Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пневматические приводы при нештатных ситуациях как объект исследования 8
1.1. Надежность пневмо- и гидроприводов 8
1.2. Показатели надежности 13
1.3. Классификация отказов 17
1.4. Факторы определяющие надежность пневмо- и гидроприводов 21
1.5. Понятие надежности и пути ее обеспечения 24
1.6. Инвариантность систем автоматического управления 35
1.7. Пневматические дискретные приводы 41
1.8. Цель и задачи исследования 45
Глава 2. Математические модели пневматического привода технологических машин при нештатных ситуациях (режимах) 46
2.1. Математическая модель типового пневматического привода технологических машин при внезапном исчезновении давления питания 46
2.2. Исследование математической модели пневматического привода 51
2.2.1. Общая методика проведения машиных экспериментов 52
2.2.2. Исследование влияния параметров приводов на его работу 54
Глава 3. Синтез и исследование инвариантных пневматических дискретных приводов 63
3.1. Задачи инвариантных приводов 63
3.2. Пневматический привод с обратным клапаном в канале питания 65
3.2.1. Определение коэффициента расхода и площади сечений каналов утечек 66
3.2.2. Моделирование переходных процессов в схеме с обратным клапаном 75
3.3. Пневматический привод с емкостью (ресивером) и обратным клапаном 78
3.4. Синтез схем инвариантных пневматических приводов по каналу питания , 82
3.5. Синтез инвариантных пневматических дискретных приводов с сильной инвариантностью по каналу питания 87
3.6. Критерии инвариантности пневматических дискретных приводов при внешних воздействиях (возмущениях) по каналу силового питания 90
Глава 4. Экспериментальные исследования поведения пневматического привода технологических машин принештатных ситуациях (режимах) 100
4.1.Экспериментальная установка для исследования поведения пневматического привода технологических машин при нештатных ситуациях (режимах) 100
4.2. Экспериментальные исследования законов движения типового пневматического привода при внезапном исчезновении давления питания 108
4.3. Экспериментальные исследования законов несанкционированного движения пневматического привода с обратным клапаном в канале питания при внезапном исчезновении давления питания 121
4.4. Экспериментальные исследования законов несанкционированного движения пневматического привода с ресивером и обратным клапаном в канале питания при внезапном исчезновении давления питания 127
4.5. Экспериментальные исследования пневматического привода, инвариантного к нештатным ситуациям в виде внезапного исчезновения силового давления питания привода 130
Выводы и основные результаты работы 140
Список литературы 144
- Показатели надежности
- Исследование математической модели пневматического привода
- Пневматический привод с обратным клапаном в канале питания
- Экспериментальные исследования законов движения типового пневматического привода при внезапном исчезновении давления питания
Введение к работе
Актуальность темы
Диссертационная работа «Пневматические приводы технологических машин при нештатных ситуациях» посвящена вопросам повышения безаварийности и безопасности пневматических приводов технологических машин Пневмоприводы широко используются во многих отраслях промышленности благодаря простоте конструкции, низкой стоимости, малой чувствительности к условиям работы, взрыво- и пожаробезопасное, высоким скоростям перемещения груза, легкости автоматизации
Эффективное функционирование технологических машин (станков, промышленных роботов и т д ), в которых применяются пневмоприводы, во многом определяется надежностью приводов
Надежность пневмоприводов обеспечивается при высоком качестве и техническом уровне всех компонентов приводов разработкой структурных схем приводов с резервированием элементов и цепей приводов, автоматическим контролем за исправностью схем и т д
Проектирование надежных приводов осуществляется с использованием развитой теории вероятностей, которая основывается на базе статистических данных эксплуатационных отказов (сбоев) элементов приводов Эти отказы обычно прекращают нормальное функционирование приводов
Вместе с тем возможны и нештатные ситуации в работе приводов, іа-кие как сбой и непрогнозируемое внезапное исчезновение (обрыв, разрушение канала питания, исчезновение электропитания компрессора (его поломка) и т д ) силового питания пневмоприводов
В таких случаях моїут появиться несанкционированные движения выходных звеньев цикловых пневмоприводов, которые могут привести к браку изделий технологических машин, поломкам и авариям Поведение пневмоприводов в этих случаях в настоящее время изучено мало
Работа по созданию пневматических приводов, надежно функционирующих при нештагных ситуациях, является актуальной и представляет большой практический интерес
Цель и задачи диссертации
Цель работы - повышение безопасности, надежности и безаварийное ги приводов путем получения (теоретически и эксперимешально) информации (новых знаний) о нештатных ситуациях в виде внешних возмущений по каналу силового питания в пневмоприводах и использования ее (их) при синтезе структурных схем помехоустойчивых цикловых пневматических приводов технологических машин
