Моделирование цепи управления механического автовариатора

«Компрессорные установки для систем добычи, транспорта, переработки и хранения нефти и газа». Одними из основных заказчиков инженеров указанной специальности могут являться предприятия, входящие в систему ОАО «Газпром» или работающие по заказам ОАО «Газпром».

Материалы настоящей статьи могут быть полезны специалистам в области эксплуатации компрессорных станций магистральных газопроводов, находящихся в ведении ОАО «Газпром», руководителям предприятий военно-промышленного комплекса г. Омска, а также могут быть использованы студентами вузов при выполнении курсовых и дипломных проектов по тематикам, связанным с транспортом природного газа.

Литература

1. Сырьевые промышленные товары. Минерально-сырьевая база нефтегазодобывающей, угольной и урановой промышленности РФ // Технология машиностроения, 2002,- №5.- С. 65-68.

2. Симонов К. Газ в ожидании реформы // Экономика России: XXI век,- 2003.-№10.

3. Седых А.Д., Лезнов A.C., Барцев И В. Тенденции развития центробежных компрессоров, применяемых в газовой промышленности // Труды 6-го международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования».- Санкт-Петербург, 2000.- С. 14-17.

4. Шайхутдинов А.З., Хабибуллин М.Г., Хисамеев И.Г., Проккоев В.В. Некоторые результаты совместной деятельности потребителей и производителей в области создания новых и реконструкции действующих ГПА для предприятий ОАО «Газпром» // Компрессорная техника и пневматика.- 2000.- Ne 5.- С. 17-21.

5. Ден Г.Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров. - Л.: Машиностроение, 1980,- 232 с.

6. Соляник В.Г., Роговой Е.Д., Бухолдин Ю.С., Пара-фейник В.П., Тимофеев И.И., Костенко Д.А. Опыт эксплуатации блочно-модульных газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом нового поколения // Труды 6-го международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрес-сорного оборудования»,- Санкт-Петербург, 2000,- С. 169-174.

7. Сухиненко В.Е., Парафейник В.П., Емельянен-ко Е.И., Костенко Д.А., Мартыненко Л.И., Бацула А.Л.

П. Д. БАЛАКИН Г. И. ГОЛОЛОБОВ О. С. МИХАЙЛИК

Омский государственный технический университет

УДК 621. 839. 86

В [1-6] изложено научное обоснование принципа конструирования машинных механических систем наделением систем свойством адаптации к первичным, силовым, температурным ошибкам элементов конструкции, к режимам эксплуатации машины, указаны

Использование опыта создания и производства агрегатов типа ГПА-Ц и их систем при реконструкции компрессорных станций газовой промышленности // Компрессорная техника и пневматика.-1997,- № 3-4,- С. 107122.

8. Романов В.И., Казанович В.Я., СташокА.Н. Работы НПП «Машпроект» и ПО «Заря» по конверсии корабельных газотурбинных двигателей // Химическое и нефтегазовое машиностроение.- 1997 - №5.- С. 66-68.

9. Соколовский М.И.. Варин В.В., Глушков Б.К., Кислицын Г.Ф., Макаревич Ю.Л., Митин Е.М. Проектирование и производство газонефтяного оборудования в ОАО НПО «Искра» // Труды 8-го международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования»,- Санкт-Петербург, 2002,- С. 26-35.

10. Наумов Е.Д., Овсиенко А.Г., Парафейник В.П., Пшик В.Р., Емельяненко Е.И., Даниленко В.И. Опыт внедрения и эксплуатации бессмазочных центробежных компрессоров природного газа мощностью 16 МВт // Компрессорная техника и пневматика.-2001.- № 8,-С. 7-10.

11. Шайхутдинов А.З., Лезнов A.C., Хабибуллин М.Г., Сафиуллин А.Г., Верещагин В.П., Сарычев А.П., Спирин A.B. Разработка и испытания нагнетателя с магнитными подшипниками для ГПА-16 «Волга» // Труды 7-го международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования»,- Санкт-Петербург, 2001,- С. 14-19.

12. Лушников В.П. Отраслевой институт «Омскгаз-технология» в программе газификации Омской области» И Энергосбережение и энергетика в Омской области,- 2001,- №1- С. 50-51.

ВАНЯШОВ Александр Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры КХМУ, заместитель директора по учебной работе нефтехимического института Омского государственного технического университета.

