h - ход резьбы винта; Шн - номинальная скорость маховика.
Алгоритмы адаптивного управления ВП могут использоваться при управлении как по величине усилия, так и по величине работы деформирования.
Идея адаптивного управления ВП заключается в использовании информации о результатах штамповки, получаемой по обратной связи, для корректировки и уточнения оптимальных величин Рд или Ад в режиме реального технологического процесса. Адаптивное управление позволяет в ходе технологического процесса автоматически уточнять неизвестную или неточно определенную ранее зависимости максимального усилия деформирования или потребной работы деформирования от контролируемых технологических переменных: температуры 0з, объема Vз, химического состава заготовки ^ и т.д. При этом автоматически учитываются и компенсируются изме-
нения неконтролируемых параметров, например, объема и формы полостей штампов за счет износа.
Для осуществления адаптивного управления необходима организация обратных связей по результатам хода деформирования. В соответствии с [20] для определения отклонений усилия или работы деформирования от их оптимальных значений на отдельном машинном цикле, достаточно одновременно осуществлять контроль величины перемещения ползуна и усилия деформирования на рабочем ходе. По получаемой информации об отклонениях
Рд и Ад от оптимальных значений Р° и А0 восстанавливаются линейные многомерные регрессии Р0 и А0 на значения контролируемых входных переменных. В этом и заключается сущность математического обеспечения адаптивного управления МВП.
Согласно исследованиям [1], общий алгоритм синтеза математического обеспечения адаптивного управле-
ния МВП можно сформулировать в следующем виде.
1. Выбор способа адаптивного управления.
На данном этапе в зависимости от типа технологической операции, используемых датчиков контроля и исполнительных органов системы управления, вида обратной связи, выбирается один из двух способов управления: по максимальной величине усилия деформирования Рд или по величине потребной работы деформирования Ад.
2. Выбор целевых условии адаптивного управления.
На данном этапе принимается решение о целесообразности использования условия гарантированного избе-
жания недоштамповки.
3. Выбор уровня надежности избежания недоштамповки.
4. Выбор модификации адаптивного регулятора.
На данном этапе в соответствии с априорными данными о совокупности контролируемых и неконтролируемых
технологических параметров, степени влияния неконтролируемых параметров, мощности процессора системы управления выбирается одна из модификаций адаптивного регулятора в соответствии с рекомендациями, изложенными в [1].
5. Синтез исходной модели технологического процесса.
На данном этапе должны быть выработаны зависимости усилия деформирования или работы деформирования от контролируемых технологических параметров на основании аналитических или экспериментальных исследований.
6. Формулировка последовательности математических операций, реализующих адаптивный регулятор, в соответствии с результатами, полученными в [1].
7. Разработка программы для процессора системы управления, реализующей алгоритм управления с вычислительными операциями.
Алгоритм методики синтеза математического обеспечения адаптивного управления МВП приведен на рис. 3.
Рис.3. Алгоритм методики синтеза математического обеспечения адаптивного управления МВП
ЛИТЕРАТУРА
1. Перевертов В.П., Бочаров Ю.А., Маркушин М.Е. Управление кузнечными машинами в ГПС. -кн. изд-во, 1987. -160 с.
2. Маркушин М.Е., Перевертов В.П., Волков Ю.А., Мещеринов И.И. Динамическое моделирование ствующего исполнительного органа муфтового винтового пресса на базе персонального компьютера компьютер. - Харьков: АПО Турбоатом, 1990. - С.69-73.
3. А.с. № 1834436 в СССР, МКИ3 F16К21/12. Клапан сбрасывающий импульсный / Ю.А. Бочаров, ] шин, В.П. Перевертов и др. // Открытое изобретение. - 1992. - №39. - С.23.
Куйбышев:
быстродей-
// Жизнь и
.Е. Марку-
