Содержание к диссертации
Введение
1 . Научно-технические задачи в области автоматизации процессов управления расходом технических жидкостей в машиностроении 11
1.1. Перспективы автоматизации процессов управления расходом технических жидкостей в технологическом оборудовании на основе исполнительных регулирующих ЭГД устройств 11
1.2. Технические жидкости, их виды и особенности применения в технологическом оборудовании 13
1.2.1. Смазочно-охлаждающие жидкости и их применение при металлообработке 13
1.2.2. Масляные СОЖ, их виды и свойства 15
1.2.3. Системы применения, оборудование и способы подачи СОЖ в зону металлообработки 15
1.2.4. Активация СОТС и возможности ее осуществления ЭГД методами 18
1.3. Технические жидкости для гидросистем гидрофицированного технологического оборудования 19
1.3.1. Виды гидравлических жидкостей.. 19
1.3.2. Общая характеристика гидравлических систем 19
1.3.3. Особенности электрогидравлических систем управления технологическим оборудованием 20
1.4. Принципы построения систем автоматического регулирования расхода технических жидкостей 25
1.4.1. Требования к системам автоматического управления расходом технических жидкостей в ГТО 25
1.4.2. Сравнительный анализ и классификация систем автоматического регулирования расхода технических жидкостей 26
1.4.3. Вариационно-параметрический принцип классификации способов управления движением среды-энергоносителя и устройств для их реализации .32
1.5. Постановка задачи исследования 33
2. Физический анализ способов организации управления движением текучих сред в ГТО и оценка их энергетической эффективности по критерию минимальной избыточности 35
2.1. Основные уравнения динамики рабочих сред в ЭГДУПМ в гидрофицированном технологическом оборудовании 35
2.2. Энергетические процессы при движении жидких сред в ГТО 38
2.3. Анализ способов организации управляющих воздействий на поток жидкой среды и их энергетическая оценка 42
2.4. Физические основы электростатического управления потоками диэлектрических рабочих сред 49
2.5. Принцип ШСюри как эвристический метод анализа технических динамических систем 55
2.6. Выводы 56
3. Теоретическое исследование и математическое моделирование процессов в ЭГД-регуляторах расхода с ортогональным квазигироскопическим управлением 58
3.1. Анализ гидродинамических процессов в плоском ЭГД- канале с неоднородным поперечным распределением электрических управляющих воздействий 58
3.1.1. Формулировка задачи и основные исходные соотношения для модели течения Пуазейля в поперечном электрическом поле 58
3.1.2. Вывод уравнений для пондеромоторных составляющих поля скоростей течения среды в ЭГД-канале 61
3.1.3. Расчет поля скоростей в ЭГД - канале при наличии поперечного электрического поля ... 62
3.1.4. Анализ интегральных характеристик течения в ЭГД-канале дроссельного регулятора расхода 67
3.2. Математическое моделирование рабочих процессов в струйном ЭГД-усилителе — преобразователе мощности 70
3.2.1. Выбор и обоснование способа управления и схемотехнического варианта его реализации в струйном ЭГДУПМ с квазигироскопическим управлением 70
3.2.2. Разработка и анализ математической модели струйного ЭГДУПМ-регулятора расхода ТЖ 15
3.2.3. Вывод и анализ уравнения статической характеристики струйного ЭГДУПМ 82
3.2.4. Анализ динамических процессов в струйном ЭГДУПМ. .89
3.3. Расчет структуры и характеристик электростатического поля системы управляющих электродов струйного ЭГДУПМ 96
3.3.1. Система электродов «лезвие—выпуклая пластина» 97
3.3.2. Результаты расчета характеристик поля в СЭГДРР 101
3.4. Анализ взаимодействия коронного разряда с потоком рабочей среды в МЭП струйного ЭГДУПМ 106
3.5. Методы оптимизации энергоинформационного обеспечения ЭГДУПМ... 109
3.5.1. Анализ возможностей повышения КПД устройств с емкостными накопительными элементами 109
3.5.2. Анализ условий оптимального согласования источников энергии с нагрузкой 114
3.6. Выводы ...118
4. Экспериментальные исследования струйного ЭГД—регулятора расхода 120
4.1 Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов 120
4.2. Описание конструкции струйного ЭГД регулятора расхода 122
4.3. Оптимизация параметров конструкции СЭГДРР 125
4.3.1. Выбор метода оптимизации параметров конструкции 125
4.3.2. Планирование и обработка результатов многофакторного эксперимента для СЭГДРР 128
4.3.3 Оптимизация конструкции и идентификация СЭГДРР 138
4.4. Выводы 145
5. Практическое применения ЭГДРР при автоматизации технологического оборудования 146
5.1. Синтез системы автоматического дозирования СОЖ
при металлообработке на основе струйного ЭГД регулятора расхода 148
5.1.1 Принцип построения и общая характеристика САД СОЖ 149
5.1.2. Идентификация характеристик элементов САД СОЖ 152
5.1.3. Расчет системы автоматического дозирования СОЖ 157
5.2 Автоматизация процесса теплообмена при производстве формамида марки «А» 178
5.2.1. Анализ задачи и обоснование выбора ее технического решения 179
5.2.2. Функциональная схема и характеристики элементов САР ВОТ 184
