Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор научно-технической и патентной литературы 9
Глава 2. Пружинные аккумуляторы для шаговых рекуперативных приводов 21
2.1. Характеристики пружинных аккумуляторов 21
2.2. Диссипативные свойства пружинного аккумулятора 40
Глава 3. Нереверсивные шаговые пружинные приводы с рекуперацией энергии 45
3.1. Техническая идеология проектирования нереверсивных шаговых пружинных приводов с рекуперацией энергии 45
3.2. Исследование пневматического привода для компенсации диссипативных потерь 57
3.3. Режим зарядки пружинного аккумулятора 64
3.4. Расчёт параметров пневматического цилиндра для компенсации диссипативных потерь 68
3.5. Экспериментальный образец нереверсивного пружинного шагового привода с рекуперацией энергии 70
Глава 4. Реверсивный пружинный привод с рекуперацией энергии для шаговых перемещений 74
4.1. Конструкция реверсивного пружинного привода 74
4.2. Зарядка реверсивного пружинного привода 81
4.3. Экспериментальный образец реверсивного пружинного шагового привода с рекуперацией энергии 84
Основные результаты работы и выводы по диссертации 87
Литература
- Диссипативные свойства пружинного аккумулятора
- Исследование пневматического привода для компенсации диссипативных потерь
- Экспериментальный образец нереверсивного пружинного шагового привода с рекуперацией энергии
- Зарядка реверсивного пружинного привода
Диссипативные свойства пружинного аккумулятора
Пружинный привод состоит из поворотного звена 1, один шарнир которого соединён с основанием (точка О), а второй шарнир соединён с одним концом пружины 3 (точка О1). Второй конец пружины 3 соединён с основанием (точка О2). Кроме того, привод снабжён пневматическим цилиндром 4 с пневмоприводным фиксатором и с магнитом в поршне. Один шарнир пневматического цилиндра 4 соединён с основанием 2, а второй шарнир соединён с шарнирным соединением поворотного рычага 1 с пружиной 3. Привод также снабжен пневматическим распределителем 5, выходы которого соединены с полостями пневматического цилиндра 4. Пневматический цилиндр 4 имеет также вход для пневмоприводного фиксатора, который соединён с выходом нормально закрытого пневматического распределителя 6. На пневматическом цилиндре 4 установлены датчики D1 и D2, которые соединены с входами системы управления 7. Расположение датчика D1 определяет положение поршня с магнитом в крайнем левом положении, когда происходит фиксация штока пневматического цилиндра 4. На пневматическом цилиндре 4 установлены клапаны быстрого выхлопа уменьшающие аэродинамические потери. На рисунке 3.4 показана пневматическая схема привода для компенсации диссипативных потерь. Полости пневматического цилиндра 4 через клапаны быстрого выхлопа соединены с распределителем 5, а вход пневмоприводного фиксатора с распределителем 6. Электромагнитные приводы распределителей 5 и 6 соединены с выходами системы управления 7.
Рассмотрим работу привода, представленного на рисунке 3.3. В положении технологического выстоя шток цилиндра втянут и зафиксирован с помощью пневмоприводного фиксатора. Поворот выходного звена начинается после подачи сигналов из системы управления на вход Y3 электромагнитного привода распределителя 6 и на вход Y1 электромагнитного привода распределителя 5, обеспечивающего подачу сжатого воздуха в бесштоковую полость пневматического цилиндра. Происходит растормаживание штока и начинается поворот по часовой стрелке под действием моментов от пружины и пневматического цилиндра. Через некоторый промежуток времени на угле поворота q (рисунок 3.5), происходит отключение электромагнитного привода Y1 распределителя и дальнейшее движение происходит под действием пружинного аккумулятора. Рисунок 3.5. Конфигурация пружинного нереверсивного привода в момент отключения пневматического привода для компенсации диссипативных потерь
После прохода положения устойчивого равновесия (точка 04), движение продолжается под действием сил инерции, и кинетическая энергия системы переходит в потенциальную энергию пружины, а угловая скорость выходного звена плавно снижается. При повороте выходного звена на угол 2п (точка Os) происходит включение пневмоприводного фиксатора штока пневматического цилиндра. Наступает фаза технологического выстоя. Такая последовательность работы элементов привода имеет место при компенсации диссипативных потерь в начале перемещения. Отметим то, что в этом случае фактическое время поворота меньше расчётного времени пружинного аккумулятора без учёта диссипативных потерь.
В рассматриваемой конфигурации нереверсивного привода необходима установка только двух датчиков положения на корпусе пневматического цилиндра. Место установки датчика D1 определяется конфигурацией привода в положении выстоя, когда шток полностью втянут. Это положение датчика D1 неизменно. Расположение датчика D2 определяется величиной диссипативных потерь пружинного аккумулятора, аэродинамических сопротивлений в трубопроводах пневматического привода и силами трения в пневматическом цилиндре при свободном движении системы.
