Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование рабочих процессов в технологическом оборудовании и средствах грузопереработки, с целью определения областей применения пружинных механизмов 11
1.1. Анализ технологических процессов с целью исследования целесообразности использования пружинных механизмов 11
1.2. Анализ работ по рекуперативным приводам 12
1.3. Анализ рабочих операций для определения областей применения рекуперативных приводов 19
1.4. Шаговый привод поворота в технологическом оборудовании 20
2. Исследование шагового рекуперативного привода исполнительных устройств робототехнических систем 24
2.1. Анализ конструктивных особенностей шаговых поворотных рекуперативных приводов 24
2.2. Построение и анализ моментных характеристик элементов ШРП 32
2.3. Исследование свойств шаговых рекуперативных приводов 46
2.3. Исследование свойств шаговых рекуперативных приводов 47
2.4. Определение времени поворота при ограничении ускорения 56
2.5. Определение требуемой жесткости пружины для однопружинного нелинейного аккумулятора при заданном времени поворота 58
2.6. Определение времени поворота или жесткости пружины для пружинного аккумулятора с углом поворота шагового двигателя Цпов — Л 59
2.7. Определение начального угла смещения относительно положения неустойчивого равновесия для нереверсивного шагового привода 62
2.8. Сравнительный анализ ШРП с различными ПА 64
2.9. Сравнительный анализ энергозатрат ШРП с синусной моментной характеристикой, двигателя, работающего в режиме постоянного ускорения и двигателя, работающего с законом движения q = asinq 65
2.10. Энергетические расчеты цикловых механизмов 69
3. Применение энергосберегающих систем в средствах грузопереработки ... 76
3.1. Анализ конструкции подъемного стола с рекуперацией энергии 77
3.2. Исследование приводов, применяемых в подъемных механизмах, их зависимостей и характеристик 82
3.3. Применение пружинных аккумуляторов в средствах грузопереработки 94
3.4. Расчет основных параметров подъемных столов и пружинных приводов, применяемых в них 98
3.5. Исследование колебаний системы грузоподъемного стола с пружинным приводом и разработка системы управления 101
3.6. Пружинный механизм с постоянным усилием 107
3.7. Пружинный механизм с «обратной» линейной характеристикой 108
3.8. Определение усилия поршня при заданной производительности, допустимом ускорении и ограниченной скорости 110
4. Стабилизаторы расхода жидкостей 112
4.1. Анализ работ по стабилизаторам расхода жидкостей 112
4.2. Разработка и исследование пружинного стабилизатора расхода жидкости 115
Основные результаты работы и выводы 126
Список статей, опубликованных автором 127
Литература 127
- Анализ работ по рекуперативным приводам
- Построение и анализ моментных характеристик элементов ШРП
- Применение пружинных аккумуляторов в средствах грузопереработки
- Разработка и исследование пружинного стабилизатора расхода жидкости
Введение к работе
Важнейшей экономической задачей является снижение энергозатрат в производстве. Одним из перспективных способов уменьшения энергоемкости является применение пружинных механизмов, позволяющих использовать или кинетическую энергию движущихся масс механизмов, или накопленную потенциальную энергию грузов. В некоторых случаях пружинные механизмы позволяют упростить конструкцию и. уменьшить массогабаритные характеристики.
Анализ технологических процессов в различных отраслях промышленности, которые осуществляются с помощью различных робототехнических систем, позволил выделить в них три группы, где целесообразно применять энергосберегающие технологические устройства, сконструированные на основе пружинных механизмов или аккумуляторов.
В первую очередь, это транспортные системы, работающие в шаговом режиме, конвейерные системы и карусельные машины с шаговым приводом и загрузочно-разгрузочные устройства с возвратно-качательным движением.
Второй областью применения являются технические средства для грузопереработки, связанные с загрузкой и разгрузкой технологического оборудования, укладкой грузов на поддоны или их разборки. Предложены схемы рычажных грузоподъемных платформ, обеспечивающих автоматическую стабилизацию горизонтальной плоскости укладки грузов за счет применения специальных моментных загружателей. В этих системах удаётся вообще избежать применения привода и, соответственно, затрат энергии.