5.2.3. Математическое моделирование процессов в теплообменных аппаратах как объектах с распределенными параметрами 187
5.2.4 Синтез САР ВОТ и исследование ее характеристик 192
5.2.5 Определение устойчивости по критерию Михайлова 197
5.3. Некоторые дополнительные возможности применения ЭГД процессов при металлообработке и автоматизации технологического оборудования 202
5.4. Выводы 202
Заключение 204
Список литературы 206
Приложения 227
- Особенности электрогидравлических систем управления технологическим оборудованием
- Анализ способов организации управляющих воздействий на поток жидкой среды и их энергетическая оценка
- Расчет поля скоростей в ЭГД - канале при наличии поперечного электрического поля
- Планирование и обработка результатов многофакторного эксперимента для СЭГДРР
Введение к работе
Для современного машиностроения характерно широкое использование различных технических жидкостей (ТЖ), применяемых как в качестве технологических сред (ТТЖ), например в виде смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) при металлообработке [15, 109, 154, 179], так и в качестве рабочих жидкостей (сред-энергоносителей) (РТЖ) в системах гидроприводов станков, например станков с ЧПУ типа CNC, и другого гидрофицированного технологического оборудования [10, 19-21, 39, 40, 152]. В связи с этим возникает необходимость в разработке и совершенствовании элементов и систем управления расходом ТЖ в гидрофицированном технологическом оборудовании.
Анализ современного состояния вопроса показывает, что для существующего уровня развития систем автоматического дозирования (САД) и электрогидравлических систем (ЭГС) управления оборудованием характерно использование механических регулирующе-распределительных исполнительных устройств (задвижки, клапаны, заслонки, золотники) [28, 29, 35, 39, 126], снабженных электромеханическими преобразователями рода энергии сигналов. Наличие значительных масс, люфтов, эффектов сухого трения и облитерации, многоступенчатое преобразование рода энергии сигналов - все это негативно отражается на статических и динамических характеристиках этих устройств и, соответственно, на структуре и характеристиках САУ гидрофицированным технологическим оборудованием в целом. Поэтому перспективным направлением совершенствования САУ расходом ТЖ в гидрофицированном технологическом оборудовании является разработка таких систем на основе устройств регулирования расхода ТЖ, свободных от промежуточной электромеханической фазы преобразования управляющих сигналов. В качестве таковых могут быть использованы устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии электрических и гидродинамических полей (ЭГД-взаимодействие). Теоретические и экспериментальные исследования Г.А. Остроумова, Ю.К. Стишкова, В.А. Полянского, А.Б. Ватажина, А.И. Жакина, М.С. Апфельбаума [24,55,139,162,191], послужи 7 ли основой для разработки и практического применения ЭГД устройств, чему посвящены работы А.А. Денисова, B.C. Нагорного, В.И. Безрукова, Г.И. Бумаги-на и других [14, 43, 128]. Однако широкое внедрение существующих ЭГД устройств в САУ гидрофицированным технологическим оборудованием сдерживается из-за низкой выходной мощности и ограниченного диапазона регулирования расхода в связи с малой величиной параметра ЭГД взаимодействия. В силу этого ЭГД устройства находят в настоящее время применение, преимущественно, в области электрокаплеструйных технологий (ЭКСТ), а также в виде обратных гидроэлектрических преобразователей расхода (ГЭПР) [14,127-130].
Поэтому разработка систем автоматического управления расходом ТЖ в гидрофицированном технологическом оборудовании на основе ЭГД устройств с улучшенными энерго-силовыми характеристиками является актуальной научно-технической и практической задачей.
Целью работы является автоматизация процессов дозирования и управления расходом жидких технологических и рабочих сред на основе разработки и использования электрогидродинамических усилителей-преобразователей мощности с минимальной энергетической избыточностью управления и улучшенными энергосиловыми характеристиками в качестве регулирующих устройств гидросистем технологического (например, металлообрабатывающего) оборудования.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Обоснован метод построения автоматизированных систем управления расходом ТЖ в гидрофицированном технологическом оборудовании на основе электрогидродинамических усилителей-преобразователей мощности с минимальной энергетической избыточностью управления в качестве регулирующих устройств с улучшенными энергосиловыми характеристиками для гидрофициро-ванного технологического оборудования, включая металлообрабатывающие станки.
2. Предложены способы повышения энергетической эффективности электрогидродинамических усилителей-преобразователей мощности, обеспечиваю 8 щие их использование в качестве регулирующих элементов САУ расходом ТЖ в гидрофицированном технологическом оборудовании.
