Автоматизация прцесса очистки фильтров станочных гидроприводов на базе электрогидравлического импульсного устройства

УДК 621.7.044.4

И.В. Стельмах

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ФИЛЬТРОВ СТАНОЧНЫХ ГИДРОПРИВОДОВ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО

ИМПУЛЬСНОГО УСТРОЙСТВА

Приведены результаты расчета статической и динамической характеристик электрогидравлического импульсного устройства, даны результаты экспериментальных исследований опытного образца, представлена система автоматической очистки фильтров.

I.V. Stelmah

MACHINES HYDRAULIC ACTUATOR FILTER CLEANING PROCESS AUTOMATION ON THE BASE OF ELECTROHYDRAULIC PULSED FACILITY

This article presents the results of static and dynamic calculation characteristics of electro hydraulic pulsed facility and the results of experimental researches of pre-production model. The system automatic filter cleaning is presented here as well.

Автоматизация производственных процессов является необходимым условием повышения производительности труда и улучшения качественных показателей машиностроительного производства. Одним из ведущих направлений развития техники гидропривода является решение проблемы повышения надежности. Рабочая жидкость, обеспечивая связь между отдельными элементами гидравлических систем, может быть выделена в качестве отдельного элемента гидросистемы. Поэтому ее характеристики рассматриваются наряду с важнейшими характеристиками различных элементов гидросистемы. Загрязнение жидкости различными примесями снижает надежность и срок службы различных гидроагрегатов.

Наличие безупречно работающих фильтрующих устройств - необходимое условие надежной работы элементов гидроприводов и гидроавтоматики.

В целях экономии целесообразно восстанавливать характеристику некоторых фильтров после их загрязнения. Для очистки фильтров со щелевыми фильтроэлементами используют щетку, закрепленную в корпусе и приводимую в действие наружной рукояткой. Металлические сетки и мембраны промываются при помощи мягкой щетки. Для регенерации глубинных фильтров применяют продувку фильтроэлементов сжатым воздухом, промывку специальной моющей жидкостью.

Для повышения эффективности очистки применяют механическую вибрацию фильтра вместе с потоком жидкости, обжиг фильтроэлемента, промывку в ультразвуковой ванне. Проведенный анализ способов очистки металлических фильтров показал, что наиболее эффективными являются импульсные способы: ультразвуковой (95-98%) и электрогидравлический (до 100%). Электрогидравлический способ очистки обеспечивает качественную очистку, исключает наличие промывочного стенда, уменьшает расход электроэнергии (расход электроэнергии для очистки 1 м2 фильтрующей поверхности 0,25 кВт/ч), позволяет автоматизировать процесс очистки [1].

Сущность электрогидравлического способа: использование гидродинамических нагрузок, воздействующих на загрязненную сетку при создании мощного электрического разряда в корпусе фильтра над ее поверхностью. Очистка сетки происходит под действием динамических нагрузок, возникающих при пульсации парогазового пузыря, взвесь, накопленная на сетке в процессе фильтрации, отделяется от нее.

Цель работы - автоматизация процесса очистки металлических фильтров гидроприводов на базе электрогидравлического импульсного устройства с целью улучшения качества очистки, сокращения энергетических затрат на процесс очистки.

На основании проведенного обзора векторно-энергетических диаграмм направленности ударных волн при электрическом разряде разработана конструкция ЭГД ИУ, которая представляет собой набор взаимосвязанных функциональноконструктивных узлов: конического концентратора давления, сферического

отражателя и сопла [2].

1. Математическая модель

В целях упрощения газодинамическую задачу удобнее решать в два этапа: сначала определить характеристики канала, а затем генерируемого им течения. Расчет статической и динамической характеристик ЭГД ИУ включает последовательный расчет гидродинамических характеристик канала разряда, давления жидкости на срезе выходного отверстия рабочей камеры и расчет скорости нестационарного струйного истечения жидкости из насадки.

Результаты вычисления давления на срезе отверстия и скорость истечения жидкости из насадки ЭГД ИУ(10, 12, 14 кВ) представлены на рис. 1 и 2.