Третьим направлением является использование пружинных механизмов для получения нагрузочных устройств, с требуемыми силовыми характеристиками. В качестве примера можно привести следующее оборудование с использованием пружинных механизмов:
1. Стабилизатор расхода жидкости
Пресс для сыра
Пресс для формовки свинины
Поджим творога в фасовочном автомате
Пружинные механизмы с «обратной» характеристикой
Пружинные ограничители усилия.
Классификация пружинных аккумуляторов и областей применения представлена на схеме, приведенной ниже.
Пружинные аккумуляторы
Нелинейные
Линейные
Поворотные столы
Механизмы возвратно-качательного движения
Грузоподъемные столы
Синусная
нагрузочная
характеристика
Устройства с заданными
силовыми
характеристиками
Пружинные стабилизаторы расхода жидкостей
Постоянная нагрузочная характеристика
Постоянная нагрузочная характеристика
«Обратная»
нагрузочная
характеристика
В связи с этим, первой задачей, которая поставлена в диссертационной работе, является исследование и анализ рабочих операций в различном технологическом оборудовании и средствах грузопереработки, с целью определения областей применения пружинных механизмов.
Второй задачей является исследование свойств пружинных приводов, обеспечивающих пошаговый режим.
Третьей задачей является исследование энергосберегающих систем в средствах грузопереработки.
Четвертая задача посвящена проблеме использования линейных пружин в системах розлива.
В рамках представленной к защите диссертации выполнен следующий ряд работ:
Анализ технологических процессов с целью выявления наиболее характерных задач, в которых могут использоваться те или иные пружинные механизмы.
Разработаны технологические требования к пружинным механизмам различного назначения.
Разработаны новые конструкции исполнительных пружинных механизмов и исследованы их свойства.
Основные положения, выносимые на защиту:
- технологические требования к исполнительным механизмам
робототехнических комплексов по ограничению мощности могут быть реализованы с помощью рекуперативных пружинных механизмов;
- в различных средствах грузопереработки снижение энергозатрат может
быть достигнуто с помощью использования нелинейных пружинных
аккумуляторов.
Актуальность темы. В современных робототехнических комплексах и системах чаще всего используются роботы с цикловым программным управлением в режимах пошагового выполнения отдельных движений и управляемого выстоя. Такие режимы работы характеризуются высокими пиками потребляемой мощности, большими энергозатратами, вызванными необходимостью разгона и торможения инерционных масс звеньев, рабочих органов и объектов обработки, причем с увеличением производительности происходит резкое повышение энергозатрат. В цикловых промышленных роботах задача снижения энергозатрат в принципе решается с помощью
рекуперативных приводов возвратно-качательного и возвратно-поступательного движений. Однако в робототехнических системах всегда требуется применение другого различного технологического оборудования. Часто в них исполнительные устройства работают в шаговом режиме, например, транспортно-накопительные системы, поворотные столы и т.д., причем движение осуществляется только в одном направлении.
Иногда возможна замена возвратно-качательных движений на шаговое круговое движение, что в свою очередь повышает производительность за счет исключения возвратного движения. Во всех случаях проблема снижения энергозатрат остается актуальной. В частности, в робототехнических комплексах по грузопереработке абсолютно неоправданной является диссипация энергии в приводах грузоподъемных платформ.
Развитие мехатроники показывает, что при синтезе новейших достижений микропроцессорной техники и механики можно получить интересные и оригинальные решения, в частности по энергосбережению.
Материал данной диссертации объединен идеей значительного снижения мощностей и энергозатрат в исполнительных механизмах роботов и робототехнических систем на базе использования линейных и нелинейных пружинных аккумуляторов при обеспечении всех традиционных технологических требований. В силу всего сказанного выше тема данной диссертации представляется актуальной.
Цель работы. Целью диссертации является разработка научных основ методик расчета и проектирования новых исполнительных устройств робототехнических систем на базе пружинных аккумуляторов механической энергии.
