Введение к работе
Проблема и ее актуальность.
Повышение надежности, производительности, точности и качества обработки, возможность гибкой программной перестройки, снижение энергозатрат при производстве продукции, постоянное обновление элементной базы являются важнейшими критериями развития и совершенствования машиностроительного производства. Решение таких задач может быть достигнуто, в частности, совершенствованием гидравлических приводов и электрогидравлических систем автоматического управления (САУ) и систем автоматического контроля (САК) технологическими процессами.
В авиационной, автомобильной, судостроительной и другой технике обеспечение конкурентоспособности на внутреннем и международном рынках САУ и САК гидро-фицированным технологическим оборудованием (ГТО) обусловлено улучшением качественных показателей САУ и САК (повышение быстродействия и чувствительности к управлению, снижение энергопотребления и требований к степени очистки рабочей жидкости, расширение диапазонов и повышение точности регулирования расходов и давлений рабочих жидкостей, унификация и сужение номенклатуры элементной базы). Повышение надежности, производительности, точности и качества обработки, возможность гибкой программной перестройки, снижение энергозатрат при производстве продукции, постоянное обновление элементной базы являются важнейшими критериями развития и совершенствования машиностроительного производст-
ва.
Для современного машиностроения характерны такие направления развития, как увеличение степени автоматизации, повышение рабочих параметров (нагрузки, скорости, температуры) машин, точности их функционирования и эффективности работы (производительности, мощности, КПД). Особенно это актуально для станков с ЧПУ, автоматических линий и промышленных роботов с системами путевого, временного или комбинированного программного управления гидроприводами.
Патентный и литературный анализ существующих технических решений по электрогидравлическим регулирующим и измерительным устройствам, а также электромагнитным индукторам магнитного поля показал, что классические электромагнитные исполнительные элементы ГТО обладают значительной энергетической избыточностью при управлении потоками рабочих жидкостей. Это связано, в первую очередь, с тем, что механические управляющие устройства (заслонки, якоря, золотники) обладают при перемещении в электромагнитных полях массой, которая и приводит в конечном итоге к ухудшению качества управления. Инерционность таких элементов составляет величину порядка 0,08-0,1с, что не всегда является допустимым.
Одним из эффективных методов повышения точности управления и контроля является совершенствование основных характеристик регулирующих и измерительных элементов на основе адекватных математических моделей.
Перспективным направлением совершенствования электрогидравлических САУ ГТО является использование новых регулирующих и измерительных устройств, в частности, с использованием магнитных жидкостей.
Широкое использование различных технических жидкостей (ТЖ), применяемых как в качестве технологических сред (например, СОЖ) при металлообработке, так и в качестве энергоносителей (минеральные масла) в системах гидроприводов станков, а также использование эксплуатационных материалов (различные топлива и масла) приводят к необходимости разработки и совершенствования элементов и систем
управления, регулирования и контроля важнейших параметров ТЖ — скорости и плотности.
Развитию различных направлений автоматизации САУ и САК ГТО посвящены работы отечественных и зарубежных ученых А.В.Анисимова, Э.САрзуманова, В.Н.Баранова, Т.М.Башты, Б.В.Бирюкова, Н.С.Гамынина, А.А.Денисова, ААЕрофеева, Я.С.Кисточкина, С.С.Кивилиса, И.М.Крассова, П.П.Кремлевского, В.А.Лещенко, П.С.Мелкозерова, К.Л.Навроцкого, В.С.Нагорного, Д.Н.Попова, В.Н.Прокофьева, В.И.Разинцева, О.Н.Трифонова, В.М.Фомичева, В.АХохлова, В.Г.Цейтлина, Ю.И.Чупракова и ряда других ученых.
Современные регулирующие и измерительные элементы ГТО, основанные на использовании электромагнитных (работы А.В.Анисимова, В.Н.Баранова, Б.В.Бирюкова, Я.С.Кисточкина, С.С.Кивилиса, В.А.Лещенко, В.И.Разинцева, В.МФомичева, В.А.Хохлова), электростатических (работы АА.Денисова, П.П.Кремлевского, В.С.Нагорного, В.Г.Цейтлина), пъезоакустических (работы А.А.Ерофеева) полей требуют дальнейших исследований для обеспечения показателей перспективного уровня. Таким образом, существует проблема создания качественно новых регулирующих и измерительных элементов, позволяющих улучшить свойства современных САУ и САК без существенного улучшения эксплуатационных показателей (степень очистки рабочих жидкостей, температурной стабилизации). Требуется больше уделять внимания возможности создания новых конструктивных решений, позволяющих упростить их конструкцию, уменьшить материалоемкость, улучшить их статические и динамические характеристики, повысить надежность работы устройств и производительность труда, а также в полной мере использовать широкие возможности ГТО.