Основное внимание в работе уделено исследованию поведения типовых пневматических приводов при нештагных ситуациях в виде внешних
возмущений по силовому каналу питания, а также теории и синтезу структурных схем пневматических приводов, помехоустойчивых к этим возмущениям
Поставленная цель, по мнению автора, достигается за счет более тщательной проработки проектных решений на основе всесгороннего анализа поведения приводов с учетом таких нештагных ситуаций, как сбой или внезапное исчезновение силового пневмопитания в процессе их функционирования, исключающих несанкционированные движения выходных звеньев приводов и тяжелые их последствия
Можно сформулировать следующие актуальные задачи работы
-
Исследовать на математических моделях и экспериментально поведение типовых пневмагических приводов при нештатных ситуациях (сбой или внезапное исчезновение давления питания) с целью получения новых знаний и определения путей (способов) борьбы с несанкционированными движениями выходных звеньев пневмоприводов
-
Провести синтез высоконадежных пневматических приводов, инвариантных (независимых) к внешним возмущениям по каналу питания
-
Разработать критерии инвариантности пневматических дискретных цикловых поршневых приводов технологических машин
-
Разработать и изготовить стенд для исследования пневмоприводов при нештатных ситуациях
-
Разработать, изготовить и отладить пневмоприводы с повышенной помехоустойчивое гью
-
Провести машинные и стендовые эксперименты разработанных инвариантных пневмагических дискретных приводов при различных видах внешних воздействий на привод по каналу питания
Научная новизна работы Научную новизну работы составляют
Впервые поставленный вопрос об инвариантное га пневматического дискретного привода при внешних возмущениях по каналу питания
Подход, в соответствии с которым синтез структурных схем пневмоприводов проводится с учетом нештатных ситуаций по каналу питания
Выявление особенности динамики пневмоприводов при внешних возмущениях по каналу питания
Математические модели, которые позволяют разработчику на ранних стадиях проектирования количественно оценить параметры несанкционированных движений выходных звеньев пневмоприводов при нештатных ситуациях и степень опасности их наличия при выполнении тех или иных технолог ических операций
Структурные схемы пневматических приводов, устойчивых к возмущениям по каналу питания
Me і од определения коэффициента расхода и площади утечек через микроканалы неплотностей
Разработка критериев инвариантности для дискретных пневмоприводов при внешних возмущениях по каналу питания
Пневматические дискретные приводы, устойчивые к возмущениям по каналу силового питания
Практическая значимость работы
Разработаны структурные схемы пневмоприводов повышенной функциональной надежности
Разработан экспериментальный стенд для испытании пневмоприводов при внешних возмущениях по каналу питания
Получена формула для определения объема ресивера при заданных параметрах помехоустойчивости
Разработан дискретный пневматический привод, инвариантный при внешних возмущениях по каналу питания
Методы исследования
В работе были использованы теория дифференциальных уравнений, методы теории термодинамики тела переменной массы газа, магемагиче-ского моделирования, теория гидропневмоавтоматики, методы экспериментальных исследований
Реализация результатов
Результаты работы используются
ЗАО НПО «Техкранэнерго», г Владимир,
Владимирским государственным университетом в учебном процессе при выполнении студентами лаборат орного практикума
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 11-м Всероссийском слете студентов, аспирантов и молодых ученых - лауреатов конкурса «Ползуновские гранты», Владимир, 2006 г (присужден грант), на 2-й Всероссийской конференции «Использование нового оборудования, новых технологий и технологических процессов при газораспределении и газопотреблении», Саратов, 2007 г
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
структурная схема инвариантного дискретного пневматического привода технологических машин,
критерии инвариантности пневматических приводов,
У математическая модель поведения пневматических дискретных приводов при нештатных ситуациях,
результаты экспериментальных исследований динамики пневматического привода технологических машин при нештатных ситуациях,
методика определения коэффициента расхода и площади микроканалов утечек пневматического привода технологических машин
Публикации
Основные результаты диссертационной работы представлены в 11 публикациях
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложений Общий объем работы - 152 страницы текста, включая 75 рисунков, 3 таблицы Список использованной литературы состоит из 76 наименований Приложение объемом 2 страницы содержит два акта внедрения результа гов работы
Показатели надежности
Надежность — это комплексное свойство, которое в зависимости от назначения привода и условий его эксплуатации может включать различные свойства: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.