Для достижения указанной цели в диссертации поставлены следующие основные задачи исследования:
- исследование и анализ рабочих операций в технологическом оборудовании и средствах грузопереработки, с целью определения областей
применения пружинных механизмов;
исследование свойств рекуперативных пружинных приводов, выполненных по различным схемам и обеспечивающих шаговый режим;
построение обобщенной математической модели и теоретическое исследование шагового привода на основе пружинных аккумуляторов для поворотных столов;
исследование влияния конструктивных элементов пружинных аккумуляторов на законы движения и эксплуатационные характеристики исполнительных устройств;
разработка методик расчета параметров шаговых рекуперативных приводов по заданным исходным данным;
разработка и исследование энергосберегающего автоматического оборудования в средствах грузопереработки;
построение математической модели и теоретическое исследование стабилизатора расхода жидкости с использованием пружинных элементов.
Научная новизна.
построена обобщенная математическая модель рекуперативного шагового привода на основе пружинных аккумуляторов;
исследованы свойства рекуперативного шагового привода на основе пружинных аккумуляторов, разработана методика его расчета с учетом допустимых ускорений и скоростей соударений;
обосновано использование пружинных аккумуляторов на основе линейных пружин растяжения с целью снижения энергозатрат и получения заданных силовых характеристик в средствах грузопереработки;
построены математические модели пружинных механизмов с характеристиками различных типов;
построена математическая модель стабилизатора расхода жидкости с использованием пружинных элементов.
В первой главе исследованы рабочие процессы в технологическом
оборудовании и средствах грузопереработки, с целью определения областей применения пружинных механизмов и исследования целесообразности их использования.
Проведен анализ литературы по рекуперативным приводам, вследствие чего можно сделать вывод о том, что рекуперативные приводы получили распространение в цикловых промышленных роботах, но ни в технологическом оборудовании, ни в транспортных системах рекуперативный шаговый привод не применяется.
При проведении анализа различных шаговых приводов, применяемых в технологическом оборудовании, выявлены следующие технические характеристики необходимые для выбора или расчета шагового привода:
угол поворота;
время поворота;
допускаемые ускорение и максимальная скорость для поворотных столов;
допускаемая максимальная скорость при остановке;
наличие или отсутствие управляемого выстоя.
Во второй главе предложены новые конструкции шагового рекуперативного привода (ШРП) нереверсивного и реверсивного на базе нелинейных пружинных аккумуляторов, с углом поворота 180 и 360 градусов для поворота упаковочных машин.
Для элементов ШРП построены моментные характеристики, необходимые для определения его быстродействия, такие как перестановочный момент пружинных аккумуляторов, перестановочный момент от пневмо- или гидродвигателя и приведенный момент трения в шарнирах.
Разработана методика определения максимальных допустимых ускорения и скорости соударения для ряда жидких и вязких продуктов, что позволило определить требования к механизмам перемещения упаковочных машин, обеспечивающих отсутствие выплескивание продукта.
Определено соотношение между жесткостью пружин и требуемым временем поворота, также из условия отсутствия выплескивания.
Произведен сравнительный анализ энергозатрат, показывающий, что применение таких приводов позволяет существенно уменьшить энергоемкость.
В третьей главе произведен анализ приводов, применяемых в различных подъемных механизмах их зависимостей и характеристик. Определены и проанализированы направления в средствах грузопереработки, где целесообразно применение пружинных аккумуляторов.
Произведен расчет основных параметров подъемных столов и пружинных приводов применяемых в них.
Показана возможность создания пружинных механизмов, аналогов пружин сжатия или растяжения с «обратными» характеристиками, позволяющих, например, в тестоделительных машинах компенсировать недостаточное усилие для выдавливания теста, а также пружинных механизмов с прямолинейным движением выходного звена и постоянным рабочим усилием.
В четвертой главе рассмотрены различные варианты стабилизаторов расхода жидкости и произведен анализ их достоинств и недостатков.
Предложены различные конструкции стабилизаторов расхода жидкости, с использованием упругих элементов, отличающиеся простотой конструкции и исследованы их точностные характеристики.
Методы исследования. При разработке математических моделей и проведении расчетов исполнительных устройств робототехнических систем использовались методы теоретической механики, теории колебаний, теории механизмов и вычислительной математики.