3. Разработан комплекс математических моделей, отражающих особенности рабочих процессов в электрогидродинамических усилителях-преобразователях мощности с ортогональным (квазигироскопическим) типом управления; предложено использование принципа физической симметрии П. Кюри как эвристического метода проектирования регулирующих устройств гидросистем; получены теоретические расходные характеристики для дроссельных и струйных электрогидродинамических усилителей-преобразователей мощности с минимальной энергетической избыточностью управления; обоснован критерий оптимального согласования элементов САУ, обеспечивающий увеличение их КПД.
4. Произведено математическое моделирование и выполнен синтез САУ расходом ТЖ в гидрофицированном технологическом оборудовании на основе электрогидродинамических усилителей-преобразователей мощности с минимальной энергетической избыточностью управления в качестве регуляторов расхода.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны системы автоматического регулирования расхода ТЖ, рекомендованные к внедрению в механическом цехе № 2 ОАО "Балаковский завод запасных деталей" на токарных станках типа 16К20, 1К62, 163, а также на установке для ректификации изопропанольной смеси спиртов в "Государственном институте технологии органического синтеза с опытным заводом" (ГИТОС) — г. Шиханы; в АООТ "Балаковский судоремонтный завод"; на Балаковской и Ростовской атомных станций в АСУ ТП паровых турбин. Научные и практические результаты работы использованы в плановых госбюджетных научно-исследовательских работах, выполненных на кафедре "Управление и информатика в технических системах" Балаковского ИТТУ СГТУ по направлению "Век-торно-энергетический анализ и синтез элементов автоматики и систем управления", а также по гранту НШ-2064.2003.8 Минпромнауки России. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Зональной конференции "Проектирование и эксплуатация промышленных гидропривоводов и систем гидропневматики" (г. Пенза, 1989 г.); Республиканской научно-технической конференции "Гидравлика и гидропневмопривод машин, автоматов и промышленных роботов в машиностроении" (г.Севастополь, 1990 г.); Зональной конференции "Пневматические средства контроля и управления технологическими процессами", (г. Пенза, 1990 г.); Региональном семинаре "Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики" (г. Пенза, 1991 г.); Шестом Всесоюзном симпозиуме по пневматическим (газовым) приводам и системам управления (с международным участием) (г. Тула, 1991 г.); П-м Всесоюзном семинар-совещании "Электрогидродинамика и электрофизика жидких диэлектриков", (г. Ленинград, 1991 г.); III-YH Международных научных конференциях "Современные проблемы электрогидродинамики и электрофизики жидких диэлектриков" (г. Санкт-Петербург, 1994, 1996, 1998, 2000, 2003 гг.); УП-м Межгосударственном научно-техническом семинаре "Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ" (г. Саратов, 1994 г.); 1-й Международной конференции "Предмет, объекты и проблемы энергетики векторного взаимодействия потоков в системах с распределенными параметрами" (г. Балаково, 1997 г.); 1-й Российской научной конференции "Математические и условно-логические модели объектов для векторно-энергетического управления" (г. Балаково, 1998 г.); H-V-й Российских научных конференциях "Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах" (г. Балаково, 1999, 2000, 2001, 2002 гг.); на научных семинарах кафедр "УИТ" БИТ ГУ ОТУ (2000-2004 гг.) и "Автоматизация и управление технологическими процессами" СГТУ в 2004 г., разработанный электрогидродинамический усилитель мощности для систем управления экспонировался на 1-й Международной выставке "Архитектура и строительство Подмосковья-97" (г. Москва, Всероссийский выставочный центр, 16-19 апреля 1997 г.), где прошел маркетинговую рыночную экспертизу российских и зарубежных фирм с предпочтительно положительной гаммой экспертных оценок.
По результатам проведенных исследований опубликовано 37 печатных работ, включая 4 авторских свидетельства и один патент на изобретение.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и семи приложений, в которых представлены результаты расчетов, не вошедшие в основной текст, материалы, касающиеся экспериментальных исследований и технических решений, связанных с вопросами, рассматриваемыми в работе, а также копии документов, подтверждающих выставочную презентацию и практическое использование результатов работы на промышленных предприятиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Метод построения САУ расходом ТЖ в гидросистемах технологического оборудования на основе ЭГД усилителей-преобразователей мощности с минимальной энергетической избыточностью управления, используемых в качестве регуляторов расхода ТЖ в ГТО.
2. Способы повышения энергетической эффективности ЭГД УПМ, с целью обеспечения возможности их использования в качестве регулирующих устройств в САУ расходом ТЖ в ГТО
3. Результаты теоретических исследований рабочих процессов в ЭГД УПМ с ортогональным типом управления, предназначенных для САУ расходом ТЖ
4. Конструкция и результаты экспериментальных исследований струйного ЭГД УПМ с ортогонапьным управлением и его идентификация как элемента САУ на основе экспериментально-аналитического метода.
5. Результаты математического моделирования и практического использования САУ расходом ТЖ в ГТО, включая токарные станки, на основе ЭГД УПМ с минимальной энергетической избыточностью управления.
