Автоматизированная станция гидравлического нагружения для силовых статических испытаний изделий из композиционных материалов

Автоматизированная станция гидравлического нагружения для силовых статических испытаний изделий из композиционных материалов

В.И. Маринин, И.Г. Семенченко, А.И. Бутов, С.В. Омелянчук, И.В.

Шишков, А.А. Сидоренко

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени

М.И. Платова

Аннотация: В настоящей работе приведены основные технические характеристики станции гидравлического нагружения, её техническая структура и конструктивная компоновка. Представленная в статье структура системы управления позволяет решать задачу программного воспроизведения осевых, перерезывающих сил и моментов для заданных скоростей с требуемой точностью.

Ключевые слова: Гидравлическая система, система управления нагружением, регулятор давления.

Экспериментальная отработка вновь создаваемых серийных изделий из композиционных материалов [1-4] изготовленных методом намотки и проведение их приемо-сдаточных испытаний требуют воссоздания в реальном времени полного комплекса силовых эксплуатационных воздействий (осевых и поперечных сил, крутящих и изгибающих моментов, внутреннего давления) [5-7].

На протяжении более 15 лет для этих целей использовались автономные станции гидравлического нагружения, в которых отсутствовала обратная связь по силовым нагрузкам и тем более многоканальное синхронное воспроизведение нагрузок. В таких установках давление рабочей жидкости (минеральное масло) величиной до 32МПа, создаваемое насосной станцией, воздействует на поршень гидроцилиндра с заданным в зависимости от усилий диаметром. Основными недостатками этих установок является невозможность проведения циклических испытаний и сложность реализации нагружения с заданной скоростью, а также отсутствие возможности проводить нагружение по оцениваемому параметру - сила, момент.

В настоящей статье рассматривается устройство и технические возможности автоматизированной станции гидравлического нагружения (АСГН) для испытания изделий из композиционных материалов, разработанной в НИИ ВИУС ЮРГПУ(НПИ), испытанной и переданной в промышленную эксплуатацию в АО «ЦНИИСМ» г.Хотьково.

АСГН является ядром многоканального локального автоматизированного технологического комплекса силовых испытаний и должна обеспечить проведение статических силовых испытаний изделий в следующих режимах работы:

- при линейном многоступенчатом нагружении с заданной скоростью изменения усилий в том числе с выдержкой под испытательной нагрузкой в течении заданного промежутка времени;

- при управляемом сбросе нагрузки до нуля с выдержкой на этапе сброса;

- при циклическом изменении испытательной нагрузки от заданного минимального до заданного максимального значений.

Известны гидросистемы [8,9], представляющие собой гидропривод с дроссельным регулированием, причем в качестве основного регулируемого аппарата используется переливной гидроклапан с пропорциональным управлением. В этих гидросистемах при нагружении-разгружении имеется большой риск возникновения пульсаций давления, в том числе и незатухающих автоколебаний.

Основные технические характеристики разработанной АСГН приведены в таблице 1.

Автоматизированная станция гидравлического нагружения выполнена в виде закрытого напольного шкафа на колёсных опорах. В ее состав входят следующие составные части: насосная станция, блок электроники (система управления), каркас с защитными панелями (рис. 1).

Таблица 1

Технические характеристики АСГН

Параметр Значение

Полезный объем маслобака, л 63

Заправочный объем маслобака, л 70

Рабочая жидкость МГЕ-10А ОСТ 38.01281-82

Номинальное давление, МПа 32

Максимальное допустимое давление, МПа 35

Подача насоса (при частоте вращения вала приводного электродвигателя 2900 об/мин), л/мин 6,0

Пределы изменения производительности, л/мин 0-5

Напряжение питания электронного блока АСГН 3Ф~50Гц, 380 В

Мощность привода насоса, кВт 7,5

Рабочий объем насоса, см3/об 2,0

Номинальная тонкость фильтрации, мкм 10

Габаритные размеры АСГН (Д х Ш х В), мм: 900 х 700 х 1812

Масса (с сухим баком), кг

Погрешность воспроизведения заданного давления, МПа +/- 0,2

Форма задания траектории нагружения Кусочно-линейная

Регистрация давления во времени С интервалом от 0,1 до 10 сек.