Ї, с Ї, с

Рис. 1. Давление на срезе выходного Рис. 2. Скорость истечения жидкости отверстия ЭГД ИУ

2. Результаты экспериментальных исследований

Для определения статических и динамических характеристик ЭГД ИУ был разработан и изготовлен экспериментальный стенд, который состоит из высоковольтного источника питания, конденсаторной батареи, воздушного разрядника и ЭГД ИУ.

Исследование характеристик ЭГД ИУ проводилось на четырех конструкциях, отличающихся объемом и материалом рабочих камер [3].

Технические параметры конструкций ЭГД ИУ

№ Материал Объем, Габаритные Масса, Тип электродной

вар. камеры мл размеры, мм кг системы

1 Сталь 45 600 Ш360 Ч 275 3,1 игла - плоскость

2 Капролактам 96 Ш140 Ч193 3,4 игла - плоскость

3 Капролактам 70 Ш120 Ч193 3,5 коаксиальная

4 Сталь 45 96 Ш140 Ч193 4,9 игла - плоскость

В ходе эксперимента, для определения влияния энергии разряда на скорость истечения жидкости, менялись напряжение (10-14 кВ) и межэлектродное расстояние (2,53 мм). Видеокамерой «РапаБотс БР 200» снимался процесс истечения жидкости из насадки. Средняя скорость струи определялась по формуле:

L

V =

п At

м/с

где At = 0,04 - длительность одного кадра, с; Ь - заданная высота, м; п - количество кадров.

Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 3.

На основании экспериментальных исследований установлено, что скорость струи жидкости возрастает при уменьшении объема камер и увеличении жесткости материала камер. Использование коаксиальной электродной системы к значительному увеличению результата не привело. Дальнейшие иследования проводились с конструкцией № 4.

0,6 -

0,5 -

а 0,4

0,3 -

0,2

0,1 -

0

/

/ А \

/} А У

6 £ У /

4 с У'

Г ———4

1

2

3

4

10

12

14

16

и, кВ

Рис. 3. Экспериментальные исследования конструкций ЭГД ИУ

Рис. 4. Статические расчетная и экспериментальная характеристики

Корреляционный анализ статической характеристики конструкции № 4 показал, что связь между напряжением и скоростью истечения жидкости является линейной и коэффициент пропорциональности равен 22,57. Коэффициент крутизны расчетной статической характеристики: КР=2,1-10- м/(с-В). Коэффициент крутизны статической экспериментальной характеристики: КЭ=2,5-10-3 м/(с-В).

Расхождение между экспериментальной и расчетной характеристиками превышает 10% (рис. 4).

Экспериментальные исследования по очистке металлической сетки импульсной струей проводились с целью определения влияния различных факторов на качество очистки. Качество очистки оценивали фотоэлектрическим методом. Согласно полученным результатам, для полной очистки металлической сетки на указанных режимах работы электрогидравлической установки необходимо обеспечить 3-5 разрядов на 1 см2 поверхности, увеличение расстояния от сопла ЭГД ИУ до сетки более чем на 20 см ухудшает степень очистки [4].

3. Вариант использования ЭГД ИУ

Так как воздействие импульсной струей, при электрогидравлической очистке, происходит на определенный локальный участок, то для полной очистки фильтра возникает необходимость перемещения либо ЭГД ИУ относительно фильтра, либо фильтра относительно ЭГД ИУ. В первом случае возникает техническая сложность перемещения из-за того, что ЭГД ИУ имеет сложные настройки и электродную систему с высоковольтным питанием, а также массогабаритные размеры, намного большие по сравнению с фильтром, что влечет за собой большие энергетические затраты на перемещение. Во втором случае, напротив, фильтр является простым техническим устройством и не требует дополнительных, повышенных мер безопасности при перемещении. Исходя из вышеперечисленных доводов, предпочтение отдается перемещению фильтра относительно ЭГД ИУ.

Разработана позиционная система автоматического управления электрогидравлической очисткой фильтра [5]. Перемещение фильтрующего элемента происходит от точки к точке, положения которых задаются программой. Скорость перемещения между точками не контролируется и не регулируется, число точек может быть большим.

Для сетчатых фильтров цилиндрической формы необходимо осуществить перемещение фильтрующего элемента по его длине и затем произвести поворот вокруг его оси на заданный угол, после чего процесс повторяется, пока не будет очищена вся поверхность фильтра.

