Исследование быстродействующего исполнительного органа на базе импульсного сбрасывающего клапана для муфтового винтового пресса

Перевертов В.П. ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА НА БАЗЕ ИМПУЛЬСНОГО СБРАСЫВАЮЩЕГО КЛАПАНА ДЛЯ МУФТОВОГО ВИНТОВОГО ПРЕССА

Гидроприводная муфта с импульсным сбрасывающим клапаном (ИСК) для муфтового винтового пресса (МВП) является сложной динамической системой, функционирующей в циклическом режиме. Такие динамические параметры муфты как длительность отключения, скорость поршня муфты в конце его хода при включении, степень энергетических потерь маховика при включении и отключении муфты в большой степени определяют его технологические и эксплуатационные характеристики. Поэтому целью экспериментальных исследований гидроприводной муфты МВП было выбрано определение перечисленных выше динамических параметров.

Ввиду того, что процесс создания отечественных МВП находится в стадии проектных работ, основным методом определения динамических параметров муфты целесообразно выбрать математическое моделирование посредством численного интегрирования системы уравнений [1]. Для анализа линеаризованной модели применялось схемотехническое моделирование и расчет средствами программного комплекса ПА-6, разработанного в МВТУ им. Н.Э. Баумана [2]. Для исследования динамики импульсного сбрасывающего клапана, являющегося быстродействующим исполнительным органом системы управления МВП, применялись как математическое моделирование, так и натурные испытание для которых были изготовлены специальные образцы клапана. В натурных испытаниях также определялась адекватность разработанной математической модели ИСК.

Для определения методов моделирования был проведен предварительный анализ динамики срабатывания муфты с ИСК.

При анализе динамики срабатывания гидроприводной муфты МВП Ф2044 установлено, что элементы разработанной динамической модели образуют две группы с общими порядками частот собственных колебаний и одинаковым гидравлическим режимом, в связи с чем, моделирование динамики срабатывания муфты целесообразно проводить раздельно по каждой группе. При этом для моделирования динамики элементов первой группы, характеризующихся существенной нелинейностью, целесообразно использовать численное решение уравнения математической модели по специально разработанной программе на языке высокого уровня, для второй группы элементов, характеризующейся преимущественно линейными свойствами, целесообразно использовать программный комплекс ПА-6 схемотехнического моделирования [2].

Разработана программа и проведено моделирование на ЭВМ динамики срабатывания гидроприводной муфты с ИСК по нелинейной математической модели. Результаты расчета представлены на рис. 1-4.

Разработана программа на входном языке ПА-6 и проведено моделирование на микро-ЭВМ динамики срабатывания сливного распределителя на базе ИСК линеаризованной модели. Результаты расчета представлены на рис. 5.

Проведены натурные экспериментальные исследования импульсного сбрасывающего клапана (рис.6) подтвердившие его расчетное быстродействие и адекватность разработанной математической модели.

а) Давления: Рх - в аккумуляторе; Р2 - в напорной гидролинии; Р4 - в каналах муфт; Р5 - в цилиндре

муфты

б) Расходы: Ох - в аккумуляторе; 02 - в напорной гидролинии; 04 - в каналах муфт; 05 - в цилиндре муфты

Рис. 1. Динамика гидравлической подсистемы при включении гидроприводной муфты с ИСК: а - давления; б

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 1, с

а) Х5 - перемещения поршня муфты; У5 - скорость поршня муфты

0 8,62 8,64 8,66 8,68 8,70 8,72 8,74 8,76 1, с х102

б) Шх- угловая скорость винта; ©2 - угловая скорость маховика

Рис. 2. Динамика механической подсистемы при включении гидроприводной муфты

с ИСК: а - перемещение и скорость поршня муфты;

б - угловые скорости винта и маховика

Рб Р4 Р5 Р7

а) Давления: Р4 - в каналах муфты; Р5 - в цилиндре муфты; Рб - перед импульсным каналом; Р7 - в сливной гидролинии

б) Расходы: О4 - в каналах муфты; Об - через сливной клапан; 07 - в сливной гидролинии; 09 - через импульсный клапан

Рис. 3. Динамика гидравлической подсистемы при включении гидроприводной муфты с ИСК: а - давления; б - расходы

0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 1, с

а) Хб - перемещение затвора сливного клапана; Уб - скорость затвора сливного клапана

б) Шх- угловая скорость винта; ©2 - угловая скорость маховика

Рис. 4. Динамика механической подсистемы при отключении гидроприводной муфты с ИСК: а - перемещение и скорость затвора сливного клапана; б - угловые скорости винта и маховика

а)

б)

в)

Рис. 5. Динамика срабатывания сливного распределителя на базе ИСК: а - перемещение затворов: Хб -

сливного клапана; Х9 - импульсного клапана (ИСК); б - изменение давлений:

Ра- давление в общей поршневой полости ИСК; Р9 - давление на выходе ИСК; в - изменение расходов: О9 -

расход через ИСК; О10 - расход в канале, связывающем ИСК со сливной гидролинией

Рис. 6. Конструктивная схема экспериментального образца

импульсного срабатывающего клапана (ИСК):

1 - пьезопривод; 2- поршень привода; 3 - общая поршневая полость; 4 - поршень затвора;

5 - затвор; 6 - внутренний канал; 7 - входной канал; 8 - сливной канал; 9 - пружина затвора

Результаты математического моделирования на ЭВМ, представленные на рис. 1- 4 и 5, позволяют провести анализ динамики срабатывания гидроприводной муфты МВП с ИСК.

