Динамика процесса позиционирования приводов с гидроамортизатором

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 62.522

ДИНАМИКА ПРОЦЕССА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПРИВОДОВ С ГИДРОАМОРТИЗАТОРОМ

В.И. ГРИЩЕНКО, М.С. КИЛИНА, В.А. ЧЕРНАВСКИЙ

Рассмотрены виды жидкостных амортизаторов, способы торможения. На математической модели показано улучшение динамических показателей привода с использованием гидравлического демпфера с прорезями. Ключевые слова: гидравлический демпфер, динамика привода, математическая модель, жидкостные амортизаторы.

Введение. Современное производство предъявляет высокие требования к технологическому оборудованию. Для крупносерийного производства более востребованы сегодня станки с автоматизированными и роботизированными средствами контроля всего рабочего процесса для сведения к минимуму человеческого фактора. В то же время универсальность станка оправдывается в случаях единичного и мелкосерийного производства. В массовом производстве, как правило, эффективнее использовать агрегатные и специализированные станки.

Жидкостный амортизатор в приводе пневматического промышленного робота. Сочетание современных средств гидравлики, пневматики и автоматики позволяет настолько точно синхронизировать скорость и положения рабочих механизмов, что стала возможна реализация в одном станке высоких скоростей, минимального времени на технологическую операцию и точности изготовления деталей.

Но это, в свою очередь, приводит к повышенным требованиям к динамике привода и точности позиционирования исполнительных механизмов [1].

Применение различных амортизирующих устройств в качестве жестких упоров в станкостроении как мелкосерийном, так и крупносерийном, стало уже традиционным.

В качестве амортизирующих устройств в приводах станков применяются:

- жесткие упоры;

- пружины;

- резиновые демпферы;

- жидкостные амортизаторы.

Жидкостные амортизаторы получили наиболее широкое распространение в агрегатных и специализированных станочных комплексах, благодаря хорошим динамическим характеристикам, по отношению к остальным амортизирующим устройствам.

Жидкостные амортизаторы, в свою очередь, можно классифицировать по следующим параметрам:

- по наполнению', жидкостные (гидравлические) и газовые (с гидравлическо-газовым подпором). Существуют и только газовые амортизаторы, в которых используется высокое давление газа (60 атм), но они встречаются редко;

- конструктивна двухтрубные гидравлические, однотрубные газогидравлические с газом высокого давления и двухтрубные газогидравлические с газом низкого давления.

Примером применения жидкостного амортизатора в приводах может служить привод пневматического промышленного робота грузоподъемность 50 Н (рис. 1).

Робот имеет относительно широкие технологические возможности, которые определяют область его применения [2], являясь по своему основному назначению, средством для автоматизации листовой штамповки в условиях мелкосерийного и среднесерийного производства. Он с успехом применяется при автоматизации технологических операций в таких видах производства, как горячая объемная штамповка на кривошипных горячештамповочных прессах, литье под давлением, механообработка на операциях загрузки и разгрузки, а также для межстаночного транспортирования и межоперационного складирования в механических, заготовительных и других цехах.

Рис. 1. Робот пневматический промышленный, грузоподъемность 50 Н

Пневматический промышленный робот состоит из корпуса 1, станины 2, двух рук 4, установленных на станине, схватов 3, упоров 5, расположенных на каждом схвате, гидравлических демпферов 6, которые служат упорами для рук робота при совершении движений рабочего цикла робота, пневмоцилиндров 7, осуществляющих повороты рук.

Демпфер (рис. 2) состоит из упора 1 с резиновым наконечником для смягчения удара в момент столкновения подвижного элемента оборудования с демпфером. Крышка 2, установленная на упоре, служит для фиксации поршня 8 в крайнем левом положении в корпусе демпфера 7. Пружина 11, расположенная на поршне и зафиксированная гайкой 6, служит для возврата поршня в исходное положение при снятии нагрузки на упор. Аккумулятор 3 в полости демпфера необходим для аккумулирования энергии при ударном повышении давления в полости демпфера, а регулятор 4 - для регулировки давления настройки демпфера. Во время движения упора вправо (рабочий ход) частично перекрываются отверстия в дросселе 5, и рабочая жидкость из одной полости перетекает в другую полость внутри демпфера, что приводит к уравновешиванию давления внутри всего демпфера.

В качестве демпфирующих устройств в роботе применяются гидродемпферы с прорезями (рис. 2).