Микропроцессорное устройство координирует действие всей системы. Угловое и линейное перемещения фильтрующего элемента осуществляются при помощи шаговых двигателей, управляемых последовательностью импульсов. Качество очистки фильтра определяется фотоэлектрическим методом, с помощью полупроводниковой оптической пары.

Рч

О

и

и

э

о

ЕЙ

2

_П-Г

•Т'

”0”

_П-Г

И,,

И12

У, ШД,

и,

и,

ПРД

пфд,

У, И22 ШД,

ТП И32 ГИТ

И,4

К ДН

ПФД,

и,

ЭГД

ИУ

Р

ЦАП И41 ОИ

БОК I

АЦП ОП

!Ф,

Ф,

Р

н

Ф

ь

ю

Рис. 5. Функциональная схема САУ электрогидравлической очистки фильтра:

ЭГД ИУ - электрогидравлическое импульсное устройство; ГИТ - генератор импульсного тока; ДН - делитель напряжения с гальванической развязкой; К - компаратор;

ТП - тиристорный преобразователь; АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; БОК - блок оптического контроля чистоты фильтра; ОИ - оптический излучатель; ОП - оптический приёмник; ПРД - преобразователь рода движения; ПФД- оптический датчик; У - усилитель; ШД - шаговый двигатель

Алгоритм управления состоит из последовательности стандартных подпрограмм, характерных для конкретного технологического процесса.

Электрогидравлическая обработка струей позволяет достигать на обрабатываемой поверхности высоких давлений при относительно высоком КПД процесса. Струйная электрогидравлическая обработка носит локальный характер и поэтому ее использование более рационально для мелких изделий или отдельных небольших его элементов. Одним из направлений наиболее эффективного использования такого способа обработки является очистка отверстий с малыми диаметрами, каналов малого сечения, каналов с изогнутой осью, трудно доступных участков каналов.

Выводы

1. Предложен и исследован способ очистки импульсной водной струи, полученной при осуществлении электрического разряда в закрытой камере с одним выходом, который позволяет уменьшить затраты электроэнергии для проведения процесса очистки фильтров, исключает наличие промывочного стенда и позволяет автоматизировать процесс очистки.

2. Предложена математическая модель ЭГД ИУ, устанавливающая связь между электрическими параметрами зарядного контура, конструктивными параметров камеры и скоростью истечения жидкости.

3. Экспериментальные статическая и динамическая характеристики показали возможность применения ЭГД ИУ в САУ очистки фильтров гидроприводов.

4. Экспериментальные исследования по очистке металлической микросетки позволили определить степень влияния различных факторов на качество очистки. Для полной очистки металлической сетки необходимо обеспечить 3-5 разрядов на 1 см2 поверхности, расстояние от сопла ЭГД ИУ до сетки не должно превышать 20 см.

5. Синтезированная система автоматической очистки металлических сеток на базе ЭГД ИУ обладает заданным запасом устойчивости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стельмах И.В. Методы очистки фильтров гидроприводов / И.В. Стельмах, А.В. Власов // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах: докл. 4-й Рос. науч. конф. М.: Буркин, 2002. С. 89-99.

2. Стельмах И.В. Обзор векторно-энергетических диаграмм направленности взрывных волн при электрическом разряде в воде / И.В. Стельмах, А.В. Власов // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах: докл. 5-й Рос. науч. конф. Саратов: СООО АН ВЭ, 2002. С. 111-116.

3. Стельмах И.В. Синтез и проектирование электрогидравлической пушки взрывного действия для очистки фильтров гидроприводов / И.В. Стельмах, А.В. Власов // Системный анализ в проектировании и управлении: тр. VIII Междунар. науч.-практ. конф. СПб.: Нестор, 2004. С. 230-233.

4. Стельмах И.В. Результаты экспериментальных исследований очистки фильтров гидроприводов направленной импульсной струей / И. В. Стельмах // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2005. С. 172-176.

5. Стельмах И. В. Электрогидравлическое импульсное устройство для электрогидравлических систем управления / И.В. Стельмах, А.В. Власов // Научнотехнические ведомости СПбГТУ. 2007. № 3 (51). С. 151-154.

Стельмах Ирина Валентиновна -

ассистент кафедры «Управление и информатика в технических системах»

Балаковского института техники, технологии и управления

Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 14.05.07, принята к опубликованию 03.07.07