Определим расстояние между датчиком D1 и датчиком D2, что соответствует величине хода штока, обеспечивающего компенсацию диссипативных потерь при заданном максимальном усилии на штоке цилиндра.
Исследование пневматического привода для компенсации диссипативных потерь
Рабочий ход штока пневматического цилиндра равен 2г. Рабочее усилие Рц, создаваемое штоковой полостью цилиндра, определяется из условия: работа цилиндра, затраченная на зарядку аккумулятора равна сумме его максимальной потенциальной Vmax и работы, затраченной на преодоление диссипативных потерь при угле поворота равным 180 и определяется из следующего выражения nQD УтахУ + Ф) ц = 2г С другой стороны рабочий ход штока пневматического цилиндра, обеспечивающий компенсацию диссипативных потерь, определяется из следующего условия: АЬШ - ход штока пневматического цилиндра, обеспечивающий компенсацию диссипативных потерь.
Величина хода штока цилиндра, обеспечивающая компенсацию диссипативных потерь, определяется из выражения
Усилие пневматического цилиндра можно назначить из условия задания размера АЬШ. Тогда минимальное усилие можно назначить из условия: cplcr2 Рц —-— = (per Прежде всего Рц должно быть больше 2-3 bar, исходя из характеристик пневмораспределителей с пилотным управлением.
Кроме того, максимальное усилие пневматического цилиндра может назначаться из условия, что усилие Рц должно обеспечивать автоматическую зарядку пружинного аккумулятора и принимать это усилие за рабочее.
На рисунке 3.18 представлена схема расположения, например, индуктивных датчиков, расположенных по окружности, описываемой точкой О] или расположенных на радиальных прямых, выходящих из центра О.
Если не учитывать быстродействие пневматических распределителей, то датчики можно ставить в точке О4 (положение устойчивого равновесия), в точке D3(полностью вытянутый шток) и в точке О1(полностью втянутый шток).
С учетом времени срабатывания распределителей, датчик D2 необходимо сместить против часовой стрелки от точки О4 на время прохождения угла смещения. В точке О4 максимальная угловая скорость.
Датчику D3 не требуется смещение, так как в данном положении полость пневмоцилиндра открыта и связана с атмосферой.
В настоящей главе рассмотрены различные варианты систем компенсации затрат энергии на преодоление диссипативных сил в мехатронных рекуперативных приводах. Непременным требованием при построении систем компенсации диссипативных сил для мехатронного рекуперативного привода является выполнение следующего условия:
Работа привода, устанавливаемого для компенсации диссипативных сил пружинного аккумулятора, должна быть равна или незначительно превышать работу, которую затрачивает пружинный аккумулятор на преодоление диссипативных сил: Ац Адис.
Системы компенсации диссипативных потерь в соответствии с теоремой Эри делятся на три группы: 1. Компенсация диссипативных потерь в начале рабочего хода. 2. Компенсация диссипативных потерь в конце рабочего хода. 3. Компенсация диссипативных потерь в начале и в конце рабочего хода. В данной главе рассматривается компенсация диссипативных потерь в начале рабочего хода и компенсация диссипативных потерь в начале и в конце рабочего хода.
В рамках работы над диссертацией был разработан экспериментальный образец нереверсивного пружинного шагового привода с рекуперацией энергии. На рисунке 3.19 представлена его фотография. При его создании был использован готовый модуль поворотного стола для автоматов по фасованию вязких пищевых продуктов производства машиностроительного завода «Таурас-Феникс», Санкт-Петербург. Привод к модулю поворотного стола построен на использовании легко доступных элементах привода газораспределительных механизмов современных автомобилей: зубчатый ремень и два зубчатых шкива с числом зубьев 21 и 42. Параметры зубчатой ремённой передачи позволили обеспечить шаговый режим с технологическим выстоем и с угловым шагом в 180. Для компенсации диссипативных потерь и для фиксации выходного звена в положении неустойчивого равновесия использован пневматический цилиндр с пневмоприводным фиксатором фирмы «Festo», Германия. В приводе использованы также пневматические распределители итальянской фирмы «Pneumax». Для системы управления использован контроллер японской фирмы «Autonics», имеющий 8 входов и 8 выходов. Из анализа перечня используемых элементов и, учитывая возможность использования стандартных пружин можно сделать вывод, что предлагаемые приводы можно собирать из набора элементов, предлагаемых на рынках. Ведомость покупных изделий преведена в приложении
Экспериментальный образец нереверсивного пружинного шагового привода с рекуперацией энергии
В исходном положении после первой сборки или после выключения оборудования потенциальная энергия пружинного аккумулятора равна нулю, так как его механизм находится в положении устойчивого равновесия. Штоки пневматических цилиндров выдвинуты, а распределители находятся в нейтральном положении, и все полости цилиндров соединены с атмосферой. Ввиду симметричной конфигурации зарядка пружинного аккумулятора может производиться в любом направлении, и выбор направления зависит от разработчика управляющей программы.