Рис. 2. Гидравлический демпфер с прорезями

Моделирование процессов динамической системы, включающей пневматическую и гидравлическую подсистемы, осложняется нестационарностью потоков сжатого газа и рабочей жидкости [3, 4]. Поэтому при формировании математической модели привода (рис. 3) были приняты допущения:

- характеристика источника сжатого воздуха принимается постоянной Рр-сог^, поскольку напорная магистраль пневмопривода соединена с ресивером достаточного объема через регулятор давления;

- термодинамический процесс изменения состояния газа в пневматической подсистеме принимается адиабатическим, так как протекает за короткий промежуток времени;

57 57

р1 П РрТр

1

( К

ИМ

р2 -Ґ2 Ра, Та

Рис. 3. Расчетная схема пневмогидравлической системы

- в описании пневматических устройств используется модель идеального газа, поскольку давление сжатого воздуха ниже 10 бар;

- рабочая жидкость сжимаемая, волновые процессы не учитываются, в каналах присутствует нерастворенный воздух; состояние среды описывается зависимостями, справедливыми для смесей с осредненными свойствами;

- сила вязкого трения в подвижных сопряжениях пропорциональна скорости перемещения;

- коэффициенты расходов ц управляющих устройств принимаются постоянными.

Силовую и управляющую подсистемы модели

описывают следующие уравнения:

1. Уравнение движения исполнительного механизма:

¿V

где S\¡Ul.S2¡Ul

эффективная площадь поршневой и штоковой полостей пневмоцилиндра, м2;

- эффективная площадь поршневой и штоковой полостей гидроамортизатора, м2;

А/ Р2 ~ давление воздуха в поршневой и штоковой полости пневмоцилиндра, ПА; Рз, р4 - давление жидкости в поршневой и штоковой полости гидроамортизатора, Па; V - скорость движения перемещаемых масс, м/с; X - коэффициент вязкого трения, кг/с; Яф - суммарная сила трения в подвижных соединениях, Н; Ру - реакция левого и правого упоров, Н; Рн - внешняя нагрузка на ИМ, Н; тпр - приведенная масса подвижных частей привода, кг.

Пневматическая подсистема привода описывается уравнением неразрывности потока:

Ст^ Ст2 ,

где 0^,0^ - массовые расходы сжатого газа на двух рассматриваемых участках, кг/с.

При этом массовый расход через пневмораспределитель определяется

2 к

С = н/р0л,

^(к-ЩТ,

Уравнения изменения давления воздуха в пневмосистеме:

С1рх _ >/ОДф(<Г1) Ърх

Л

Ф2

Л

к\і2/2Кр2 2к

£1Щ

ЗАг-1

кр2

-V

82т(Х0+Х02-Х)рУ

-V

4

где ф(ст,) = \/ст/ -ст, 4 при 0,528<а, <1; ср(а1) = 0,2588 при 0<а, <0,528; а, =

2 к к - 1

к- показатель адиабаты; Я - газовая постоянная, Дж/кг-К; ТН/ Та- температура воздуха в нагнетательной и выхлопной магистрали соответственно, К; ц2 - коэффициенты расхода; рН/ ра - давление воздуха в нагнетательной и выхлопной магистрали, Па; /г - площади проходного сечения пневмораспределителя, м2; Хо - ход поршня, м; Хоь Х02 - отношение начальных («пассивных») объемов ]/01/ 1/02 пневмопривода к полезной площади поршня, поршневой и штоковой полости пневмоцилиндра соответственно, м.

Гидравлическая подсистема в общем случае описывается уравнением расхода

<2і = Оі +10, +<2сж/

где (¿и Ог - расход, создаваемый перемещением поршня амортизатора, м3/с; - расход пере-

течек рабочей жидкости Ю = ги (р] - р2), м3/с; гу, гп - коэффициенты утечки и перетеч-

4 , - ^ ¿О. о,

ки, м с/кг; Ц.ж - расход, компенсирующий сжимаемость жидкости £>сж =—'—— , м /с;

В Л

см

Всм - модуль объемной упругости смеси жидкости и воздуха Всм =----------------ж „ , Па;

1 + а ^

Вж,Вв - модули объемной упругости жидкости и воздуха; ав - содержание воздуха в жид-

кости; ]¥і - объем участка гидросистемы, м3; - приращение давления на участке, Па/с.

Л

Определим расход жидкости Оз через проходное сечение амортизатора, зависящий от перемещения хр с перепадами давлений Ар:

бз =кРхР^1\Ар^щп(Ар).

2. Уравнения изменения давления рабочей жидкости в гидросистеме:

1Г=- ЗД-Л+щ - р4^”

¡2

где удельная проводимость окна проточной части амортизатора, к' = —.

Чр

В результате динамического расчета пневмопривода робота (рис. 1) с установленными на нем гидравлическими демпферами с прорезями (рис. 2) получаем характеристики, позволяющие оценить устойчивость и качество переходного процесса, к этим характеристикам относятся временные и частотные характеристики. Поскольку частотные характеристики позволяют косвенно оценить динамические свойства привода и используются, в основном, для оценки устойчивости, для оценки динамики воспользуемся временными характеристиками, которые представляют собой зависимости основных параметров пневмопривода от времени при типовом управляющем или возмущающем воздействии.