Время включения муфты tвк, соответствующее времени перемещения поршня муфты из исходного положения в крайнее нижнее (Х5 = 0,003 м), составляет 0,086 с. Скорость поршня муфты V к концу его хода стабилизируется около значения V = 0,05 м/с (рис. 2,а).

При включении муфты давление жидкости на выходе из аккумулятора остается постоянным: это, видимо,

обусловлено с одной стороны принятыми допущениями при моделировании (давление газа в аккумуляторе считалось постоянным и равным номинальному Рн =6,5 МПа), с другой стороны малой гидравлической инерционностью 1/Б аккумулятора по сравнению с инерционностью напорной гидролинии (11 /Б1 : 1г /Бг = 6-10-5). Наиболее интенсивно изменяется давление Рг в напорной гидромагистрали: после полного открытия проходного

сечения напорного распределителя (^р = 0,02 с) давление Рг падает с 6,5 МПа до 2,5 МПа, а затем возрастает до 6 МПа к окончанию включения муфты. Давления в каналах Р4 и цилиндре муфты Р5 возрастают от исходного 0,1 МПа до соответственно 0,6 МПа и 0,4 МПа при 0 ^р и незначительно колеблются около дан-

ных значении при ^р ^< tвк. (рис. 1, а). Данные величины давлений обусловлены сопротивлением пружин поршня муфты при его перемещении. В конце хода поршня муфты давления Рг, Рн, Р5 резко возрастают и стабилизируются около номинальной величины Рн в ходе затухающего колебательного процесса (на рис. 1, а не представлен).

Расходы в элементах гидросистемы практически одинаковы, плавно возрастают к концу хода поршня до установившегося значения 0 = 20 л/с (рис. 1).

После включения муфты происходит интенсивный разгон винта с ползуном, в течение 0,0016 с (рис. 2). Следует отметить, что при моделировании не учитывалось сопротивление изгибу ступицы винта Рсс (РоеШаХ 5000Н). В реальных условиях момент Рсс Гфр обуславливает почти полный разгон винта в ходе движения поршня муфты. Таким образом, время разгона винта до угловой скорости Юг маховика не превзойдет t = 0,088 с.

Энергетические потери маховика на проскальзывание в муфте при включении не превзошли 1,3%.

При отключении муфты с помощью ИСК (t =0 соответствует моменту срабатывания пьезопривода) давление в цилиндре муфты Р5 интенсивно падает от номинального Р5 =Рн = 6,5 МПА до Р5 = 0,4 МПа (см.рис. 3, а) и стабилизируется около этой величины в ходе затухающего колебательного процесса (на рис. 3, а не приведен) при отведении поршня муфты в исходное положение.

В ходе колебательного процесса давление Р5 принимает и отрицательные значения. Очевидно, подобный характер колебательного процесса обусловлен использованием динамической модели с сосредоточенными параметрами. Колебания давления в каналах муфты Р4 и сливной гидролинии Р7 вследствие их большей гидравлической инерционности и большего гидравлического сопротивления имеют более плавный характер (рис. 3, а). Время сброса давления Р5 в цилиндре муфты определяет длительность отключения муфты. Из результатов моделирования следует, что длительность отключения муфты, соответствующая сбросу давления в ее цилиндре, составляет = 0,003 с.

Динамика расходов в каналах муфты 04 в сливной гидролинии 07, через сливной клапан Об , через ИСК О9 (рис. 3,6) соответствует динамике давлений.

Результаты моделирования, представленные на рис. 4, а , показывают, что после срабатывания пьезопривода импульсного сбрасывающего клапана перемещение Хб затвора основного сливного клапана на 3 мм, соответствующее его проходному сечению в 7 -10-4 м2, происходит за время t =0,003 с (рис. 4,а).

Проскальзывание в муфте после срабатывания пьезопривода ИСК, начинается при t = 0,002 с (рис. 4,6). Винт останавливается при t=0,005 с (Рд=2,4-107Н). Энергетические потери маховика на проскальзывание в

муфте при сбросе давления составляют 0,1%. Отведение поршня муфты в исходное положение составляет около 0,1 с (на рис. не показано).

Результаты моделирования динамики срабатывания выходного распределителя по линеаризованной модели средствами программного комплекса ПА-6 представлены на рис.5, а-в. Время перемещения Х9 затвора импульсного сбрасывающего клапана на 0,003 м, при котором полностью открывается входной канал клапана составляет t = 0,0015 с (рис. 5,а). Процесс срабатывания ИСК характеризуется интенсивными практически синхронными колебаниями давления в полости клапана Рэ и на выходе клапана Р9 (рис. 5,6). Колебание расходов через клапан 09 и в канале, связывающем выход клапана со сливной гидролинией Ою незначительны (рис. 5, в).

Сопоставление результатов расчета динамики выходного распределителя по нелинейной (рис.4,а) и линеаризованной (рис. 5, а) моделям обнаруживает расхождение по скорости затвора основного сливного клапана в 15-20%, что, видимо, объясняется влиянием нелинейных эффектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Перевертов В.П. Математическая модель гидроприводной муфты МВП с импульсным срабатывающим клапаном // Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2005». - Пенза: ПГУ, 2005. - С.146-148.

2. Трудоношин В.Н., Пивоваров Н.В. Математические модели технических объектов // Системы автоматизированного проектирования. - М.: Высшая школа, 1986. - кн.4. - 160 с.

3. Маркушин М.Е., Перевертов В.П., Волков Ю.А. Мещеринов И.И. Динамическое моделирование быстродействующего исполнительного органа муфтового винтового пресса на базе персонального компьютера // Жизнь и

компьютер. - Харьков: НПО Турбоатом, 1990. - С.82-86.