Особенности электрогидравлических систем управления технологическим оборудованием
Опыт автоматизации и роботизации процессов в различных отраслях промышленности показывает, что электрогидравлические системы управления обеспечивают минимальные габариты и массы исполнительных устройств при максимальной их выходной мощности и быстродействии в сочетании с удобством управления от ЭВМ. Этим объясняется постоянно расширяющееся применение электрогидравлических систем управления в самых различных областях техники, включая робототехнические и автоматизированные комплексы машиностроительной, космической, авиационной, химической, атомной и других отраслей промышленности. Сочетая в себе достоинства электрической связи и управления с быстродействием и относительной легкостью мощных гидроприводов, эти системы вытесняют чисто механические и электрические системы управления и контроля [10,53,137,150].
Существующие электрогидравлические преобразователи (ЭГП) и гидроэлектрические преобразователи (ГЭП) по сути дела являются механогидравличе-скими и гидромеханическими, то есть преобразователями с промежуточным преобразованием рода энергии сигналов. Наличие в таких преобразователях подвижных механических элементов, перемещающихся с трением относительно друг друга, вызывает их износ, перекосы и защемления в результате деформаций под действием перегрузок или температурных колебаний, появление зоны нечувствительности и гистерезиса в статических характеристиках (из-за сухого трения, зазоров в соединениях и вызванных массой движущихся деталей дополнительных инерционности и колебательности). Все это ухудшает статические и динамические характеристики преобразователей, уменьшает их надежность, сокращает срок службы [29,30,43,128,129].
Электроника и гидроавтоматика совершенствуются с позиций увеличения надежности работы, быстродействия, упрощения конструкции элементной базы. Причем при совместном использовании электронных и гидравлических устройств в электрогидравлических системах стараются исключить некоторые недостатки обеих ветвей автоматики, объективно определяемые применяемым родом энергии сигналов [29,129].
Управление рабочими органами подавляющего большинства автоматизированных механизмов ГТО осуществляется посредством электрогидравлических систем (ЭГС), что обусловлено такими их преимуществами как минимальные массогабаритные показатели, большие передаточные числа порядка 103, высокое быстродействие, бесступенчатое регулирование скорости, надежная защита от перегрузок. При этом наибольшее распространение получили простейшие ре 22 лейные ЭГС с электромеханическими преобразователями (ЭМП). Однако эти системы не всегда обеспечивают требуемое качество регулирования в силу своих принципиальных недостатков как релейных систем [53],
Электрогидравлические регуляторы строятся на базе общих принципов, поэтому структуры регуляторов в динамическом отношении равноценны. Специфической особенностью этих регуляторов является наличие преобразователя рода энергии сигнала (ПРЭС), предназначенного для преобразования электрического сигнала в гидравлический. Обычно в качестве ПРЭС используются различные ЭМП с промежуточной механической формой энергии, в которых электрический сигнал (ток) преобразуется в механический сигнал (усилие) и далее в гидравлический сигнал (перепад давления). В настоящее время разработан перспективный класс устройств с непосредственным (без подвижных механических элементов) преобразованием электрического сигнала (напряжения) в гидравлический (пневматический) сигнал, работающих с использованием разнообразных явлений и эффектов, возникающих в диэлектрической жидкости гидросистем при приложении внешнего электростатического поля или при приложении внешнего волнового поля (преобразователи с электроакустическим управлением) [53, 66, 92, 128]., В первую очередь, получило определенное развитие такое направление, как преобразование рода энергии сигналов на основе взаимодействия электрических и гидродинамических (ЭГД) полей, большой вклад в развитие которого внесли теоретические и экспериментальные исследования Г.А. Остроумова, Ю.К. Стишкова, А.И. Жакина, М.С. Апфельбаума, В.А. Полянского, М.К. Бологи, А.Б. Ватажина, что послужило основой для разработки и практического применения ЭГД устройств, благодаря работам А.А. Денисова, B.C. Нагорного, В.В. Власова, В.И. Безрукова, Г.И. Бумагина [24, 29, 30, 32, 33, 35, 55, 139,162,191] и других ученых.
Особенностью ЭГД-преобразования электрических сигналов в гидравлические (и наоборот) состоит в том, что для управления объемами, струями и потоками жидкости используются кулоновские или поляризационные силы, создаваемые на молекулярном уровне непосредственным приложением сильных электрических полей к рабочим средам преобразователей, а также сопутствующие им явления. Это позволяет устранить полностью или частично все подвижные механические и электромеханические элементы из процесса преобразования сигналов при решении задач связи, управления, регистрации и измерения в электрогидравлических системах.
Электрогидравлические регуляторы автоматических систем на базе ЭГД эффектов отличаются широкими возможностями формирования любых алгоритмов управления, простой организацией различных главных, формирующих и корректирующих связей, высокими статическими и динамическими свойствами, надежностью и позволяют строить сложные системы управления различными машинами, станками и технологическим оборудованием.