КАБАКОВ Анатолий Никитович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой КХМУ Омского государственного технического университета. КОНОНОВ Сергей Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер технического отдела ОАО «Транссибнефть».

средства, реализация которых способствует приобретению системой нового качества.

Правильное строение адаптивных механических систем позволяет трансформировать передаваемый ими силовой поток без искажений, а дополнительное к ос-

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО АВТОВАРИАТОРА_

ПРЕДЛАГАЕТСЯ ВТОРОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ПОВЕДЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА С ВСТРОЕННЫМ АВТОВАРИАТОРОМ. ПРИБЛИЖЕНИЕ СОСТОИТ В РАЗДЕЛЕНИИ СЛОЖНОЙ МОДЕЛИ И ВЫДЕЛЕНИИ ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ, В КОТОРОЙ УЧИТЫВАЕТСЯ ПЕРЕХОДНОЙ ПРОЦЕСС ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ВНЕШНЕМ НАГРУЖЕНИИ ПРИВОДА. ВТОРОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ ПОЛНЕЕ УЧИТЫВАЕТ СВОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ И ПОЗВОЛЯЕТ ОПРЕДЕЛИТЬ ДИАПАЗОН РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИВОДА ПРИ ЕГО СИНТЕЗЕ.

новному движение звеньев, определяемое третьей обобщенной координатой системы, потенциально пригодно к автоматическому управлению компонентами мощности силового потока, что технологически удается реализовать, например, различными схемами механических вариаторных передач автоматического действия [7-10].

Дополнительное движение звеньев от встроенной цепи управления кинематическими характеристиками механического автовариатора реализуется, как правило, посредством неголономной связи между входным и выходным звеньями, технически выполненной в виде двухподвижного контакта активных поверхностей звеньев. Особенностям динамического поведения механического привода с автовариатором посвящены работы [11-15], однако проблема синтеза схемы и создания надежной конструкции автовариаторной трансмиссии остается актуальной, перспективной и далеко не решенной.

Поставим задачу моделирования и последующего определения параметров и свойств цепи управления передаточной функцией автовариатора, входящего в состав автоматической трансмиссии и обеспечивающего стабильный, энергетический совершенный режим работы двигателя машины общего вида в условиях переменного внешнего нагружения исполнительного органа машины.

Этот случай автоуправления компонентами трансформируемой мощности предусматривает сохранение на входном звене постоянства мощности энергетической установки (двигателя), а в компонентах мощности это означает

jV, = Mitpl = const,

что для традиционных двигателей фактически означает л/, = const и ф1 = const.

Последнее возможно, если встроенная цепь управления, получая сигнал на управление от переменного силового потока мг на исполнительном органе, обеспечит автоизменение скорости фг исполнительного органа по гиперболическому закону, т.е. без учета потерь на трение необходимо

N, <р, =—-Mi

что вполне технически достижимо [4].

Поскольку в кинематической цепи автовариатора предусматривается наличие неголономной связи, то приведение сил и масс по двум ветвям общей кинематической цепи следует производить раздельно по двум обобщенным координатам #>, и ч>г входного и выходного движений, а влияние отброшенной ветви на динамическое поведение каждого звена приведения учитывается неопределенным множителем Я в уравнениях Лагранжа 2 рода, которые в общепринятых обозначениях по обобщенным координатам <pt и <рг имеют вид:

Неголономная связь выражена дифференциальной зависимостью

дТ | дТ п , \d<pj dtp,

дТ

дТ д<р2

х тг -ТГ =

1,2.

ф, = ,

которое в общем случае при Ux, * const не интегрируется.

Цепь управления, построенная на механических элементах и встроенная в силовую конструкцию привода, получая сигнал на управление от основного силового потока, формирует передаточную функцию f/,., привода, которая и характеризуется третьей обобщенной координатой линейной «у», или угловой «р», определяющими положение звена приведения цепи управления, т.е.

uwIJuiy) или v\.i'uuW)-

Динамическая задача о поведении такой сложной механической системы, сводящаяся к определению <рх и <рг из (1) и (2), математически разрешима лишь в условиях, когда удается смоделировать передаточную функцию £/,., зависимой от времени, а также от р, или от Фг, что, по сути, означает вполне определенную зависимость Q1 от времени. Разумеется, что заранее известны инерционные, упругие, диссипативные параметры звеньев и элементов цепи управления.