Результаты динамического расчета представлены в виде зависимостей давления воздуха, РЖ, скорости перемещения от времени (рис. 4). Скорость перемещения возрастает, становится постоянной, и на третьей секунде исполнительный механизм сталкивается с упором (гидродемпфером), скорость мгновенно без удара падает, за 0,2 сек уменьшается до 0 м/с (рис. 4). Это доказывает рациональность использования гидродемпферов.

Графики зависимости указывают на апериодический закон изменения параметров привода, что подтверждает качество переходных процессов.

15

1.С

в)

Г01, кг/мЗ

Д)

Р2, Па

Г02, кг/м3

Є)

Рис. 4. Результаты динамического расчета: а - зависимость скорости перемещения исполнительного механизма от времени; б- зависимость перемещения исполнительного механизма от времени; в - зависимость давления воздуха в поршневой полости пневмоцилиндра от времени; г- зависимость давления воздуха в штоковой полости пневмоцилиндра от времени; д- зависимость плотности воздуха в поршневой полости пневмоцилиндра от времени; е - зависимость плотности воздуха в штоковой полости пневмоцилиндра от времени

Заключение. Показана возможность повышения производительности работы привода с применением жидкостного амортизатора. В результате изменения безударного изменения скорости при торможении уменьшается время процесса позиционирования, что приводит к уменьшению времени рабочего цикла, и как следствие, повышению производительности.

Р1, Па

ц

10ХІО

9x10”

8х1и

7x10

Библиографический список

1. Килина М.С. Гидросистема с управлением по давлению агрегатного станка СТК-2253 / М.С. Килина, В.А. Чернавский // Металлургия, машиностроение, станкоинструмент 2006: сб. тр. междунар. науч.-техн. конф., 6-8 сент. 2006 г. - Ростов н/Д, 2006.

2. Грищенко В.И. Математическая модель силовой части пневмопривода с гидроамортизатором / В.И. Грищенко, М.С. Килина // Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства: тр. IX междунар. науч.-техн. конф. / Донск. гос. техн. ун-т. - Ростов н/Д, 2010.

3. Чернавский В.А. Математическая модель и динамический расчет клапанных амортизаторов / В.А. Чернавский // Прогрессивные технологические процессы в металлургии и машиностроении. Экология и жизнеобеспечение. Информационные технологии в промышленности и оборудование: сб. тр. науч.-техн. конф., 7-9 сент. 2005 г. - Ростов н/Д, 2005.

4. Чернавский В.А. Расчет клапанных гидравлических амортизаторов / В.А. Чернавский // Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке: тр. междунар. науч.-техн. конф., 4-6 июня 2003 г. - СПб., 2003.

Материал поступил в редакцию 07.06.2011.

References

1. Kilina M.S. Gidrosistema s upravleniem po davleniyu agregatnogo stanka STK-2253 / M.S. Ki-lina, V.A. Chernavskij // Metallurgiya, mashinostroenie, stankoinstrument 2006: sb. tr. mezhdunar. nauch.-texn. konf., 6-8 sent. 2006 g. - Rostov n/D, 2006. - In Russian.

2. Grishhenko V.I. Matematicheskaya model' silovoj chasti pnevmoprivoda s gidroamortizato-rom / V.I. Grishhenko, M.S. Kilina // Innovaciya, e'kologiya i resursosberegayushhie texnologii na pred-priyatiyax mashinostroeniya, aviastroeniya, transporta i sel'skogo xozyajstva: tr. IX mezhdunar. nauch.-texn. konf. / Donsk. gos. texn. un-t. - Rostov n/D, 2010. - In Russian.

3. Chernavskij V.A. Matematicheskaya model' i dinamicheskij raschyot klapanny'x amortizato-rov / V.A. Chernavskij // Progressivny'e texnologicheskie processy' v metallurgii i mashinostroenii. E'kologiya i zhizneobespechenie. Informacionny'e texnologii v promy'shlennosti i oborudovanie: sb. tr. nauch.-texn. konf., 7-9 sent. 2005 g. - Rostov n/D, 2005. - In Russian.

4. Chernavskij V.A. Raschyot klapanny'x gidravlicheskix amortizatorov / V.A. Chernavskij // So-vremennoe sostoyanie i perspektivy' razvitiya gidromashinostroeniya v XXI veke: tr. mezhdunar. nauch.-texn. konf., 4-6 iyunya 2003 g. - SPb., 2003. - In Russian.

POSITIONING DYNAMICS OF DRIVE GEARS WITH HYDROABSORBER

V. I. GRISHCHENKO, M. S. KILINA, V. A. CHERNAVSKIY

Kinds of liquid dashpots, braking modes are considered. The improvement of the drive dynamic indices by applying the slotted hydraulic damper is shown on the mathematical mode!

Keywords: hydraulic damper, drive dynamics, mathematical model, liquid dashpots.