С точки зрения техники регулирования наиболее отработанными являются кинетические струйные и дроссельные ЭГД ПРЭС, на базе которых принципиально можно построить широкий класс регуляторов: позиционных, линейных, экстремальных и др. [129]. Существует достаточно большое количество различных конструкций ЭГД ПРЭС (с отклонением струи, с изменением профиля скоростей в струе, с изменением режима течения струи) (рис. 1.2) [53,128]:
Анализ способов организации управляющих воздействий на поток жидкой среды и их энергетическая оценка
Поскольку движущаяся среда обладает импульсом и энергией» то записанные выше соотношения позволяют выполнить кинематический и динамический (силовой) анализ движения среды-энергоносителя, а так же произвести обобщенный энергетический анализ способов организации управляющих воздействий в потоке рабочей среды.
Вектор Jtf=p-v в (2.3), представляя собой импульс единицы объема среды, одновременно является вектором плотности потока материальной среды (вектор массовой скорости) для выделенной в потоке трубки тока. Следовательно, данное соотношение позволяет проанализировать возможности управления течением рабочей среды, в том числе в ЭГДУПМ.
Проведем такой анализ, рассматривая (2.16) и (2.17) совместно. Из (2.16) следует, что плотностью потока JM можно управлять, воздействуя на поток в единице объема среды посредством объемных и (или) поверхностных сил той или иной физической природы. При этом в силу векторного характера величины
Jn-pv будет изменяться ее модуль и (или) направление. Управление модулем массовой скорости наиболее целесообразно (и используется) преимущественно в устройствах гидроавтоматики дроссельного типа, в которых производится гашение (в пассивных), либо увеличение (в активных, например кинетических) ПРЭС средней скорости потока [128, 129]. Управление движением среды путем изменения направления вектора массовой скорости целесообразно, в первую очередь, в струйных (особенно на свободных струях) устройствах [67, 128, 160]. Что касается устройств дроссельного типа, то для них данный способ управления требует специального рассмотрения и обоснования. Поэтому исследование этого вопроса подробно излагается в главе 3.
В соответствии с рассмотренной выше классификацией ЭГДУПМ, управление модулем массовой скорости реализуется в усилителях-преобразователях "У -типа, тогда как управление направлением (аргументом) наиболее эффективно применительно к струйным УПМ "S" - типа. Разумеется, в чистом виде тот или иной тип управления на практике недостижим в силу сложности гидродинамических явлений, происходящих в движущихся средах. Однако, как правило, всегда можно выявить преобладание одного из компонент управления, хотя встречаются и смешанные варианты (например, в ударных модуляторах [29,91,110]).
Произведем анализ энергетической эффективности управления рабочей средой тем и другим способом.
В общем случае, направления действия объемных и поверхностных сил, приложенных к элементу объема текучей среды, могут быть произвольными. Из теоремы о кинетической мощности (2.17) следует, что в зависимости от соотношения направлений местной скорости среды и соответствующей силы, изменяется величина мощности этой силы, т.е. работа, совершаемая в единицу времени этой силой над средой. От величины этой мощности зависит скорость изменения кинетической (механической) энергии элементов объема среды, а следовательно, и изменение модуля скорости. Удельная мощность (плотность энергии), расходуемой соответствующей объемной или поверхностной силой г г в единицу времени на единицу объема равна [59,136]:
Согласно (2.19), при одной и тоже действующей силе мощность, развиваемая этой силой, зависит от величины проекции силы на направление скорости. Работа совершается только тангенциальной составляющей действующей силы. Соответственно она же определяет изменение модуля скорости среды. В свою очередь, нормальная (ортогональная к v) составляющая силы, действующей на элемент объема dV среды, влияет только на изменение направления вектора местной скорости V среды, вызывая нормальное (локальное центростремительное) ускорение, но не влияет на величину удельной кинетической энергии, т.е. на модуль скорости [58, 59]. Поскольку коэффициент усиления по мощности в ЭГДУПМ тем выше, чем меньше требуемая для управления потоком среды мощность источника управляющего сигнала, то при заданных значениях поверхностных (VP) и объемных (fv ) сил наименьшую мощность источник силовых воздействий развивает (тратит) при Cos а=0, т.е. при Za = л/2 (режим "холостого хода"). Что касается слагаемого (й"[у т ]) в (2.17), то оно принципиально отличается от нуля всегда, когда v Ф 0 , так величина вектора [Vr] обусловлена молекулярным взаимодействием между слоями движущейся жидкости [107,114,190]. В частности, в важном для практики случае изотермических, несжимаемых жидкостей, для которых р, fi=const справедливо равенство: [v г] = -pV2v [112,190]. Но вектор V гv параллелен вектору v, следовательно, скалярное произведение (y-V2v) Ф О всегда, если у 0 . Последнее означает, что во всякой реальной жидкости при наличии в ней движения, силами вязкого трения совершается работа, противодействующая этому движению и вызывающая диссипацию механической энергии среды. Таким образом, при любом движении среды (v Ф 0 ) мощность поверхностных сил вязкого трения не зависит от направления скорости движения, а зависит только от ее модуля, тогда как мощность поверхностных и объемных сил механического типа зависит от соотношения направлений силы и скорости среды.
