Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в качестве приводов современных технологических и транспортных машин все большее применение получают гидравлические и пневматические приводы с цикловым управлением. В частности, они используются в промышленных и транспортных роботах, автооператорах, металлорежущих станках, обрабатывающих центрах, гибких производственных модулях, координатных и поворотных столах, автоматических загрузочных устройствах и т.д. К основным преимуществам этих приводов можно отнести высокое быстродействие, относительную дешевизну и простоту конструкции и, как следствие, высокую надежность при эксплуатации.
Характерной особенностью гидропневмоприводов (ГПП) с цикловым управлением является позиционирование с помощью жестких переналаживаемых упоров. Использование упоров даёт возможность обеспечить высокую точность позиционирования, достигающую сотых и даже тысячных долей миллиметра, однако для обеспечения торможения, безударного останова и исключения отскока и колебаний исполнительных механизмов при наезде на упор необходимы демпфирующие устройства, обеспечивающие снижение скоростей движения перед позиционированием.
Как показал анализ, предлагаемые демпфирующие устройства имеют ряд недостатков, основным из которых является необходимость ручной настройки при изменениях скоростей движения и нагрузок ГПП с цикловым управлением, что ограничивает области их эффективного использования. В тоже время эффективным средством решения проблемы обеспечения точного позиционирования ГПП с цикловым управлением является использование гидравлических демпфирующих устройств, которые позволяют изменять силы сопротивления движению при изменении условий эксплуатации. Однако известные конструкции этих устройств обеспечивают торможение лишь в одном направлении движения ГПП с цикловым управлением.
В настоящей работе поставлена задача разработки принципов создания и исследования гидравлических демпфирующих устройств, обладающих свойствами самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок гидропневмоприводов с цикловым управлением и обеспечивающих торможение исполнительных механизмов в противоположных направлениях движения.
Объект исследования – гидравлические и пневматические приводы с цикловым управлением.
Предмет исследования – гидравлические демпфирующие устройства, обеспечивающие торможение гидропневмоприводов перед жесткими упорами.
Целью диссертационной работы является разработка принципов создания и исследование гидравлических демпфирующих устройств двухстороннего действия, обладающих свойствами самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок гидропневмоприводов с цикловым управлением.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Обзор и систематизация способов и средств торможения ГПП с цикловым управлением;
2. Выбор и обоснование конструктивной схемы гидравлического демпфирующего устройства, обладающего свойствами самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок ГПП с цикловым управлением;
3. Разработка математической модели и методики расчета основных параметров самонастраивающихся гидравлических демпфирующих устройств (СГДУ);
4. Разработка алгоритмов и программ автоматизированного расчета, конструирования и моделирования СГДУ;
5. Создание опытного макета СГДУ для пневматического промышленного робота с цикловым управлением и экспериментальные исследования его эффективности.
Методика исследования и решения поставленных задач:
В работе проводились аналитические, численные и экспериментальные исследования. Аналитические исследования основывались на методах теоретической механики, машиноведения, гидродинамики и прикладной теории колебаний. При численных расчетах и моделировании использовались пакеты прикладных программ MATLAB 7.0, Ansys и Autodesk Inventor. Экспериментальные исследования проводились с помощью высокоточного лазерного виброметра, снабженного компьютерными программами обработки результатов измерений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Принципы создания гидравлических демпфирующих устройств двухстороннего действия, обладающих свойствами самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок гидропневмоприводов с цикловым управлением;
2. Аналитические зависимости и методика расчета основных конструктивных параметров СГДУ;
3. Алгоритмы и компьютерные программы определения конструктивных размеров и проверки на прочность основных элементов СГДУ;
4. Алгоритм и компьютерная программа 3-D моделирования для виртуальной отработки составных элементов гидравлических демпфирующих устройств;
5. Результаты экспериментальных исследований работоспособности и эффективности применения СГДУ для конкретной модели ГПП с цикловым управлением.
Научная новизна работы:
1. Разработаны принципы создания гидравлических демпфирующих устройств двухстороннего действия, обладающих свойствами самонастройки к изменениям скоростей движения и нагрузок ГПП с цикловым управлением;
2. Предложены аналитические зависимости и инженерная методика расчета основных конструктивных параметров СГДУ двухстороннего действия;
3. Разработаны алгоритм и компьютерная программа определения конструктивных размеров основных элементов СГДУ, позволяющая производить автоматизированный расчет и оптимизацию параметров предложенных конструкций демпфирующих устройств;
4. Предложены алгоритм и программа 3-D моделирования, обеспечивающие возможность компьютерной отработки основных конструктивных параметров демпфирующих устройств на этапе эскизного проектирования, до создания опытных образцов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций в диссертационной работе подтверждается теоретически и экспериментально. Научные положения подтверждены совпадением результатов аналитических исследований с результатами, полученными при математическом моделировании, использованием широко известных и апробированных программных средств компьютерного моделирования и инженерного анализа и экспериментальным подтверждением работоспособности и эффективности предложенной конструкции демпфирующего устройства.
Практическая ценность полученных результатов исследования:
1. Предлагаемые конструкции гидравлических демпфирующих устройств могут быть использованы для обеспечения позиционирования гидропневмоприводов с цикловым управлением с помощью жестких упоров, например, пневматических промышленных роботов, автооператоров, автоматических загрузочных устройств и т.п.;
2. Применение СГДУ дает возможность исключить ручную настройку и повысить производительность, точность и надежность работы ГПП с цикловым управлением в условиях изменения нагрузок и скоростей движения;
3. Созданные программные комплексы могут быть использованы при автоматизированном проектировании СГДУ для гидропневмоприводов с цикловым управлением различного назначения.
Практическое использование результатов диссертации.
Научные результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» и ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I, II-ой и III-ей Всероссийской научной конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (ИрГТУ, г. Иркутск, апреля 2011-2013г.); на IV-ой международной конференции «Математика, ее приложения и математическое образование» МПМО’ 11 (ВСГТУ, г. Улан-Удэ, 27 июня - 1 июля 2011г.); на IV-ой Научной конференции «Клуба Машиноведения и Динамики» (Вьетнам, г. Ханой, 15 октября 2011г.); на V-ой международной конференции «Проблемы механики современных машин» (ВСГУТУ, г. Улан-Удэ, 26 июня - 01 июля 2012г.); на XI-ом «Международный Форум студентов, аспирантов и молодых учёных стран Азиатско-Тихоокеанского региона» (г. Владивосток, 14-17 мая 2012г.); на Международной заочной научно-практической конференции «Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты» (г. Тамбов, 30 апреля 2012г.); на XI и XII-ой Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Механики XXI веку» (БрГУ, г. Братск, 2012 и 2013г.).
Публикации. Основные научные и практические результаты работы изложены в 17 статьях, включая 5 публикаций из перечня научных журналов, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение и 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка литературы из 150 наименований и четырех приложений. Объем работы составляет 145 страниц машинописного текста; в ней 98 рисунка и 5 таблиц.
