Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в связи с появлением новых материалов и технологий стало возможным создание оригинальных конструкций, которые могут быть применены в качестве силовых частей (СЧ) исполнительных двигателей (ИД) систем приводов (СП) линейного и углового перемещений. Усилия разработчиков, направленные на создание новых (нетрадиционных) силовых элементов, вызваны желанием получить силовую часть ИД, обладающую более выгодными техническими, эксплуатационными и экономическими показателями.
Большинство эксплуатируемых на сегодняшний день ИД линейного действия основываются либо на пневмо-, либо на гидроцилиндрах (Гамынин Н. С, Попов Д.Н., Башта Т.М., Дж. Блэкборн и др.). Разработка СП на их основе сравнительно несложна в связи с простым типом конструкции и наличием достаточно полных математических моделей подобных ИД. Однако, такие классические исполнительные механизмы, помимо достоинств, обладают и рядом недостатков. К основным недостаткам можно отнести сравнительно большую массу и трение в механизме. А высокое качество обработки внутренних поверхностей обуславливает значительную стоимость изделий. Объемные потери в таких механизмах прямо пропорциональны времени эксплуатации.
В настоящее время разработчиками предложены оригинальные конструкции, выполненные на базе силовых оболочковых элементах (СОЭ), которые могут быть применены в качестве силовых частей ИД. Эти конструкции позволяют получить ИД, обладающие более выгодными техническими, эксплуатационными и экономическими показателями по сравнению с ИД на силовых пневмо- или гидроцилиндрах.
Поскольку применение СОЭ невозможно без использования электропневматических дроссельных распределителей (ДР), то принимая во внимание принцип работы ИД на основе СОЭ, будем использовать технический термин - силовой бесштоковый пневмоцилиндр (СБПЦ) (рисунок 1).
I I I
Рисунок 1. Функциональная схема
СБПЦ.
ЭМУ - электромагнит управления;
ЗМ - золотниковый механизм;
Uy(Iy) - напряжение (ток)
управления; х, х , F - координата,
скорость и усилие на выходе СБПЦ
соответственно.
Попытки описания динамики работы
СОЭ уже предпринимались аспирантом БГТУ
«Военмех» им. Д.Ф. Устинова Липатовым А. А
в 2003 г. Однако достоверность полученных
результатов не достаточна в виду неучета
особых свойств сжатого газа. Существуют и
другие исследования на эту тему (Ching-
Ping Chou, Hannaford В, J. M. Yarlott,
H. M. Paynter и др.), но данные материалы далеко не всегда доступны к использованию в инженерных расчетах.
Корректное определение динамических процессов в СОЭ, связанных с изменением конфигурации оболочки, развиваемым ею
усилием и действующим давлением рабочей среды, требуют привлечения теории газодинамики. В противном случае пренебрежение особыми свойствами рабочей среды резко снижает достоверность динамических моделей СБПЦ, так как неучет сжимаемости газа, изменения его свойств в зависимости от температуры и давления, а также от вида процессов, обусловленных характером расширения газа (изотермический, адиабатический), не позволяет спрогнозировать выходные параметры СБПЦ в динамике, а, следовательно, не обеспечивает создание высококачественных СП.
Большинство монографий и статей (Черный Г. Г., Попов Д. Н. и др.), посвященных теории газодинамики, рассматривают вопросы движения тел в воздушной среде или течение газов в различных условиях и связанных с этим газодинамических процессов. При этом, как правило, предполагается рассмотрение некоторого малого объема среды (или нескольких объемов), для которого определяются плотность, скорость среды, внутренний момент количества движения, внутренняя энергия частицы и тензор напряжений (для описания механического напряженного состояния частицы). Такой подход не конструктивен для описания работы оболочкового СБПЦ, поскольку не дает возможности установить связь между значительной по величине входной координатой для СОЭ - объемным расходом среды через ДР - и выходными координатами СОЭ - изменением внутреннего объема оболочки, развиваемым усилием и величиной ее линейного сокращения.
Обобщая вышеизложенное, можно констатировать, что на данный момент отсутствует достаточно общая теория проектирования СП на базе оболочковых СБПЦ, что создает существенное препятствие для более широкого распространения СОЭ в технике. Таким образом, целью данной работы является теоретическое и расчетно-экспериментальное обоснование возможности применения СБПЦ на базе СОЭ типа пневматический мускул (ПМ) в различных областях техники, путем создания корректных математических моделей, пригодных для использования в инженерных расчетах при разработке современных высококачественных систем управления.