Допустим, зарядка производится по направлению движения часовой стрелки. В этом случае из системы управления поступает сигнал на электрический привод Y1 пневматического распределителя 3 и в штоковую полость цилиндра 1 подаётся сжатый воздух. Начинается движение по направлению движения часовой стрелки. При повороте на угол 90 от точки устойчивого равновесия цилиндр 1 выключается, при этом начинает свою работу цилиндр 2, пока не дойдет до упора. При повороте на угол 180, по сигналу датчиков D1 и D2 система управления включает электрические приводы Y1 и Y3, в штоковые полости пневматических цилиндров подаётся сжатый воздух, и происходит фиксация выходного звена в положении неустойчивого равновесия, до подачи следующего управляющего сигнала.
Зарядку пружинного аккумулятора реверсивного привода можно производить или используя включение одного или двух пневматических цилиндров. В данной работе зарядку пружинного аккумулятора рекомендуется выполнять для варианта с использованием двух пневматических цилиндров. В этом случае пневматический цилиндр 2, при зарядке против движения часовой стрелки, работает на участке поворота от положения устойчивого равновесия до конфигурации, когда поршень пневматического цилиндра 1 займёт положение, при котором сработает датчик D4, и по команде из системы управления электропривод пневматического распределителя будет выключен, золотник распределителя займёт нейтральное положение и полости пневматического цилиндра 1 будут соединены с атмосферой. Одновременно система управления подаст сигнал на вход Y3 пневматического распределителя пневматического цилиндра 2, сжатый воздух будет подан в его штоковую полость, и дальнейшее движение будет происходить под действием пневматического цилиндра 2. При повороте звена на 180 срабатывают датчики D1 и D2, подается напряжение на входы пневматического распределителя Y2 и Y4 цилиндров 1 и 2, соответственно, и в их штоковую полость подаётся давление и происходит фиксация выходного звена привода.
Один из датчиков D4 устанавливается на корпусе цилиндра, поршень снабжен магнитом. Второй датчик D2 установлен на основании.
Если использовать датчики D5 и D6, установленные на корпусах цилиндров, то можно реализовать алгоритм работы с компенсацией диссипативных потерь в начале и конце движения. Пневматическая схема реверсивного пружинного привода при компенсации диссипативных потерь в начале и в конце хода представлена на рисунке 4.9.
Величина диссипативных потерь определяется двумя составляющими: 1. Диссипативные потери самого пружинного аккумулятора, которые были рассмотрены во второй главе. 2. Диссипативные потери, связанные с пневматическими цилиндрами во время холостого хода. Диссипативные потери в пневматических цилиндрах определяются: -силами трения поршня, штока и в шарнирных соединениях -аэродинамическими сопротивлениями. С целью уменьшения аэродинамических потерь целесообразно использовать клапаны быстрого выхлопа.
Для предварительных расчётов принимаем, что потери в пневматических цилиндрах составляют 10% от максимальной работы, совершаемой пневматическим цилиндром. В экспериментальных исследованиях необходимо исследовать аэродинамические потери в пневматических цилиндрах: влияние клапанов быстрого выхлопа, диаметров трубопроводов и их длины.
Для зарядки пружинного аккумулятора используется два пневматических цилиндра. Один из датчиков D3 устанавливается на корпусе цилиндра, поршень снабжен магнитом. Второй датчик D1 установлен на основании.
Зарядку пружинного аккумулятора можно осуществлять как при движении против часовой стрелки, так и по часовой стрелке.
В рамках работы над диссертацией был разработан экспериментальный образец реверсивного пружинного шагового привода с рекуперацией энергии. На рисунке 4.10 представлена его фотография. При его создании был использован готовый модуль поворотного стола для автоматов по фасованию вязких пищевых продуктов производства машиностроительного завода «Таурас-Феникс», Санкт-Петербург. Привод к модулю поворотного стола построен на использовании легко доступных элементов привода газораспределительных механизмов современных автомобилей: зубчатый ремень и два зубчатых шкива с числом зубьев 21 и 42. Параметры зубчатой ремённой передачи позволили обеспечить шаговый режим с технологическим выстоем и с угловым шагом в 180. Для компенсации диссипативных потерь и для фиксации выходного звена в положении неустойчивого равновесия использованы два пневматических цилиндра и четыре датчика фирмы «Festo», Германия. В приводе использованы также пневматические распределители итальянской фирмы «Pneumax».