Перспективной представляется возможность измерения скорости и плотности жидких сред за счет использования в качестве чувствительного элемента магнитожид-костного сенсора (МЖС), представляющего собой оболочку из эластичного материала, полностью заполненную магнитной жидкостью (МЖ), основными свойствами которой являются текучесть и способность намагничиваться во внешнем магнитном поле.
Таким образом, в научном плане работа посвящена решению проблемы разработки теоретических основ и прикладных методов проектирования электрогидравлических регулирующих и гидроэлектрических измерительных устройств в базисе магнитожидкостных регулирующих и измерительных элементов, имеющих важное хозяйственное значение при создании САУ и САК ГТО.
Цель работы — теоретическое обобщение, развитие теории и разработка новых научно обоснованных технических решений электрогидравлических и гидроэлектрических элементов для улучшения качества (повышение быстродействия и чувствительности к управлению, снижение энергопотребления и требований к степени очистки рабочей жидкости, расширение диапазонов и повышение точности регулирования расходов и давлений рабочих жидкостей, унификация и сужение номенклатуры элементной базы) систем управления и контроля гидрофицированными технологическими процессами на базе магнитожидкостных регулирующих и измерительных элементов.
Для достижения поставленной цели и решения научной проблемы решены следующие основные задачи диссертационного исследования:
1. Предложена системная методологии синтеза САУ и САК ГТО с использованием магнитожидкостных электрогидравлических регулирующих и гидроэлектрических измерительных элементов.
-
Проведен анализ широкого класса проточных частей магнитожидкостных регулирующих и измерительных элементов по авторским критериям векторной энергетики с целью оптимального размещения магнитожидкостных регулирующих органов и магнитожидкостных измерительных сенсоров.
-
Обоснованы математические модели статических и динамических характеристик и разработаны новые научно обоснованные конструктивные схемы одноканального магнитожидкостного электрогидравлического регулирующего элемента.
-
Разработаны новые научно обоснованные конструктивные схемы магнитожидкостного двухканального (дифференциального) электрогидравлического регулирующего элемента с повышенной регулируемой мощностью в нагрузке за счет эффекта инжекции.
-
Обоснованы математические модели статических и динамических характеристик и разработаны новые научно обоснованные конструктивные схемы магнитожидкостного вихревого электрогидравлического регулирующего элемента.
-
Предложены математические модели статических и динамических характеристик и разработаны новые научно обоснованные конструктивные схемы элекгрогид-равлического регулирующего элемента типа «сопло - магнитожидкостная заслонка».
-
Обоснованы математические модели статических и динамических характеристик и разработаны новые научно обоснованные конструктивные схемы магнитожидкостных гидроэлектрических измерительных элементов - расходомера и плотномера.
-
Обоснованы математические модели и разработаны новые научно обоснованные конструктивные схемы синтезатора градиентных электромагнитных полей и предложены новые векторно-энергетические критерии анализа типовых электромагнитных гидравлических распределителей для управления магнитожидкостными регулирующими элементами.
Объект исследования: разработка научных основ создания математических моделей и новых научно обоснованных конструктивных схем электрогидравлических и гидроэлектрических устройств САУ и САК ГТО на базе магнитожидкостных регулирующих и измерительных элементов.
Предмет исследования: математические модели элементов в операторах систем с распределенными параметрами; критериальный векторно-энергетический анализ проточных частей магнитожидкостных регулирующих и измерительных элементов; критериальный векторно-энергетический анализ электромагнитных гидравлических распределителей для управления магнитожидкостными регулирующими элементами.
Методы исследования: базируются на использовании теории автоматического управления, механики сплошной среды, теории электромагнитного поля, теории оболочек, теории систем с распределенными параметрами, компьютерного моделирования, а также экспериментальное исследование созданных макетов и экспериментальных образцов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложена системная методологии синтеза САУ и САК ГТО с использованием магнитожидкостных электрогидравлических регулирующих и гидроэлектрических измерительных элементов
-
Впервые предложен принципиально новый критерий - крутизна изменения гидравлического сопротивления проточной части гидравлического объекта управления от изменения поперечного сечения за счет магнитожидкостного органа, по которому дано обоснование геометрии проточных частей гидравлических объектов управления.