Для ротативных систем в частности, уравнения (1) и (2) приводятся до рабочих дифференциальных уравнений второго порядка [4].

По обобщенной координате <р,\

+м?и2Л.

По обобщенной координате <рг \

(л + J К К + Аи,А.гФг = МГи]л + М

Уравнение (1) связывает энергетические преобразования в машине по обобщенной координате щ (угловое положения вала двигателя), а уравнение (2) по координате <р2 (угловое положение вала исполнительного органа), и дг- приведенные по ветвям непотенциальные внешние силы, - передаточная функция скорости между звеньями приведения. В случае, К0Гда звеньями приведения являются вал двигателя и выходной вал автовариатора, при неразвитой трансмиссии, возможно и & =мг.

Переменный силовой поток £5г(о, взаимодействуя с чувствительным элементом управляющей цепи, часто представляющим собой упругое звено, вызывает его дополнительное движение, параметры которого, как отмечено выше, могут быть приняты за третью обобщенную координату системы у = у(?) или <р = <р(1). Именно это движение преобразуется цепью управления в автоизменение кинематических размеров основных звеньев, приводящее к изменению кинематических характеристик основной цепи автовариатора.

Связь третьей обобщенной координаты с передаточной функцией привода целиком определяется геометро-кинематической схемой цепи управления, она может быть сложной, существенно нелинейной, но будет определенной от времени.

В последнее время авторами получены перспективные технические решения встроенных управляющих цепей, которые непосредственно составляют конструкцию основных звеньев с автоизменяемыми кинематическими размерами.

В первом приближении, руководствуясь принципом суперпозиции, можно синтезировать схему и исследовать статику цепи управления отдельно, а получив связь передаточной функции £/,, от б,(о, затем использовать ее в (1) и (2) для моделирования динамического поведения системы по координатам срх \л <рг.

Задача в такой постановке решена [11], в частности, для автовариатора конкретной геометро-кинематической схемы при различных вариантах внешнего нагружения 0,(1). Основное приближение подобного моделирования состоит в неучете реальных параметров и свойств цепи управления, ибо она принимается идеальной и отрабатывает управляющую координату только по уровню внешнего нагружения и параметру жесткости чувствительного элемента цепи.

Такое первое приближение допустимо в условиях медленно изменяемой £),(i), либо при жестком контуре цепи управления, в котором переходной процесс исключен.

При втором приближении можно учесть реальные свойства цепи управления моделированием цепи звеном приведения, положение которого, как отмечено выше, определено третьей координатой системы «у», а закономерность изменения «у» следует установить из решения дифференциального уравнения вида

mvy + ty + cy = Q1{i),

Несмотря на внешнее сходство (6) с обыкновенным дифференциальным уравнением второго порядка (для малых колебаний достаточно k=const и c=const), в (6) приведенная масса т,г- величина переменная, зависимая от схемы цепи управления, характера связей в ней, поэтому (6) - уравнение нелинейное и его решение удается получить только приемами численного интегрирования.

В случае, когда третья координата будет угловой, уравнение (6) преобразуется к известному виду, но, как и в (6), коэффициент J„p при старшей производной будет переменным, т.е. Jconst :

Jnp<P + k<p + c<p = Ql{t)

Координаты «у» и «<р», как правило, отсчитываются в подвижной, неинерциальной системе отсчета, поэтому уравнения (6) и (7) движения звеньев приведения по необходимости корректируются добавлением переносного и кориолисова инерционного нагру-жения звеньев цепи управления.

Переменные коэффициенты mv и 1„р генерируются цепью управления, которая, как было указано выше, получает силовое возбуждение от переменного внешнего нагружения g2(/), следовательно, табулированные числовые значения т„р или /„, можно также представить функциями времени, что несколько облегчает решение (6) или (7). Решения (6) и (7) являются исходными для установления зависимости U^U^iy) или i/^'t/yW, которые в свою очередь, как было отмечено, дополняют рабочие уравнения (4) и (5) динамической модели привода в целом.

Для многих вариантов технического исполнения встроенных цепей управления диссипативная компонента ку или кф отсутствует, вместо нее (6) и (7) могут содержать приведенную силу трения FIV или приведенный момент сил трения М^, приложенные к звену приведения цепи управления, т.е.