Разработанные методы анализа и синтеза технических устройств с рекуператорами энергии могут быть положены в основу САПР оборудования роботизированных систем и комплексов, обеспечивающих значительное энергосбережение и снижение потребной мощности приводов.
Анализ работ по рекуперативным приводам
В основу построения приводов с рекуперацией энергии положено использование свойств колебательных систем, когда энергия, затраченная на разгон инерционной массы, из кинетической переходит в потенциальную и наоборот. Такой привод должен быть оснащен аккумуляторами механической энергии и управляемыми фиксаторами. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 60].
Создание таких приводов вызвано, главным образом, необходимостью увеличения быстродействия, большими, по сравнению с традиционными, техническими возможностями, при сравнительной простоте их конструкций и невысокой стоимости. Известно, что повышать быстродействие системы путем увеличения мощности приводного двигателя рационально лишь до определенного предела. Это обусловлено тем, что в качестве ограничений при выборе привода выступают его массогабаритные показатели и потребляемая мощность. Выбор двигателя по критерию максимума быстродействия без дополнительных ограничений приводит к необходимости иметь двигатель с бесконечно большой мощностью, а в случае использования электродвигателя и редуктор с бесконечно большим передаточным отношением [27]. Причем основная энергия двигателя расходуется на разгон системы, а затем рассеивается на демпферах и упорах. С увеличением быстродействия требования к прочностным и энергопоглощающим характеристикам этих элементов ужесточаются.
В рекуперативных приводах обеспечиваются такие важные выходные характеристики, как плавность разгона и торможения и выход на упоры практически с нулевой скоростью, что устраняет необходимость в демпферах.
Такой эффект достигается за счет особенностей построения привода. Промышленные роботы, привод которых построен с использованием идей рекуперации энергии [12, 13, 27, 45] имеют при одинаковом быстродействии существенно меньшую мощность двигателя.
В работах [27, 45] приводятся описания и основы построения рекуперативного привода цикловых промышленных роботов (ПР) с использованием электродвигателя. Рассмотрим его в качестве примера.
На рис. 1.2.1 представлена схема указанного привода, который включает аккумулятор механической (потенциальной) энергии в виде упругого элемента (пружины) 1 с жесткостью С, вместо демпферов упоров установлены управляемые упоры-фиксаторы 2. При среднем положении подвижной массы 3 между упорами-фиксаторами пружина 1 находится в свободном состоянии, и ее усилие Cq = 0. В начальном положении система поджимается к упору-фиксатору усилием Cqa, где qa - амплитуда перемещения массы 3. По команде на выполнение движения магнит фиксатора убирает упор, и масса 3, под действием усилия Cqa, начинает разгоняться, переводя потенциальную энергию упругого элемента в кинетическую энергию массы. После прохождения среднего положения (# = 0) масса 3 начинает тормозиться в результате обратного перехода ее кинетической энергии в потенциальную энергию пружины. Если бы не было трения, то масса 3 достигла бы симметрично установленного второго фиксатора, и ее скорость в этом положении была бы равна нулю, наличие же трения в системе обусловливает необходимость установки электродвигателя 4. Таким образом, в предлагаемой системе двигатель используется не для разгона инерционных масс (на что в традиционных системах затрачивается основная мощность), а только для компенсации потерь на трение. Поэтому рекуперативные приводы отличаются от традиционных существенно меньшей мощностью двигателей, причем быстродействие от нее не зависит. При такой организации системы автоматически обеспечивается плавность разгона и торможения, их симметрия относительно среднего положения, что уменьшает нагрузки в системе и обеспечивает выход на упоры практически с нулевой скоростью.
Методика расчета описанного рекуперативного привода приведена в работе [45]. Здесь важно, что за счет согласования направления моментов двигателя и скорости движения звена, т.е. организации системы со свойствами автоколебаний, работа двигателя всегда будет равна работе сил трения. Выбор параметров привода одной степени подвижности осуществляется из этого условия. Установлено, что быстродействие системы определяется собственными динамическими свойствами механического колебательного контура.