В соответствии с изложенным, можно выделить два предельных случая организации управляющих воздействий: продольное ( fvs\\ v ) и поперечное (ортогональное)- ( fvs Xv) управления. При первом способе организации управляющих воздействий Cos а =Cos(Z\fy,v))= ], поэтому в соответствии с (2.16) и (2.17), наряду с диссипа-тивным вязким трением, за счет энергии источника управляющих силовых воздействий fy будет совершаться работа по ускорению, либо замедлению потока рабочей среды. В частности, в так называемых статических ЭГП [128, 129] необходимо обеспечивать приведение в движение рабочей среды, неподвижной в исходном состоянии (уо = 0) при отсутствии управляющего сигнала. Возрастание массовой скорости и, соответственно, кинетической энергии среды, согласно (2.16),(2.17), определяется величиной управляющего силового воздействия f у . При этом приращение модуля скорости, а следовательно, и возрастание кинетической энергии элементов объема среды будет максимальным, если направление действия силы совпадает с заданным направлением движения, поскольку мощность, развиваемая источником, как отмечалось, определяется скалярным произведением \fy v). Однако с учетом наличия сил трения и малой, как правило, мощности источника управляющего сигнала, создаваемое им ускорение среды будет невелико даже при выполнении условий {fy\ v). Поэтому устройства, работающие по принципу создания продольного силового воздействия (например, ЭГД-насосы [96]), требуют применения либо многоступенчатой схемы усиления, либо методов повышения удельной мощности. При этом возможности соответствующих технических решений лимитированы, как правило, конструктивными, либо электрофизическими ограничениями.
Расчет поля скоростей в ЭГД - канале при наличии поперечного электрического поля
Использование квазигироскопического варианта управления в дроссельных ЭГДУПМ хотя и обеспечивает повышение коэффициента усиления по мощности, однако имеет сравнительно ограниченный диапазон регулирования. В этом отношении более перспективным представляется применение квазигироскопического (ортогонального) типа управления в струйных ЭГДУПМ, которые допускают, в принципе, любую глубину модуляции выходного гидравлического сигнала. Квазигироскопический принцип управления в ЭГДУПМ струйного типа наиболее целесообразен в усилителях на свободных струях как в режиме отклонения струи, так и в режиме турбуляризации струи [ПО, 128, 129]. В последнем случае получается дискретный струйный элемент, область применения которых достаточно ограничена. Поэтому наибольшие перспективы имеют, непрерывные (аналоговые) усилители с отклонением свободных струй. Струя, в принципе, может быть как предварительно заряженной, так и незаряженной [128].
Основы кинематики струйных течений. Силовой поток рабочей среды-энергоносителя струйного УПМ в пределах проточной части камеры управления представляет собой квазисвободное течение, частично ограниченное твердыми стенками камеры, а частично-свободными поверхностями тока (границы фаз), на которых давление можно считать постоянным [110, 128]. В теории струйных течений такой тип течений принято называть свободными (незатопленными) струями [ПО]. В общем случае струей может быть назван поток вещества, перемещающегося по инерции вдоль некоторого направления на расстоянии многих своих поперечных размеров [9].
В кинематическом смысле под струей понимают совокупность всех траекторий частиц движущейся среды, проходящих через выделенную односвязную площадку [112]. Если течение носит стационарный характер, то струя совпадает с трубкой тока. На границе раздела с покоящейся окружающей средой давление постоянно, а тангенциальная составляющая скорости терпит разрыв, если течение близко к потенциальному (идеальная невязкая жидкость). Из-за наличия в реальных жидкостях и газах вязкого трения вдоль границы раздела сред образуются вязкие пограничные слои при этом течение вблизи свободной линии тока может проявлять "абсолютную" гидродинамическую неустойчивость [112], при которой колебания произвольной частоты и сколь угодно малой амплитуды экспоненциально возрастает вниз по потоку.