т„РУ + cy±Fnf=Q,{l) или J4ff + c<p±Mmp = Q,{f)

Второе приближение при моделировании автова-риаторного привода позволяет уже учесть вынужденные колебания, возникающие в цепи управления, и сопряженные с ними вторичные динамические явления в приводе, что существенно повышает достоверность модели, однако и это приближение пока опускает динамическую инерционную компоненту нагружения звеньев цепи управления от основных звеньев привода в переходном режиме, ограничиваясь учетом только внешнего силового нагружения

Однако второе приближение уже позволяет оценить влияние инерционных, упругих, диссипативных параметров звеньев и элементов цепи управления на динамику привода и, следовательно, обоснованно синтезировать цепь управления по критериям динамического качества привода.

Литература

1. Балакин П.Д. Механические передачи с адаптивными свойствами. Научное издание. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 1996. - 144 с.

2. Балакин П.Д. Наделение свойством адаптации как принцип конструирования механических систем. // Теория реальных передач зацеплением: Информационные материалы VI Международного симпозиума. - Ч. 2. - Курган: Иэд-во КГУ, 1997. С. 21-23.

3. Балакин П.Д. Принцип конструирования механических систем. // Бесступенчатые передачи, приводы машин и промысловое оборудование: Тез. докл. Первой Международной конференции. - Калининград: КГТУ, 1997. - С. 6.

4. Балакин П.Д. Механические автовариаторы. Учебное пособие. - Омск: ОмГТУ, 1998. 144 с.

5. Балакин П.Д., Биенко В В. Принцип конструирования и перспективные схемы современных автовариаторов. // Динамика систем, механизмов и машин: Материалы III Международной научно-технической конференции. - Омск: ОмГТУ, 1999. - С. 35.

6. Балакин П.Д. Синтез механических систем с адаптивными свойствами. // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс - 2000). Доклады 6-й Международной научно-технической конференции. -Томск: ТУСУР, 2000. С. 104-106.

7. Патент .2101584 (Россия), МКИ 6F 16Н 15/50. Автоматический фрикционный вариатор. / П.Д. Балакин, В.В. Биенко (Россия) // Открытия. Изобретения. 1998. № 1.

8. Патент 2127841 (Россия), МКИ 6F 16Н 9/00. Шкив. / П.Д. Балакин, В.В. Биенко (Россия) // Открытия. Изобретения. 1999. № 8.

9. Патент 2120070 (Россия), МКИ 6F 16Н 15/10. Автоматический фрикционный вариатор. / П.Д. Балакин, В.В. Биенко (Россия) // Открытия. Изобретения. 1998. № 28.

10. Патент 2122770 (Россия), МКИ 6F 16Н 9/18. Автоматический клиноременный вариатор. / П.Д. Балакин,

B.В. Биенко (Россия).//Открытия. Изобретения. 1998. № 33.

11. Балакин П.Д., Гололобов Г.И., Биенко В.В. Динамика и элементы синтеза электромеханического привода с автовариатором. // Омский научный вестник. -Омск: ОмГТУ, 1998. - Вып. 2. С. 58-63.

12. Балакин П.Д. Динамическая модель механического привода с автовариатором на базе уравнения Ап-пеля. // Анализ и синтез механических систем: Сборник научных трудов. / Под ред. В.В. Евстифеева. - Омск: ОмГТУ, 1998. - С. 29-33.

13. Балакин П.Д., Гололобов Г.И. Динамическое поведение механического привода с автовариатором. // Анализ и синтез механических систем: Сборник научных трудов. / Под ред. В.В. Евстифеева. - Омск: ОмГТУ, 1998. -

C. 33-37.

14. Балакин П.Д. Влияние цепи управления на поведение механического привода с автовариатором. // Омский научный вестник. - Омск: ОмГТУ, 1999. - Вып. 6. -С. 32-33.

15. Балакин П.Д. Принципиальные схемы и режимы работы автовариаторных трансмиссий. // Омский научный вестник. - Омск: ОмГТУ, 2001. - Вып. 15. С. 65-68.

БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теории механизмов и машин (ТММ).

ГОЛОЛОБОВ Геннадий Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры ТММ. МИХАЙЛИК Ольга Сергеевна, аспирантка кафедры ТММ.