Построение и анализ моментных характеристик элементов ШРП
Анализ работы ШРП показывает, что для определения его быстродействия необходимо знать перестановочный момент пружинных аккумуляторов, перестановочный момент от пневмо- или гидродвигателя и приведенный момент трения в шарнирах. 1. Моментная характеристика пружинного аккумулятора с одной точкой неустойчивого равновесия. Зависимости момента от параметров закрепления пружин представлены нарис.2.2.1. При анализе конфигураций этих зависимостей можно сделать вывод, о том, что в дальнейшем в первом приближении можно применять синусные характеристики. Построим зависимость перестановочного момента Mnep(qx) пружинного аккумулятора при различных параметрах закрепления пружин, которая представлена на рис.2.2.3. 4. Приведенный момент трения в шарнирах. Суммарный момент трения в шарнирах обусловлен тремя составляющими: силы трения от силового воздействия пружинного аккумулятора. силы трения от центробежных сил (вообще они должны учитывать суммарный момент сил трения). силы трения от силового воздействия пневмо- или гидроцилиндра. Рассмотрим рис. 2.2.5. Приведенный момент трения в шарнирах пружинного аккумулятора найдем из уравнения мгновенных мощностей: Тогда принимая, что шарниры закрепления пружин идентичны по конструктивному исполнению и момент трения в них равен: Компенсация диссипативных сил в идеальном случае обеспечивается тем, что работа сил компенсирующего привода Апр равна работе сил трения Атр. Для надежной работы привода и обеспечения точности позиционирования целесообразно обеспечить Лпр Атр (2.2.1) Тогда, если имеется система фиксации, например, жесткий упор, можно найти скорость соударения, которая также ограничивается возможностью выплескивания продукции. Разность работ привода и сил трения позволяет найти кинетическую энергию в точке позиционирования Лд прЧсоуд = А-Атр (2.2.2) 2 При использовании стопорных устройств из формулы (2.2.2) можно . 2АА найти скорость соударения при остановке qcoyd = V Jnp Если известно значение [q] из условия отсутствия выплескивания, то можно найти допускаемое М., что в некоторых случаях позволяет уменьшить время цикла и, следовательно, повысить производительность.
Регулирование скорости соударения или работы компенсирующего цилиндра может обеспечиваться (настраиваться) или временем переключения, или изменением установки датчиков переключения, или изменением подводимого давления к цилиндрам. Алгоритм управления и моментные характеристики для нереверсивного шагового привода с углом поворота 360 представлены на рис.2.2.9. Работа такого привода характеризуется двумя режимами, которые описываются нелинейными дифференциальными уравнениями: На рис. 2.2.10 представлены алгоритм управления и моментные характеристики реверсивного шагового привода с углом поворота 360. Работа реверсивного шагового привода с углом поворота 360 характеризуется тремя режимами, которые также описываются нелинейными дифференциальными уравнениями: Алгоритм управления и моментные характеристики реверсивного шагового привода с углом поворота 180 представлены на рис.2.2.12. Его работа описывается нелинейными дифференциальными уравнениями и характеризуется тремя режимами: Для реверсивного шагового привода с углом поворота 180 работа цилиндра ЦІ должна быть равна работе цилиндра Ц2. В этом случае с учетом теоремы Эри можно считать, что время движения будет определяться из условия отсутствия сил трения. Алгоритм управления и моментные характеристики реверсивного шагового привода с углом поворота 180 при вращении "по часовой стрелке - против часовой стрелки" показаны на рис.
Применение пружинных аккумуляторов в средствах грузопереработки
При укладке штучного товара на поддон большое количество времени тратится на перемещение штучного товара в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Рассмотрим первый случай укладки штучного товара на поддон в несколько слоев (рис.3.3.1). Робот или человек, который укладывает штучный товар на поддон, совершает каждый раз разную траекторию движения. Скорость перемещения груза (штучного товара) одинаковая, следовательно, время на укладку каждого из товаров разное. Сначала совершается движение 1 параллельно поверхности поддона, затем движение 2 перпендикулярно поверхности поддона и каждый раз траектория движения будет разной. Чтобы исключить перемещение в вертикальной плоскости, можно использовать подъемный стол. Когда первый слой будет уложен, стол должен опуститься на высоту груза (слоя) (рис.3.3.2). Эту задачу можно решить двумя способами. Первый способ заключается в следующем. Подъемный стол снабжается электромеханическим или гидравлическим приводом и системой управления, обеспечивающей опускание и подъем платформы на требуемую высоту.
