Выбор эффективного торможения рабочих органов пневмоагрегатов с большой инерционной нагрузкой Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

-------------------□ □----------------------

Показано, що шляхом використання ємнісного гальмування замість дросельного для пневмоагрегатів з великим інерційним навантаженням вдається наблизити характер руху робочого органу пневмоагрегату до найбільш раціонального. Шляхом машинного експерименту вдається підібрати параметри пневмоагрегату з гальмівною ємністю, що забезпечують оптимальний режим гальмування

□-----------------------------------□

Показано, что путем использования емкостного торможения вместо дроссельного для пневмоагрегатов с большой инерционной нагрузкой удается приблизить характер движения рабочего органа пневмоагрегата к наиболее рациональному. Путем машинного эксперимента удается подобрать параметры пневмоагрегата с тормозной емкостью, обеспечивающие оптимальный режим торможения

□-----------------------------------□

It is rotined that by the use of the capacity braking in place of choke for pnevmoagregat-ov with the large inertia loading it is succeeded to approach character of motion of working organ of pnevmoagregata to to to most rational. By a machine experiment it is succeeded to pick up the parameters of pnevmoagregata with a brake capacity, providing the optimum mode of braking

-------------------□ □----------------------

УДК 621.5

ВЫБОР ЭФФЕКТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПНЕВМОАГРЕГАТОВ С БОЛЬШОЙ ИНЕРЦИОННОЙ НАГРУЗКОЙ

Г. А. Крути ков

Кандидат технических наук, доцент* Контактный тел.: 050-512-63-35

В. В. Ермак

Магистр*

*Кафедра пневмогидроавтоматики Национальный технический университет «Харьковский

политехнический институт» ул. Фрунзе, 21, г.Харьков, 61002 Контактный тел.: 099-273-80-19

Введение

При торможении рабочих органов (РО) пневмоагрегатов (ПА) очень часто, по аналогии с гидроприводами, используют дроссельное торможение. Однако необоснованность такого подхода становится очевидной при нагружении ПА с большой сжимаемостью рабочего тела средними и большими инерционными нагрузками.

Объект исследования

Наиболее типичным случаем, когда проектировщик сталкивается с проблемой безударного срабатывания ПА с большой инерционной нагрузкой является пневматический модуль поворота колонны автоманипулятора (рис. 1).

Даже при манипулировании сравнительно небольшими массами (т) на пневмоцилиндре неполноповоротного модуля с передачей «рейка-шестерня» могут возникнуть чрезвычайно большие инерционные нагрузки.

Достаточно легко оценить, какая будет реальная нагрузка, приведенная к штоку цилиндра, в этом случае.

Приняв Я = 1,0 ми радиус делительной окружности шестерни гш = 0,05 м, условно сосредоточенную массу на конце консоли т = 15 кг, получим момент инерции:

I = т ■ Я2 = 15кгм2.

Рис.1. Кинематическая схема нагружения пневмомодуля поворота колонны манипулятора

....................................................уз

Из условия равенства моментов инерции приведенная в этом случае к штоку цилиндра масса шир составляет:

I 15

т —------—------

„2

Г,,,

0.052

= 6000 кг .

Основные результаты

Р2

р 7

•1 1

и

Л

Математическую модель ПА с тормозной емкостью получим на основании термодинамических зависимостей тела переменной массы [1]

При работе с такими инерционными нагрузками дроссельное торможение не может обеспечить требуемой динамики движения. Ярко выраженный колебательный и, к тому же, затяжной процесс торможения часто вынуждает отказаться от использования пневматики для решения подобных задач и перейти к использованию гидропривода, что многократно усложняет дальнейшую эксплуатацию оборудования.

На рис. 2, 3 представлены схемы ПА соответственно с дроссельным и ёмкостным торможением.