3. Дан анализ широкого класса проточных частей магнитожидкостных регули
рующих и измерительных элементов для САУ и САК гидрофицированного техноло-
гнческого оборудования, которые определяют оптимальное размещение мапштожид-костных регулирующих органов или мапштожидкостных измерительных сенсоров, при котором электромагнитное управление приводит к наибольшему изменению гидравлического сопротивления проточной части.
4. Разработан способ преобразования электрического сигнала в гидравлический
посредством магнитожидкостных регулирующих органов (Патент РФ на способ, №
2240590), который реализован следующими устройствами с обоснованием математи
ческих моделей статических, динамических характеристик и проведением экспери
ментальных исследований:
одноканальный магнитожидкостный регулирующий элемент (Патент РФ на устройство, № 2239861) как элемент, изменяющий перепад давления в гидравлической нагрузке;
двухканальный (дифференциальный) магнитожидкостный регулирующий элемент с наличием эжекпионного эффекта, увеличивающего управляемую гидравлическую мощность в нагрузке:
вихревой магнитожидкостный регулирующий элемент (Патент РФ на устройство, № 2747117), изменяющий расход и форму выходной струи в гидравлической нагрузке;
магнитожидкостный регулирующий элемент типа «сопло - магнитожидкостная заслонка» (Патент РФ на устройство, №2330191), как элемент, изменяющий перепад давления в гидравлической нагрузке.
5. Разработан способ преобразования гидравлического сигнала в электрический
посредством магнитожидкостных измерительных сенсоров (Патент РФ на способ, №
2299419), который реализован следующими устройствами с обоснованием математи
ческих моделей статических, динамических характеристик и проведением экспери
ментальных исследований:
магнитожидкостный расходомер, измеряющий скорость и расход рабочей жидкости в гидравлической нагрузке;
магнитожидкостный плотномер (Патент РФ на устройство, №2330191), измеряющий плотность рабочей жидкости в гидравлической нагрузке.
6. Предложен синтезатор градиентных электромагнитных полей и его математиче
ская модель для управления магнитожидкостными регулирующими элементами с це
лью повышения эффективности САУ и САК ГТО (патенты РФ №№ 2239902, 2271047
на устройства).
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, полученных в работе, определяется строгостью используемого в работе математического аппарата, адекватностью разработанных математических моделей реальным объектам исследования, соответствием теоретических положений и экспериментальных результатов.
Практическая ценность работы.
1. Электрогидравлические магнитожидкостные регулирующие элементы (одноканальный, двухканальный, вихревой, «сошю-магнитожидкостная заслонка») при использовании их в САУ ГТО и гидроэлектрические магнитожидкостные измерительные элементы (расходомер, плотномер) при использовании их в САК ГТО позволяют улучшить качественные показатели (повышение быстродействия и чувствительности к управлению, снижение энергопотребления и требований к степени очистки рабочей жидкости, расширение диапазонов и повышение точности регулирования расходов и давлений рабочих жидкостей, унификация и сужение номенклатуры элементной базы).
2. Синтезатор пространственно распределенного неоднородного электромагнитно
го поля и устройство измерения параметров градиентных пространственно распреде
ленных электромагнитных полей позволяют автоматизировать гидрофицированное
технологическое оборудование с увеличением тягового усилия и минимизацией энер
гопотребления.
3. Векторно-энергетический метод анализа промышленных электромагнитных
гидравлических распределителей по 7 предложенным критериям позволяет устранить
энергетическую избыточность при управлении, увеличить тяговое усилие, снизить
массогабаритные показатели.
Реализация резул ътатов.
-
Одноканальный и двухканальный МЖРЭ рекомендованы к внедрению на Ростовской атомной станции, в ОАО «Балаковорезинотехника», в АОЗТ «Русьгазстрой» (г. Балаково), в ОАО «Балаковский судоремонтный завод», в ЗАО «Волжский дизель имени Маминых» (г. Балаково).
-
Вихревой МЖРЭ рекомендован к внедрению в системах капельного полива тепличных культур комбината ОАО «Волга» (г. Балаково), в водоканальных и тепловых сетях МУП г. Маркса «Марксводоканал» и МУП Балаковского муниципального образования «Городские тепловые электрические сети».
-
ЭГП «сопло-МЖЗ» рекомендован к внедрению в гидроприводе плоскошлифовального станка с прямоугольным столом модели ЗД722 на предприятии ОАО «Балаковорезинотехника», в электрогидравлическом регуляторе топливоподачи двигателя автомобиля КамАЗ на предприятии ООО «Август», в гидроприводе выправочно-рихтовочно-подбивочной машины в ООО «Российские железные дороги».