Второй способ состоит в снабжении подъемного стола пружинами сжатия, расположенными вертикально, причем их жесткость подбирается таким образом, что при укладке одного слоя, платформа опускается на высоту этого слоя (рис.3.3.2).
В первом случае к недостаткам надо отнести сложность конструкции и затраты энергии, определяемые массой груза и рабочей высотой.
Во втором случае удается полностью избежать затрат энергии, но резко возрастают вертикальные габариты.
В связи с этим несомненный интерес представляет разработка новых подходов при конструировании подъемных платформ, в которых полностью отсутствуют затраты энергии, а сами платформы остаются в традиционном исполнении со свойственными им габаритными характеристиками. рычажную конструкцию, при складывании имеют достаточно небольшой габарит и в тоже время требуют наличия двигателя и, соответственно, затрат энергии.
В современном производстве можно выделить класс рабочих операций, в которых перемещение по вертикали осуществляется при следующих условиях:1. Движение вниз с увеличением массы.2. Движение вверх с уменьшением массы.3. Движение вверх- вниз с постоянной массой.4. Движение вверх- вниз с разной массой.
К первому случаю относятся рабочие операции, связанные с загрузкой поддонов, контейнеров, корзин для стерилизации консервов. При этом технически целесообразно, чтобы при послойной загрузке приблизительно на одном уровне оставался верхний слой. На рис.3.3.3 показана схема устройства для послойной загрузки и разгрузки корзины при стерилизации консервов. В то же самое время существуют конструкции подъемных столов для пакетирования грузов на поддонах.
Во втором случае решается обратная задача - разборка пакетов грузов, уложенных на поддон, разгрузка контейнеров или корзин для стерилизации.
Примером технического решения, объединяющих первых два случая являются накопители тарелок в системе общественного питания (рис.3.3.4а). Особенностью системы является то, что раздатчица всегда забирает тарелку практически с одного уровня. Причем стабилизация расположения тарелки происходит автоматически, если правильно подобрана жесткость пружины.
Если шаг расположения тарелок t, а масса одной тарелки т, число тарелок п, тогда характеристика пружины должна подчиняться системы следует отнести размеры по высоте, которые оказываются достаточно большими. Например, если задан уровень Н съема тарелок, то высота вместимости накопителя равна приблизительно Н/2. Использование всей высоты возможно при применении пружин растяжения и плоскостных механизмов.
Разработка и исследование пружинного стабилизатора расхода жидкости
При исследовании механизмов подъема, применяемых в грузоподъемных столах, был предложен один из следующих способов, который состоит в том, чтобы снабдить подъемный стол пружинами сжатия, расположенными вертикально, причем жесткость их подбирается таким образом, что при укладке одного слоя платформа опускается на высоту этого слоя. Этот способ натолкнул на мысль о возможности использования этого решения при проектировании устройств для стабилизации расхода жидкости. Ниже представлены, предложенные автором различные типы дозаторов в виде стабилизаторов расхода жидкости с использованием пружин. Схема одного из таких вариантов предложена на рис.4.2.1. Рис.4.2.1. На рис.4.2.2 представлено принципиальное решение пружинного стабилизатора расхода жидкости. Сосуд с постоянным поперечным сечением по высоте, подвешен на пружинах с суммарной жесткостью с. Нижняя часть сосуда с помощью гибкого шланга, имеющего внутренний диаметр d2, соединена со сливным отверстием диаметром d. Этот случай прост с точки зрения минимального количества элементов, расчета и простейшей математической модели. Причем в этом случае возможно несколько линий отбора жидкости, в каждом из которых в зависимости от размеров диаметра сливного отверстия, будет своя расходная характеристика. Если задана жесткость с, то можно определить диаметр емкости стабилизатора. На рис.4.2.3 показано два состояния стабилизатора: на рис.4.2.3а сосуд наполнен жидкостью до уровня с высотой h от днища, а на рис.4.2.3б в стабилизаторе