При этом возможны два варианта [3]: а) рост пульсаций в компактной струе капельной жидкости, граничащей с газом (воздухом) в итоге приводит к потере сплошности и распаду струи на отдельные фрагменты, распадающейся, в свою очередь, на еще меньшие объемы и капли (каплеобразование и распыление). б) рост пульсаций в затопленной струе приводит к установлению турбулентного режима течения [41, 52]. Струйное течение, в зависимости от степени удаления среды от сопла, может быть разделено, как при ламинарном (слоистом), так и турбулентном режимах на ряд характерных участков. Схема деления струи на участки предложена Г.Н. Абрамовичем и в настоящее время является общепризнанной [52]. В рамках этой схемы выделяют начальный участок, переходный участок и основной участок струи (рис.3.5). На выходе из сопла распределение продольных скоростей может быть принято однородным [110]. от режима течения и от геометрии струи. Характерной особенностью основного участка является универсальный профиль распределения скоростей, одинаковой во всех сечениях основного участка струи и независящий от начального распределения скоростей [185]. Здесь струйное течение приобретает такой вид, как если бы оно вытекало из бесконечно узкой щели (точечного источника). Этот участок струи называют основным. Между основным и начальным участками струи располагается переходный участок. При использовании упрощенной схемы струи длину переходного участка принимают равной нулю и применяют понятие переходного сечения. Опыты показывают [50], что профили скоростей имеют одинаковую универсальную форму. Для ламинарной незатопленной струи постоянной массы, в силу малой плотности и вязкости окружающей среды, справедливо считать, что ядро струи (квазипотенциальное течение) сохраняется на значительном расстоянии, т.е. длина начального участка Xo»do. Таким образом, в любом свободном струйном течении (ламинарном или турбулентном, затопленном или нет) можно выделить два принципиально важных для практики участка: 1) основное (релаксирующее) течение, характеризующееся неуклонным снижением скорости течения вдоль оси струи с одновременным равномерным (монотонным) расширением границ струи в пределах некоторого условного конуса, мнимая вершина ("полюс") которого располагается на начальном участке оси струи и эквивалента некоторому точечному источнику истечения вещества струи, передающему веерообразно поток импульса в окружающее пространство. В области основного струйного течения, где происходит интенсивное рассеяние (диссипация) импульса струи по окружающему пространству, распределение (профиль) продольных скоростей в струе перестает зависеть от начального распределения и описывается унифицированным образом. Одновременно происходит монотонное убывание скорости вдоль оси струи [3,112,185]; 2) другим существенно важным участком струйного течения является начальный, на котором течение носит квазиконсервативный характер. Здесь профиль скоростей зависит от начального распределения и для свободных неза-топляемьгх струй вблизи среза сопла близок к однородному, а по мере удаления от сопла испытывает постепенные изменения, зависящие от условий распространения. Степень и быстрота деформации профиля скоростей зависят от величины числа Re, т.е. скорость истечения v0 и динамической (кинематической) вязкости вещества струи (от CR. ), а так же от характеристик окружающей среды. Длина этого квазиинерциального, квазиконсервативного участка течения, соответственно, может составлять от единиц до десятков и более поперечных размеров сопла (входного размера струи) [50]. Таким образом, начальный участок струи соответствует квазисвободному ("собственному") режиму течения, а основной - вынужденному ("установившемуся"), свободному от начальных условий.
С точки зрения технических приложений, квазисвободный (квазиконсервативный) режим течения в ряде случаев (например, в большинстве струйных УГОЛ) является энергетически предпочтительнее (даже в турбулентных).
Режим квазидиссипагавный предпочтителен в струйных технологических установках, где например, требуется интенсивное взаимодействие с окружающей средой (перемешивание, распыл веществ—форсунки, эжекторы ).
При ламинарном истечении струи из сопла длина начального участка может доходить до значений порядка 102do [50], где do-поперечный размер струи (сопла), то есть иметь значительную протяженность, соизмеримую или превышающую продольный размер струйной камеры УПМ.
В этом случае рабочую (силовую) струю среды - энергоносителя можно рассматривать как струю постоянной массы, расход в которой остается постоянным и равным расходу Q0 через сопло питания. В.Н. Дмитриевым выполнено исследование [50] поведения границы струи постоянной массы путем сопоставления значений, даваемых уравнением границы ламинарной струи, полученным на основании формулы Шлихтинга [185], с результатами эксперимента. При этом было установлено, что для достаточно сильных ламинарных струй (Re 30) угол одностороннего расширения струи постоянной массы ничтожно мал и практически не превышает нескольких угловых минут.
Планирование и обработка результатов многофакторного эксперимента для СЭГДРР
Анализ задачи оптимизации. Оптимизация - это целенаправленная деятельность, результатом которой является получение наилучших результатов в соответствующих условиях [2, 8]. Постановка задачи оптимизации предполагает наличие объекта оптимизации. В данном случае объектом оптимизации является элемент струйной автоматики, а точнее, струйный электрогидродинамический усилитель мощности с ортогональным управлением.