Фі _к' ^' рм Vк Я' Тм ф(2) _ к ■ Рі ■V

dt

dt

Fl(Xl + х)

к ■ I ■

Я ■ Т

■ф(г2і)+

к ■ р2■V L _ х + х,

аР2і = к Ук Я ■ Тм dt W

= V

dt

ау = (рі ■ ^ _ Р2 ■ F2 _ р)

dt т

■ [^2 ■ Р2 ф(221) _ 4 Ф(2) ■ Р21 ] (1)

где z - отношение давлений, z1 = р^р2', z21 = р21/р2; z3 = раД>21; Рм,Ра - магистральное и атмосферное давление; р1,р21,р2 - давления в соответствующих полостях ПА (рис. 3); ф^) - расходная функция, которая записывается в виде универсальной зависимости, пригодной как для критического, так и для надкритического режима течения.

[1 + sign(z - 0,528]- ^/аЬ^^’43-^171)

ф^)

2

0,579 [1 -sign(7-0,528)]

(2)

2

где Тм - абсолютная температура воздуха в магистрали питания; Я - газовая постоянная; к - показатель адиабаты; х1,х2 - начальные координаты поршня слева и справа; х - текущая координата поршня; L - полный ход поршня; ^Д2Д3 - эффективные площади соответствующих дросселей (рис. 3); W - объем ёмкости; т - масса подвижных частей; Р - статическая нагрузка; V - скорость поршня; F1, F2 - площади торцов поршней слева и справа.

Рис. 3. Схема емкостного торможения

На схеме ёмкостного торможения (рис. 3) при отсутствии управляющего сигнала Т сжатый воздух из выхлопной полости пневмоцилиндра попадает в междроссельную камеру с объемом W, причем при правильном согласовании объема W и эффективных площадей дросселей ^ и {3 с параметрами пневмоцилиндра и величиной массовой нагрузки можно осуществить эффективное торможение РО ПА.

При перемещении РО в крайнее положение срабатывает конечный переключатель и подает сигнал Т, в результате чего происходит быстрое опоражнивание выхлопной полости и ёмкости.

Рис. 4. Переходный процесс для ПА с дроссельным торможением

На рис. 4 представлен переходный процесс, полученный на ЭВМ в результате численного интегрирования системы дифференциальных уравнений, отражающих функционирование ПА с дроссельным торможением (рис. 2) при следующих параметрах: т = 6000кг, Р = 250Н, F1 = 0,1м2, F2 = 0,094 м2, L = 0,8 м, хТ = 0,4 м, ^ = £, = 0,47 10-3м2, £_ = 0,4 10-4 м2,

где хТ и - координата торможения и эффектив-

ная площадь тормозного дросселя.

Из представленного расчета видно, что процесс торможения колонны манипулятора носит ярко выраженный колебательный характер, с большой амплитудой колебания, и длительным временем срабатывания ^к = 5 65 А ).

Несмотря на затянутый процесс срабатывания скорость удара в конце хода составляет 0,18 м/с, что учитывая большую приведенную массу подвижных частей, может привести к разрушительным последствиям.

Попытка увеличить тормозной путь хТ приводит лишь к более затяжному переходному процессу, практически не меняя сам характер переходного процесса.

Радикальным образом изменить характер переходного процесса, приблизив его к идеальному, возможно лишь при переходе к ёмкостному торможению. Переходный процесс на рис. 5 получен при тех же условиях, что и в предыдущем случае, но при использовании ёмкостного торможения.

Путем машинного эксперимента удалось подобрать оптимальное соотношение W и ^Д3, которые обеспечили наивысшее быстродействие (^ = 1,64 А ) и характер изменения скорости близкий к идеальному, циклоидальному виду. Наиболее оптимальные параметры переходного процесса в данном случае обеспечивает ёмкость W=0,12 м3 и дроссели ^ = 0,47 10-3 м2, f3 = 0,3 10-4м2.

Для разработки инженерной методики расчета ПА с емкостным торможением необходим переход к безразмерной форме записи с выделением критериев динамического подобия, которые позволят с помощью графиков-номограмм оперативно определять оптимальные значения f2,f3 и ^

Выводы

Изложенный в работе сравнительный анализ двух способов торможения свидетельствует о высокой эффективности ёмкостного способа. Приближенный способ может стать практически единственным способом обеспечения безударного срабатывания ПА с большой инерционной нагрузкой.

Литература

1. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие. - М. .: Машиностроение, 1975. - 272 с.

Рис. 5. Переходный процесс для ПА с ёмкостным торможением

Е