жидкость находится только в сливной трубе вровень с днищем. С с где zz - высота подвески пружин so — первоначальная длина пружин то - масса сосуда плюс масса сливной трубы, заполненной жидкостью. Когда жидкость находится в сливной трубе (рис.4.2.3б), высота столба жидкости определяется по формуле (4.2.2): Очевидно, что рассматриваемый стабилизатор расхода жидкости Максимальное значение собственной частоты системы имеет место при опорожненном сосуде: Максимальный период колебаний равен Г0тах = 2щ — ї S Возможны несколько вариантов использования стабилизатора расхода жидкости, некоторые из которых представлены выше. На рис.4.2.4 представлена система, обеспечивающая постоянный расход на выходе при опорожнении сосуда большого объема. В этом случае необходимо определение размеров сосуда стабилизатора при заданных размерах основной емкости. Размеры сосуда стабилизатора (рис.4.2.4) Fc и Нс определим из условия, что при начале опорожнения основной емкости QH QP, а при окончании опорожнения Q0 Qp \GBux Рис.4.2.4. Примем, что когда основная емкость будет опорожнена наполовину, сосуд стабилизатора будет полностью заполнен и с этого момента расход продукта из нижней половины основной емкости будет меньше расхода из стабилизатора, и высота уровня жидкости в сосуде стабилизатора начнет снижаться. Максимальный и минимальный расходы жидкости из основной емкости соответственно равны: Расход жидкости, когда бак заполнен наполовину, равен:
Средний расход жидкости в промежуток времени, когда происходит опорожнение верхней половины основной емкости, равен: Как видим, средние расходы, обуславливающие наполнение и опорожнение сосуда стабилизатора расхода жидкости равны и наполнение и опорожнение будет происходить в одно и тоже время. На рис.4.2.1 стабилизатор установлен в линии с переменным расходом, как правило, с неопределенным законом изменения. В этом случае также необходимо определять размеры сосуда стабилизатора. Регулирование расхода можно вести двумя способами: 1. изменением диаметра сливного отверстия, 2. регулированием высоты Н (рис.4.2.5). При этом формула для определения расхода будет выглядеть следующим образом: Qp=jufj2g(H + AH) Определим соотношение объемов основной емкости W& и емкости стабилизатора Wc (рис.4.2.6). Время опорожнения основной емкости равно Расход стабилизатора должен быть равен расходу жидкости из основной емкости, когда уровень жидкости находится на уровне, соответствующему наполовину заполненной основной емкости (рис.4.2.6) Средний расход жидкости из основной емкости, соответствующий фазе подъема уровня жидкости в емкости стабилизатора равен Также возможна задача определения необходимого объема стабилизатора Wc при непостоянстве расхода жидкости на входе в стабилизатор. В частных случаях, когда есть информация о законах непостоянства подачи, задача может быть решена. В тех случаях, когда информация о непостоянстве расхода отсутствует, стабилизатор расхода снабжается датчиком, отключающим подачу при достижении корпуса стабилизатора нижнего положения, когда емкость стабилизатора наполняется полностью. На рис.4.2.9 представлен стабилизатор расхода жидкости. Его принципиальное отличие состоит в следующем. Сливной шланг заменен гофрированной трубой достаточно большого диаметра. Диаметр сливного отверстия намного меньше диаметра гофрированной трубы. . Жидкость подается в стабилизатор из изогнутой трубы. Бак закреплен на пружине определенной жесткости. До наполнения бака сливное отверстие перекрыто. После подачи воды через изогнутую трубу, гофрированная труба, а затем и бак начинают постепенно заполняться жидкостью. При этом пружина, поддерживающая стабилизатор, растягивается, гофрированная труба сжимается, а бак постепенно опускается. При полном наполнении бака, клапан перекрывает подачу жидкости, при этом бак находится в нижнем положении. После того, как открывается вентиль, бак начинает опорожняться, при этом расход жидкости постоянен за счет использования данной конструкции
Похожие диссертации на Методы расчета и проектирования исполнительных устройств робототехнических систем на базе пружинных механизмов