В математическом плане оптимизацию элемента струйной автоматики можно рассматривать как максимизацию или минимизацию некоторой функции нескольких переменных, при наличии или отсутствии ограничений на эти переменные, или, иначе говоря, максимизацию или минимизацию целевой функции [131,110]. В этом случае задача оптимизации заключается в отыскании таких значений управляющих переменных, которые максимизируют величину целевой функции. Последовательность таких значений управляющих переменных называется оптимальным управлением. При оптимизации параметров элемента струйной автоматики необходимо произвести следующее [ПО]: 1) Определить цель оптимизации, то есть выбрать критерий, наиболее полно характеризующий качество элемента. Этот критерий должен быть непосредственно измеряем или вычисляем. 2) Выяснить ограничения, которым должны удовлетворять переменные уравнения (факторы) и параметры элемента (условия работоспособности). Как критерий, так и условия работоспособности являются функциями множества факторов таких, как геометрические размеры, физические свойства рабочей среды, гидромеханические характеристики потоков в элементах. Как правило, такие зависимости необходимо выяснить до начала выполнения оптимизации. Эвристическим методом выяснения таких зависимостей на начальном этапе может служить принцип П. Кюри [65, 87]. До поиска экстремума также необходимо решить ряд задач. Для элементов струйной автоматики они делятся на две категории [110]: 1) внешние - к ним относятся формулировка критерия оптимизации и выявление ограничений, которые накладываются на условия работоспособности; 2) внутренние - получение математической зависимости между рабочими параметрами и факторами. Установление этих зависимостей является предметом гидромеханических исследований элемента. В общем случае задача оптимизации формулируется следующим образом: Отыскать такое сочетание значений факторов, при котором функционал качества достигает максимально возможного значения в некоторой области параметров. Задачи оптимизации, в которых в качестве объекта оптимизации рассматривается элемент струйной автоматики, можно условно классифицировать на два вида [110]: - оптимизация по рабочим параметрам, когда критерием является какой-то один рабочий параметр, либо критерием является комплексный критерий, включающий в себя несколько рабочих параметров; - оптимизация по минимуму требуемой точности изготовления, когда критерием служат допустимые отклонения геометрических размеров. Существует три вида методов решения указанной выше задачи оптимизации: аналитические методы, экспериментальные методы, методы планирования эксперимента [2,134]. Выбор того или иного метода в значительной мере определяется постановкой оптимальной задачи, а также используемой математической моделью объекта оптимизации [8, 131]. Аналитические методы предполагают наличие математического описа ния рабочего процесса элемента, позволяющего записать функционал и ограни чения в виде [2, 8]: А(хь..., хь) = А Bj (xt,..., х О Применение чисто аналитических методов решения задачи оптимизации к рассматриваемому объекту, а именно к струйному электрогидродинамическому усилителю мощности (регулятору расхода) затруднено, так как в силу малой изученности гидродинамических процессов, происходящих в элементах струйной автоматики, где мы пока что не имеем окончательной и полной математической модели рабочего процесса элемента [110]. Экспериментальные методы. В элементах струйной автоматики используются гидродинамические процессы, которые еще недостаточно изучены. В силу малой изученности этих явлений (а такие явления очень часто находятся в сильном взаимодействии) используются следующие экспериментальные методы [ПО]: 1) Метод проб и ошибок - он заключается в варьировании геометрическими размерами на основании интуиции и некоторых представлений о выше упомянутых явлениях; 2) Метод визуализации течения; 3) Экспериментально- статистические методы, позволяющие найти оптимум для объектов типа "и", "s (для объектов, в которых главным параметром является либо скорость течения струи, либо размер сечения) [82]. Эти методы позволяют формализовать процесс эмпирического поиска, когда зависимая переменная рассматривается как критерий качества и принимает оптимальные (минимум, максимум) значения. Методы планирования эксперимента [2, 8, 138]. Планирование эксперимента позволяет варьировать одновременно все факторы и получать количественные оценки основных эффектов и эффектов взаимодействия. Выбор плана определяется постановкой задачи исследования и особенностями объекта. Процесс исследования обычно разбивается на отдельные этапы. Информация, полученная после каждого этапа, определяет дальнейшую стратегию эксперимента. Таким образом, возникает возможность оптимального управления экспериментом. При этом интересующие эффекты определяются с меньшей ошибкой, чем при классических методах исследования. В конечном счете, применение методов планирования эксперимента значительно повышает эффективность эксперимента [2, 165].
Планирование многофакторного эксперимента. Процесс создания и доводки нового прибора, а также модернизация серийно выпускаемых конструкций представляет собой процесс решения многокритериальной задачи оптимизации.
Так как разработка ЭГДУПМ является сравнительно новым научно-техническим направлением, то методика построения их математических моделей до конца не отработана. В этих случаях задача может быть решена экспериментально, причем задачей эксперимента является, как правило, установление математической модели исследуемой зависимости. Задача по установлению функциональной зависимости называется интерполяционной задачей [8].
Определение математической модели включает в себя указание вида модели и определение значений ее параметров. Искомая функция (отклик) может быть как функцией одной независимой переменной, так и функцией многих переменных (факторов). Планирование многофакторного эксперимента - это совокупность действий, позволяющих решить поставленную задачу с требуемой точностью при проведении минимального числа опытов.
Похожие диссертации на Автоматизация процессов управления расходом технических жидкостей в гидрофицированном технологическом оборудовании на основе электрогидродинамических усилителей - преобразователей мощности с минимальной энергетической избыточностью управления
