Исследование следящей системы двустороннего действия с переменными параметрами нагрузки

УДК 626.02.008

А.В. Писаренко, Ф.Д. Юрчик

ПИСАРЕНКО Антон Владимирович - аспирант кафедры технологий промышленного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: p-anton1@mail.ru, ЮРЧИК Федор Дмитриевич - кандидат технических наук, доцент кафедры технологий промышленного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). © Писаренко А.В., Юрчик Ф.Д., 2012

Исследование следящей системы двустороннего действия с переменными параметрами нагрузки

Представлены результаты исследования влияния параметров жидкости в погружных системах двустороннего действия. Приведена структурная схема системы СДД по положению. Ключевые слова: структурная схема, электродвигатель, вязкость жидкости, переходный процесс.

Research of servomechanism double-end action with variable parameters of loading. Anton V. Pisarenko,

Fedor D. Yurchik - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

In this article are presented results of research of influence of parameters of liquid in servomechanism double-end

action, block diagram of servomechanism double-end action by position.

Key words: block diagram, DC motor, viscosity of liquid, transient process.

В практике создания дистанционно управляемых копирующих манипуляторов широкое распространение получили обратимые следящие системы двустороннего действия (СДД), состоящие из двух следящих систем. Первая из них (рис. 1) управляет положением вала нагрузки, вторая — положением вала рукоятки оператора. Совокупность систем обеспечивает передачу угловых перемещений и передачу моментов в двух направлениях: от задающего устройства к исполнительному приводу и от исполнительного привода к приводу задающего устройства [2].

Использование данных следящих систем существенно затруднено в подводной робототехнике. В проводившихся ранее исследованиях отмечалось влияние гидростатического давления на подвижные электромеханические элементы манипуляционных устройств [4]. В приведенных источниках отсутствуют рекомендации по комплексному учету параметров жидкости для заполнения электродвигателей. Эта проблема возрастает с увеличением глубины погружения манипуляторов, что требует дополнительных исследований влияния параметров жидкостей на характеристики электропривода.

Рис. 1. Структурная схема привода управления положением вала нагрузки. Передаточная функция (ПФ): 1 - регулятора положения; 2 - регулятора скорости; 3 - регулятора тока; 4 - преобразователя, 5 - электрической части двигателя, 6 - механической части двигателя, 7 - редуктора; 8 - внешнее воздействие, состоящее из трех компонентов, 9 - сила тяжести, 10 - вязкостное сопротивление вращению ротора в двигателе, 11 - вязкостное сопротивление движению звена манипулятора в морской воде; а - угол поворота вала редуктора; ю - скорость вращения вала двигателя; 1вн - ток внешнего воздействия; I дв.н - ток двигателя; Цосп - напряжение обратной связи по положению; Цосс - напряжение обратной связи по скорости; иост - напряжение обратной связи по току

В данной работе делается попытка дальнейшего исследования влияния параметров жидкости для использования в погружных системах двустороннего действия. В частности, при каких температурах и нагрузках наиболее эффективны рекомендуемые жидкости, а также при каких температурах и нагрузках для данной системы СДД.

В качестве привода выбран электродвигатель ДБМ 100-0,4-1,5-2 и редуктор ПЦР 85 [3].

Для исследования использованы следующие номинальные параметры: масса нагрузки тн = 10 кг, длина и ширина звена Ьн = 0,5 м и Вн = 0,1, температура силиконового масла ПЭС-1 10 = + 40°, плотность

н

морской воды р = 1025 кг/м3.

На рис. 2 показаны зависимости коэффициента вязкости керосина РТ, силиконовых масел ПЭС-1, ПМС-1, трансформаторного масла от температуры. Эти данные получены по точечным значениям при определенных показателях температур аппроксимацией полной характеристики [1] коэффициента вязкости дистиллированной воды в зависимости от температуры.

На рис. 3-6 представлены зависимости времени переходного процесса от массы нагрузки; длины и ширины звена; температуры керосина РТ, силиконового масла ПЭС-1, смеси 4:1 керосина РТ и масла ПЭС-1, соответственно.