Для системы управления использован контроллер японской фирмы «Autonics», имеющий 8 входов и 8 выходов. Из анализа перечня используемых элементов и, учитывая возможность использования стандартных пружин, можно сделать вывод, что предлагаемые приводы можно собирать из набора элементов, предлагаемых на рынках. Ведомость покупных изделий преведена в приложении 2. Параметры реверсивного пружинного привода преведены в таблице 4.1.
Зарядка реверсивного пружинного привода
В этом случае последовательность работы элементов привода при повороте на угол меньше п совпадает с предыдущим алгоритмом работы и только при угле поворота близком к 2тг, при срабатывании датчика D3 включается электрический привод Y2 распределителя 2 и сжатый воздух поступает в штоковую полость пневматического цилиндра 1, а при полностью втянутом штоке срабатывает датчик D1, включается электрический привод Y3 распределителя 3, происходит фиксация штока и наступает фаза технологического выстоя. На рисунке 3.9 показана циклограмма работы элементов привода с компенсацией диссипативных потерь в начале и в конце поворота.
При повороте от начального положения выходного звена до положения, в котором отключается пневматический цилиндр, требуемый закон движения обеспечивается под действием двух движущих моментов: пружинного аккумулятора и момента от выходного звена, кривошипно-кулисного механизма с пневматическим цилиндром. Соотношение между усилием пневматического цилиндра и моментом на выходном звене определяется первой геометрической передаточной функцией кривошипно-кулисного механизма, которая также определяет соотношение между линейной скоростью штока пневматического цилиндра и угловой скоростью выходного звена [35, 36].
На рисунке 3.10 представлена компоновка кривошипно-кулисного механизма с пневматическим цилиндром совместно с кривошипно-кулисным механизмом с пружиной растяжения. Оба кривошипно-кулисных механизма имеют общий выходной поворотный рычаг, соединяемый с входным звеном передаточного механизма. Геометрия приводов выполнена в соответствии с рисунком 3.3, когда конфигурация пневматического кривошипно-кулисного механизма смещена относительно пружинного кулисного механизма на угол q0.
Компоновка кривошипно-кулисного механизма с пневматическим цилиндром, совместно с кривошипно-кулисным механизмом с пружиной растяжения На первом участке работы в пределах угла поворота q движение выходного звена происходит под действием усилий пневматического цилиндра и усилия пружины. Момент нагрузки Мн определяется приведённым моментом инерции к выходному звену и приведённым моментом трения пружинного аккумулятора. В соответствии с теоремой Эри работа пневматического цилиндра на угле поворота д определяется в соответствии с формулой (3.1).
Определим геометрическую первую передаточную функцию кривошипно-кулисного механизма, образованного пневматическим цилиндром и выходным звеном пружинного аккумулятора.
Для пружинного аккумулятора с выходным поворотным звеном и синусной моментной характеристикой угловая скорость выходного звена q определяется из уравнения q= \--2rsin1 ] (3.9) Как было показано в главе 2, моментная характеристика отличается от синусной не более чем на 10% при 1 а 1,2.
Примем, что моментная характеристика пружинного аккумулятора близка к синусной. Тогда, подставив в уравнение (3.6) значение q, получим выражение для скорости пневматического цилиндра агг sin q-2r с q Ьш= . w " .sin (3.10) l . э л/ / 2 \a +rz -2a1 cosq Так как время перемещения определяем интегральным уравнением (2.11), то формула для определения времени примет вид J-4c q J/ J0 5ітй (3 ) Так как при проектировании привода заданными величинами являются время t и момент инерции J, то из уравнения (3.11) получим
График изменения скорости штока пневматического цилиндра в зависимости от угла поворота поворотного рычага при различных значениях а" показан на рисунке 3.12. .Mi 30 360 0,4 т 0,2 0,0 График изменения скорости штока пневматического цилиндра в зависимости от угла поворота поворотного рычага при различных значениях а"
Для определения величины угла q из уравнения (3.6) получим выражение для определения угловой скорости выходного звена в зависимости от скорости штока пневматического цилиндра
Определим угловую скорость выходного звена кривошипно-кулисного механизма с пружиной и гибким элементом. Удлинение пружины равно: ALnp = Jr2 + a2 + 2arcosq0. (3.18) Тогда начальная потенциальная энергия VH равна VH = і с (г2 + а2 + 2arcosq0) (3.19) Потенциальная энергия пружинного аккумулятора в момент прохождения угла q определяется из выражения: Vq = -2с (г2 + а2 + 2arcos(q0 + q )) (3.20) Уравнение полной механической энергии привода при прохождении угла q имеет вид Ун -Vq = — или -c(r2 + a2 + 2arcosq0)--c (г2 + а2 + 2arcos(q0 + g )) = (3.21)