Показатели надежности устанавливаются и используются для сравнения вариантов конструктивных решений, обоснования мероприятий повышения технического уровня, разработки технологии эксплуатации, ремонтов и хранения, установления норм запасных частей.
В зависимости от целей использования все показатели надежности разделяют на единичные и комплексные. Единичные показатели характеризуют одно какое-либо свойство надежности привода, а комплексные — несколько свойств, составляющих надежность.
Все показатели надежности определяются состоянием привода, которых может быть два: работоспособное (работоспособность) и неработоспособное (неработоспособность).
Работоспособное состояние — состояние привода, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией (стандартами, техническими условиями и другой эксплуатационной документацией).
Неработоспособное состояние — состояние привода, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, характеризующего
способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической документации.
Под безотказностью понимают свойство привода непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.
Наработка — продолжительность или объем работы привода, которые могут быть выражены временем в часах, циклами срабатывания, объемом выполненной работы в тоннах, кубометрах и т. д.
В процессе эксплуатации или испытаний различают наработку суточную, месячную, годовую, наработку до первого отказа, до первого ремонта и др.
Привод в любой момент времени может находиться в исправном или неисправном состояниях [60].
Исправное состояние — состояние, при котором привод соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией. Если привод не соответствует хотя бы одному требованию указанной документации, то такое состояние считается неисправным, т. е. в приводе возникла какая-то неисправность. Неработоспособное состояние проявляется через отказ. Отказ — событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния привода.
Если привод исправен, то он всегда работоспособен. Неисправный привод тоже может быть работоспособным, при этом группа параметров, определяющих его работоспособность, находится в заданных пределах, а некоторые характеристики, непосредственно не влияющие на работоспособность, не соответствуют требованиям. Например, нарушение окраски, ржавчина, небольшие трещины и т.д. являются неисправностями, но до определенных пределов не влияют на работоспособность.
В неработоспособное состояние привод может перейти только через отказ как из исправного состояния, так и неисправного, но еще работоспособного.
Введенные выше понятия раскрывают содержание первого показателя надежности — безотказность.
Долговечность - свойство привода сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
Предельное состояние — состояние, при котором дальнейшая эксплуатация привода должна быть прекращена из-за неустранимого нарушения требований безопасности, снижения эффективности эксплуатации и из-за необходимости проведения ремонтов. Признаки предельного состояния устанавливаются эксплуатационной документацией.
Основными показателями предельного состояния являются моральный и физический износ. Моральный износ вызывается тем, что потребительская стоимость машины становится ниже допустимой, установленной для данной отрасли промышленности. Физический износ приводит к увеличению затрат, связанных с ненадежностью выше допустимых значений.
Для оценки долговечности применяют две категории показателей. К первой категории относятся показатели, характеризующие выход за допустимые пределы основных технических характеристик, выходных параметров (КПД, давления, мощности, скорости и др.). В этом случае основным показателем долговечности будет ресурс (или срок службы).
Исследование математической модели пневматического привода
Исследование математической модели пневматических приводов производилось на ЭВМ. Проводится расчет динамических параметров пневматических приводов, описанных во второй главе диссертационной работы.
Исследование математической модели приводов проводилось со следующими целями: 1) исследовать динамику пневматических приводов при нештатныхситуациях; 2) выяснить степень влияния различных параметров приводов на его работу.
Машинный эксперимент заключается в решении системы дифференциальных уравнений, моделирующих поведение пневматических приводов при нештатных ситуациях (при внезапном отключении питания).