На передней панели станции установлены:

- манометры;

- вентили управления гидравлическими аппаратами;

- кнопки управления питанием и приводом;

- переключатели выбора режима работы и линии нагружения;

- панель управления приводом насоса;

- промышленный панельный компьютер;

- выдвигающийся отсек для клавиатуры и манипулятор типа «мышь». С тыльной стороны расположено окошко для доступа к

автоматическим выключателям и ниша с разъемами для подключения центрального пульта и датчиков усилия, а внизу - быстросъемные гидравлические соединители.

Рис. 1 - Автоматизированная станция гидравлического нагружения Блок электроники расположен в верхней части каркаса станции на виброизолирующих подвесах. Насосная станция НЭЭ-5Н63Т1 [10] с радиально-поршневым насосом расположена в нижней части шкафа на

виброизолирующих опорах. Эта станция наиболее полно обеспечивает требуемые параметры по расходу и давлению. На эту станцию дополнительно было установлено оборудование: гидропневмоаккумулятор с блоком безопасности, переливной клапан с пропорциональным управлением DUPLOMATIC PRED-3J, кран многоходовый типа КМХ4.

На рис. 2 представлена гидросистема для нагружения конструкции при силовых испытаниях.

9 10 11 12

Рис. 2 - Принципиальная гидравлическая схема Гидравлическая система содержит: гидробак 1; приёмный фильтр насоса 2; нерегулируемый радиально-поршневой насос 3; электродвигатель 4 с частотным преобразователем 5; программный задатчик 6; сравнивающее устройство 7; трехпозиционный четырехходовой гидрораспределитель с электромагнитным управлением 8; вентиль аварийного сброса давления 9; переливной клапан с пропорциональным управлением и предохранительным клапаном 10; двухпозиционный гидроклапан с пропорциональным

управлением 11; гидропневмоаккумулятор с защитным блоком 12; испытуемая конструкция 13; указатель уровня нагрузки (датчик усилия) 14; гидроцилиндр двустороннего действия с одним штоком 15; основной предохранительный клапан 16; фильтры тонкой очистки 17; вентиль отключения гидросистемы гидропневмоаккумулятора 18; вентиль отключения пропорционального переливного клапана 19.

Гидравлическая система работает следующим образом. После включения в работу электродвигателя с частотным регулированием, рабочая жидкость из маслобака 1 через приемный фильтр 2 поступает в насос 3. При нейтральной позиции золотника гидрораспределителя 8 рабочая жидкость поступает на слив через фильтры тонкой очистки 17.

При включении электромагнита ЭМ1 одновременно запускается программа по отработке заданной диаграммы усилия. Рабочая жидкость от распределителя поступает в гидроцилиндр нагружения и создает необходимое усилие нагружения. Сигнал от указателя нагрузки 14 поступает в сравнивающее устройство 7 и программный задатчик 6. Одновременно рабочая жидкость поступает через переливной клапан с пропорциональным управлением и датчиком давления 10 на слив. Рабочее давление в гидроцилиндре формируется пропорциональным переливным клапаном путем регулирования проходного сечения, уменьшая его при нагружении и увеличивая при снижении нагрузки. Так выполняется отработка заданной диаграммы нагружения.

Кроме того, рабочая жидкость поступает и в гидропневмоаккумулятор при открытом кране блока безопасности. Гидропневмоаккумулятор сглаживает пульсации в системе и защищает ее от гидравлического удара.

На рисунках 3-4 приведены результаты испытаний в производственных условиях АСГН с предлагаемой гидросистемой, гидропневмоаккумулятор был заряжен на 9 МПа.

2

Рис. 3 График изменения давления при скорости 0.6 МПа/с

Рис. 4 График изменения давления при скорости 0.6 МПа/с (при плавном закрытии обратного клапана гидропневмоаккумулятора) На рис. 3 и рис. 4 показаны графики давления для скорости снижения давления 0,6 МПа/с - рис. 3 с гидропневмоаккумулятором и рис. 4 при закрытии обратного клапана гидропневмоаккумулятора на участке разгружения. Как видно из приведенных рисунков, плавное закрытие

обратного клапана на участке разгружения позволяет убрать всплески давления.

Электронный блок содержит компоненты системы управления, в функции которой входит:

- управление процессом нагружения;

- автоматическое поддержание заданного испытательного усилия;

- интерактивное формирование траекторий нагружения;

- защиту испытываемого изделия от превышения давления;

- формирование и вывод на панель оператора протокола испытаний и диаграмм нагружения;

- сохранение и передачу в вышестоящие системы результатов испытаний.

Система управления усилием построена как двухуровневая система с внешним контуром по средним значениям усилий по всем активным датчикам в соответствии со схемой нагружения по каналам (осевая/перерезывающая сила, момент). Внутренний контур представлен регулятором давления масла.