Рис. 2. Зависимость коэффициента вязкости от температуры. 1 - дистиллированная вода, 2 - керосин РТ, 3, 4 - силиконовые масла ПЭС-1, ПМС-1, 5 - трансформаторное масло

Рис. 3. Зависимость времени Рис. 4. Зависимость времени Рис. 5. Зависимость време-переходного процесса от массы переходного процесса от ни переходного процесса от нагрузки длины звена ширины звена

Рис. 6. Зависимость времени переходного процесса от температуры: 1 - керосина РТ; 2 - силиконового масла ПЭС-1; 3 - смеси 4:1 керосина РТ и масла ПЭС-1

Из представленных выше характеристик видно, что влияние отдельных параметров на время переходного процесса изменяется в следующей последовательности (от меньшего к большему): ширина звена, температура жидкости в двигателе, длина звена и масса нагрузки.

Применение керосина для заполнения двигателя нежелательно, так как температура вспышки составляет 28-72 °С, что может привести к аварийной ситуации. Также короткое замыкание обмоток двигателя возможно из-за вымывания изоляционного слоя. Применение трансформаторного масла нежелательно, так как диапазон температур для исследования выбран от -4 °С до +70°С, в котором значение коэффициента вязкости слишком велико. Следовательно, необходимо использовать смесь керосина с маслом или другие виды масел, например силиконовые, с более высокой температурой вспышки и приемлемым коэффициентом вязкости.

Существенное влияние на время переходного процесса привода оказывает масса нагрузки. Дальнейшее исследование системы СДД направлено на исследование влияния этого параметра на время переходного процесса и статический ток (момент) двигателя (рис. 7). Анализ системы СДД выявил следующие зависимости статического тока двигателя и времени переходного процесса от массы нагрузки (эти зависимости

представлены на рис. 8, 9 соответственно). Рисунок 8 демонстрирует линейную зависимость тока двигателя от нагрузки, на рис. 9 - квадратичную зависимость времени переходного процесса от нагрузки.

Рис. 7. Структурная схема системы СДД по положению. 12 - привод управления положением вала нагрузки (рассмотрен выше), 13 - привод управления положением вала рукоятки оператора; состоит из: 14 - ПФ регулятор положения; 15 - ПФ регулятор скорости; 16 - ПФ регулятор тока; 17 - ПФ преобразователь; 18 - ПФ электрической части двигателя; 19 - ПФ механической части двигателя; 20 - ПФ редуктора; а - угол поворота вала редуктора; ю - скорость вращения вала двигателя; 1дв.о - ток двигателя; Иосп - напряжение обратной связи по положению; Иосс - напряжение обратной связи по скорости; иост - напряжение обратной связи по току.

Рис. 8. Зависимость тока двигателя Рис. 9. Зависимость времени переходного

от нагрузки процесса от нагрузки

В результате исследования системы СДД для подводных работ было выявлено, что наиболее рационально использовать силиконовое масло (например, ПЭС-1) или смесь керосина с маслом, которые удовлетворяют по коэффициенту вязкости. Применение системы СДД с выбранным приводом позволяет работать с грузом до 10 кг на плече 1 м на глубине погружения до 300 м.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волков А.И. Большой химический справочник. Мн.: Современная школа, 2005. 608 с.

2. Егоров И.Н., Жигалов Б.А., Кулешов В.Г. и др. Проектирование следящих систем двустороннего действия. М.: Машиностроение, 1980. 300 с.

3. Писаренко А.В., Юрчик Ф.Д. Разработка необитаемого подводного аппарата для выполнения аварийно-спасательных работ // Технические проблемы освоения Мирового океана: материалы 3-й всерос. науч.-техн. конф., Владивосток, 2009. Владивосток: Дальнаука, 2009. С. 101-106.

4. Ястребов В.С., Смирнов А.В., Челышев В.А. Принципы построения погружных систем подводных аппаратов. М.: Наука, 1979. 128 с.