В рамках данной работы нами были проведены исследования приводов лишь при обратном ходе. Система дифференциальных уравнений, описывающая поведение приводов при обратном ходе в общих чертах аналогична системе дифференциальных уравнений при прямом ходе. Основное отличие заключается в противоположном направлении движения воздуха и механических частей приводов, что находит отражение в виде смены знаков у переменных, соответствующих величинам скоростей, перемещений и расходов. Другое отличие состоит в том, что вредные объемы и проходные сечения дросселей в рабочей и выхлопной полостях цилиндра могут быть различными. В этом случае переходные процессы при обратном и прямом ходе могут сильно отличаться. Однако на практике это встречается сравнительно редко. Третье отличие заключается в том, что эффективная площадь поршня в рабочей (бывшей при прямом ходе выхлопной) полости уменьшается, а эффективная площадь поршня в выхлопной (бывшей при прямом ходе рабочей) полости увеличивается на величину Ful площади штока. Очевидно, что из-за этих отличий переходные процессы прямого и обратного хода несколько отличаются друг от друга, хотя и остаются аналогичными. С уменьшением диаметра штока различия в переходных процессах уменьшаются, и при диаметре штока Dui = Ом переходные процессы при прямом и обратном ходе становятся абсолютно одинаковыми (это возможно при использовании бесштокового цилиндра). Переходные процессы прямого и обратного хода могут быть одинаковыми также и в случае равенства эффективных площадей поршня в левой и правой полостях (например, при использовании двухштокового пневмоцилиндра). [15]
Машинные эксперименты проводились для пневмопривода с пневмодвигателем, у которого диаметр поршня - 0,05 м, диаметр штока -0,016 м. ход-0,1м.
Рассмотрим подробнее исходные параметры, которые входят в базовую математическую модель. Определимся со значениями этих параметров, а также с пределами, в которых они изменялись в процессе машинных экспериментов.
В математическую модель входят параметры, которые можно условно разделить на три группы: физические постоянные, силовые параметры приводов и конструктивные параметры приводов.
Во всех изученных моделях приняты следующие значения физических постоянных R = 287,14 кДж/(кг-К), я=3,14159256. Атмосферное давление и температура воздуха в магистрали приняты для нормальных условий, т.е. ра= 98100 Па, Т =291 К.
Для выбранного типоразмера пневмоцилиндра масса движущихся частей привода (суммарная масса поршня и штока) составляет 12,0 кг.
Одна из целей проведения машинных экспериментов - влияние массы груза на поведение пневматического привода при нештатных ситуациях. Нами был исследован диапазон масс 0 М 30 кг. Для получения графиков переходных процессов при работе приводов с разными по массе грузами, в каждой математической модели мы изменяли массу перемещаемого груза в указанном диапазоне.
Пневматический привод с обратным клапаном в канале питания
Обратные клапаны широко используются в пневмоприводах в канале управления для получения различных скоростей штока, к примеру, при рабочем и холостом ходах. В типовом пневматическом приводе, работающем в режиме подъемника, при исчезновении питания воздух из рабочей (нижней) полости быстро истекает через штуцер питания, давление в ней резко падает, груз несанкционированно проваливается вниз. Для затруднения истечения рабочей среды (жидкости) из привода и для предотвращения проникновения из атмосферы в них воздуха, вызывающего из-за сжимаемости неравномерность (рывки) движения исполнительных органов, при выключенных приводах в гидравлических приводах широко используются в каналах питания обратные клапаны. Исследуем эту схему применительно к пневматическому приводу (см. рис.3.3). При отключении давления питания в этой схеме воздух оказывается «запертым» в рабочей полости. Давление в полости с этого момента из - за утечек (G=Gi+ G2 + G3) через неплотности уплотнений (штока, поршня, распределителя, обратного клапана) будет падать. Когда это давление будет снижаться с давления питания рм (магистральное давление) до давления р г = (mg-N-rp)/a поршень цилиндра будет неподвижен. Дальнейшее движение р г приведет к несанкционированному движению (провалу) поршня с грузом вниз [42].