Структурная схема регулятора давления АСГН представлена на рисунке 5. Регулятор давления выполнен по схеме каскадного регулирования. Первый канал - ведущий, обеспечивает стабилизацию давления путём регулирования частоты вращения двигателя насоса. Второй канал - ведомый, вычисляемая им степень закрытия пропорционального клапана зависит от заданного давления и интегрального рассогласования между заданной частотой вращения (16 Гц - при подъёме и выдержке давления, 10 Гц - при сбросе давления) и текущей частотой преобразователя. В качестве задания для регулятора сечения клапана используется константа, равная минимальным рекомендуемым оборотам гидравлического насоса. Регулятор сечения дает задание регулятору тока соленоида, который,

2

непосредственно управляя током в соленоиде, определяет проходное сечение пропорционального клапана.

Рис. 5 Структурная схема регулятора давления.

Результаты испытаний системы управления представлены на рис. 6. Из графика видно, что максимальные отклонения замеренного усилия от заданного (программного) на всем участке диаграммы составляет в пределах 0.26 Тс для гидроцилиндра 50 Тс. Максимальные отклонения усилия наблюдаются только при переходе после подъема на полочку с постоянным усилием.

I]

Рис. 6 - Результаты испытаний системы управления.

Литература

1. Koussios, S (2004) «Filament Winding: a Unified Approach», DUP Science, ISBN 90-407-2551-9, 400 p.

2. Peters, S T (2011) "Composite Filament Winding", Materials Park, Ohio: ASM International, ISBN 1615037225, 167 p.

3. Савин А.Г. Математическое моделирование пятикоординатного двухшпиндельного намоточного станка // Инженерный вестник Дона, 2016, №3, URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_54_Savin.pdf_22 dcaf2d67.pdf.

4. Савин А.Г. Автоматизация синтеза виртуальных моделей технологического оборудования в системах автоматизированного программирования многокоординатных станков с ЧПУ // Инженерный вестник Дона, 2017, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/4045.

5. Роженцев В.С.Новиков А., Шаманин А. И др. Автоматизированная система для определения механических свойств материалов //Современные технологии автоматизации. - 2007. - №2.- с.72-78.

6. Прокопенко Ю.Д., Роженцев В.С., Прокопенко И.Ю. Стендовое оборудование для испытаний элементов ракетнокосмической техники//Тезисы докладов Всероссийской научнотехнической конференции «Измерения и испытания в ракетнокосмической промышленности». - М., 2009. - С. 64-67.

7. Автоматизированная система управления установкой для испытаний изделий внутренним давлением. В. Роженцев, Ю. Прокопенко, В. Мараховский и др.// Современные технологии автоматизации. - 2010. №3. С. 54-65.

8. Патент RU № 2449253 С2, кл. G01M 5/00, 2012.

9. Патент SU № 805752, кл. G01M 5/00, 1996.

10. Гидравлическое оборудование и технические решения. Каталог ЭНЕРПРЕД. -Иркутск.-2014. - 110 с.

References

1. Koussios, S (2004) «Filament Winding: a Unified Approach», DUP Science, ISBN 90-407-2551-9, 400 p.

2. Peters, S T (2011) "Composite Filament Winding", Materials Park, Ohio: ASM International, ISBN 1615037225, 167 p.

3. Savin A.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №3. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_54_Savin.pdf_22dcaf2d67.pdf.

4. Savin A.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 1y2017/4045.

5. Rozhencev V.S. Novikov A., Shamanin A. a.o. Sovremennye tekhnologii avtomatizacii. 2007. №2. pp. 72-78.

6. Prokopenko Yu.D., Rozhencev V.S., Prokopenko I.Yu. Abstracts of the All-Russian Scientific Technical Symp. «Measuring and testing in the rocket-space industry». Moscow, 2009. pp. 64-67.

7. V. Rozhencev, Yu. Prokopenko, V. Marahovskij a.o. Sovremennye tekhnologii avtomatizacii. 2010. №3. pp. 54-65.

8. Pat. RU № 2449253 S2, kl. G01M 5/00, 2012.

9. Pat. SU № 805752 S2, kl. G01M 5/00, 1996.

10. Gidravlicheskoe oborudovanie i tekhnicheskie resheniya. Katalog EHNERPRED [Hydraulic equipment and technical solutions. ENERPRED Catalog]. Irkutsk. 2014. 110 p.