Для достижения указанной цели в диссертации необходимо решить следующие основные задачи:
разработать статическую математическую модель СЧ, позволяющую исследовать возникновение тянущих усилий, связь между их величиной с давлением внутри оболочки СОЭ и её сокращением;
разработать корректные динамические математические модели СБПЦ различных типов на базе СОЭ с учетом особенностей, связанных с применяемой в них рабочей средой - сжатым воздухом, обеспечив возможность их использования в инженерных расчетах;
разработать методики выбора СОЭ для СБПЦ различных типов, исходя из условий технического задания на проектирование системы управления;
оценить корректность разработанных динамических математических моделей оболочковых СБПЦ различного типа путем сопоставления их ЛАЧХ, полученных расчетным и экспериментальным путем;
показать перспективность создания высококачественных СП на основе оболочковых СБПЦ различных типов.
Методы исследования базируются на применении частотных методов теории автоматического управления, теоретической механики, элементов теории газодинамики, численных методов расчета и экспериментальных исследованиях.
Научная новизна, проведенных исследований, заключается в том, что впервые получены:
идентификация статических характеристик СОЭ типа ПМ на основе аналитического подхода;
квазистационарные динамические математические модели СЧ оболочковых СБПЦ различных типов, учитывающие влияние газодинамических процессов, протекающих в СЧ СБПЦ;
методика выбора и расчета статических характеристик СЧ оболочковых СБПЦ и параметров передаточных функций (ПФ) оболочковых СБПЦ по перемещению, возмущению и усилию.
Достоверность полученных результатов. Основные научные положения, выводы и рекомендации строго аргументированы и подтверждены экспериментально. Достоверность научных результатов основывается также на принятии корректных допущений и ограничений, строгих математических выкладках, широко используемых современных аналитических и численных методов исследований.
Практическая ценность, полученных в диссертационной работе результатов, заключается в том, что:
разработан стенд для проведения экспериментальных исследований и программное обеспечение, предназначенное для обработки полученных данных;
разработана программа для расчета ПФ СБПЦ различных типов;
предложена методика расчета и выбора СБПЦ различных типов, основанная на формализации ряда аналитических зависимостей, графиков и таблиц.
показана эффективность применения оболочковых СБПЦ в высококачественных СП для ряда областей техники
На защиту выносятся:
идентификация статических характеристик СЧ оболочкового СБПЦ на основе аналитического подхода;
процедура разработки квазистационарных линеаризованных динамических математических моделей СЧ СБПЦ различных типов с использованием элементов теории газодинамики, позволяющих учесть роль газодинамических процессов, протекающих в СЧ СБПЦ;
методика выбора СОЭ, являющихся СЧ СБПЦ;
специфика проведения эксперимента и сопоставление его результатов с теоретическими расчетами;
инженерная методика выбора и расчета статических характеристик СЧ оболочковых СБПЦ и числовых значений параметров ПФ оболочковых СБПЦ по перемещению, возмущению и усилию;
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на: международном научно-техническом семинаре "Робототехника. Взгляд в будущее" 10-11 марта 2010г., Санкт-Петербург, СПБГПУ; второй научно-технической конференции "Молодежь. Техника. Космос" 17-19 марта 2010 г., Санкт-Петербург, БГТУ "Военмех" им. Д. Ф. Устинова; 22-й межвузовской научно-технической конференции "Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов" 15 марта 2011 г., Петродворец, Санкт-Петербург, ВМИРЭ им. А. С. Попова; "Пятых Уткинских чтениях" 18-20 мая 2011 г., Санкт-Петербург, БГТУ "Военмех" им. Д. Ф. Устинова, четвертой научно-технической конференции "Инновационные технологии и технические средства специального назначения" 13-14 октября 2011 г., Санкт-Петербург, БГТУ "Военмех" им. Д. Ф. Устинова.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка используемой литературы, включающего 45 наименований и одного приложения. Работа содержит 177 страниц основного текста, (включая 36 таблиц и 88 рисунков) и 6 страниц занимает приложение.