Методы расчета пневматических приводов основываются на применении расчетных формул, в которые входят коэффициенты расхода отдельных элементов системы: распределителей, регуляторов давления, дросселей, маслораспылителей, фильтров, различных логических устройств и т.д. Чтобы эффективно применять эти методы, необходимо иметь данные о коэффициенте расхода ц. каждого элемента или о его пропускной способно- действительного расхода воздуха к теоретическому, f - площадь сечения канала. В гидравлических расчетах коэффициенты расхода ц определяются как функция сжатия струи, коэффициента местных потерь и коэффициента Кориолиса. Большое влияние на динамику приводов в ряде случаев оказывают утечки воздуха через неплотности в конструкциях пневмоприводов. Учет утечек воздуха при расчете пневмоприводов является достаточно сложной задачей, что объясняется рядом причин. Одной из этих причин является то, что до сих пор нет приемлемых для практических расчетов математических зависимостей теоретического расхода воздуха через уплотнения. Существующие же зависимости либо сложны, либо нуждаются в эмпирических (статистических) данных. А это приводит к тому, что и. также неизвестно, даже если определен экспериментально действительный расход воздуха в уплотнении. Этот факт позволяет определять известными способами экспериментально только эффективные площади ju f = f3 . Значительной трудностью при этом является определение площади отверстия, эквивалентного тем неплотностям, через которые происходят утечки [28].
Определение ц при известной f типовых элементов пневмоэлементов может быть осуществлено двумя экспериментальными способами. Это способ непосредственного измерения расхода воздуха, протекающего через испытуемое устройство, и существует способ косвенной оценки, когда измеряется не расход, а другая зависимая от него величина, например скорость возрастания (падения) в полости непосредственно или с использованием последовательного включенного эталонного сопротивления. В обоих этих случаях определяется только эффективная площадь отверстия. Представляет же большой практический и теоретический интерес нахождение суммарного значения площадей отверстий уплотнений, через которые воздух вытекает из рабочей полости в атмосферу.
Экспериментальные исследования законов движения типового пневматического привода при внезапном исчезновении давления питания
Схема состоит из пневматического привода 1, штока 2, присоединенного груза 3, датчика давления 4, пневмораспределителя 5 с проходным каналом Dy = 2,5 мм., и датчика положения 6. (ра - атмосферное давление, р2 давление в рабочей камере цилиндра, z - координата положения, U - сигнал управления, m - суммарная перемещаемая масса).
Имитация исчезновения давления питания привода осуществляется путем переключения воздухораспределителя. При этом нижняя полость привода соединяется с атмосферой непосредственно или через трубопровод той или иной длины.
На рисунках (4.7-4.14) ниже приведены осциллограммы параметров давления и положения привода после внезапного снятия давления питания при разных массах и начальных давлениях питания.
Схема испытаний пневматического подъемника: рг - давление питания, ра - атмосферное давление, z - координата положения выходного звена, m - присоединенная масса грузов, U - сигнал управления. Схема состоит из пневматического привода 1, штока 2, присоединенного груза 3, датчика давления 4, пневмораспределителя 5, линейного фрикционного устройства 6, обратного клапана 7, и дополнительного дросселя 8, Сир = 0,63 мм.
Воздух из пневмосети поступает в управляющий распределитель 5. Далее при включении сигнала питания сжатый воздух поступает в нижнюю рабочую камеру пневмопривода и растормаживает мембранное линейное фрикционное устройство. При внезапном исчезновении давления питания линейное фрикционное устройство блокирует шток пневмопривода, тем самым исключая несанкционированные передвижения рабочего органа. Чтобы исключить провал при внезапном включении давления питания, так как скорость наполнения малой камеры мембранного тормоза выше, устанавливаем дополнительное дросселирующее устройство, чтобы снизить скорость наполнения рабочей камеры мембранного тормоза и обратный клапан для быстрого сброса давления из камеры тормоза при исчезновении давления питания.
Рассмотрим (рис. 4.42) случай внезапного исчезновения давления питания пневмопривода. Общий критерий сильной инвариантности имеет вид неравенства временных периодов тр тт . Длительность (тр) переходных процессов (истечения) в рабочей полости цилиндра определяется по зависимости (4.5)