-
Расходомер с МЖС рекомендован к внедрению на участке токарного производства механического цеха ОАО «Балаковский завод запасных деталей», в системе мас-лоснабжения уплотнений подшипниковых узлов вала турбогенератора Балаковскои -атомной станции, в ОАО «Балаковорезинотехника».
-
Плотномер с МЖС рекомендован к внедрению в механическом цехе ОАО «Балаковский судоремонтный завод», на металлообрабатывающем участке токарного цеха СРООИ «Вторая весна» (филиал «Монтажлегмаш»), на автозаправочной станции «Баррель» ООО «ЦТО Пульсар».
-
Методика расчета ЭМГР внедрена на Хвалынском заводе гидроаппаратуры (г. Хвалынск), в электроцехе ООО «Балаковские минеральные удобрения», в ЗАО «Бала-кововолгоэнергомонтаж».
-
Материалы исследований использованы при выполнении Гранта № НШ-2064.2003.8 Минпромнауки России, Гранта № 2109р/3991 Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2007 г., № госрегистрации 01040001560), а также при выполнении работ в соответствии с тематическим планом Саратовского государственного технического университета по заданию Федерального агентства по образованию: «Векторно-энергетический анализ и синтез элементов автоматики и систем управления» (2007 г., № госрегистрации 01860073274). Результаты исследований использованы и внедрены в учебном процессе на кафедрах «Автоматизация технологических процессов» Саратовского государственного технического университета, «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники технологии и управления Саратовского государственного технического университета, «Управление в социальных и технических системах» Балаковского института бизнеса и управления.
-
Получено 13 патентов РФ на изобретения (6 из них на способы) и 1 патент РФ на полезную модель.
На защиту выносится:
-
Системная методологии синтеза САУ и САК ГТО с использованием магнито-жидкостных электрогидравлических регулирующих и гидроэлектрических измерительных элементов.
-
Принципиально новый критерий - крутизна изменения гидравлического сопротивления проточной части гидравлического объекта управления от изменения поперечного сечения за счет мапштожидкостного органа, по которому дано обоснование геометрии проточных частей гидравлических объектов управления.
-
Результаты анализа широкого класса проточных частей магнитожидкостных регулирующих и измерительных элементов для САУ и САК гидрофицированного технологического оборудования, которые определяют оптимальное размещение магнитожидкостных регулирующих органов или магнитожидкостных измерительных сенсоров, при котором электромагнитное управление приводит к наибольшему изменению гидравлического сопротивления проточной части.
-
Способ преобразования электрического сигнала в гидравлический посредством магнитожидкостных регулирующих органов, который реализован следующими устройствами:
одноканальний магнитожидкостный регулирующий элемент;
двухканалышй (дифференциальный) магнитожидкостный регулирующий элемент;
вихревой магнитожидкостный регулирующий элемент;
магнитожидкостный регулирующий элемент типа «сопло - мапштожидкостная заслонка».
5. Способ преобразования гидравлического сигнала в электрический посредством
магнитожидкостных измерительных сенсоров, который реализован следующими уст
ройствами:
магнитожидкостный расходомер;
магнитожидкостный плотномер.
6. Синтезатор градиентных электромагнитных полей и его математическая модель.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 40 кон
ференциях различного уровня:
на международных конференциях: Современные проблемы ЭГД и электрофизики жидких диэлектриков (Санкт-Петербург, 1994 г.; 1996 г.; 1998 г.; 2000 г.; 2003 г.; 2006 г.; 2009 г.; 2012 г.), Конференция молодых ученых и студентов (Самара, 2001 г.), Системный анализ в проектировании и управлении (Санкт-Петербург, 2002 г.; 2003 г.; 2004 г.; 2005 г.; 2006 г.), Молодежная школа-семинар «Бикамп-03», посвященная 300 летаю Санкт-Петербурга (Санкт-Петербург, 2003 г.), Динамика технологических систем (Саратов, 2004 г.), Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности (Саратов, 2007 г.), Управление высшими учебными заведениями в свете реализации приоритетного национального проекта «Образование» (Пенза, 2007 г.), Современные технологии в машиностроении (Пенза, 2008 - 2013 г.г.), Разработка и внедрение ресурсо - и энергосберегающих технологий и устройств (Пенза, 2010 г.);
на всероссийских конференциях: Математические и условно-логические модели объектов для векторно-энергетического управления (Москва, 1998 г.), Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах (Саратов, 1997 г.; 2000 г.; 2001г.; 2002 г.; 2003 г.; 2005 г.; 2007 г.; 2009 г.; 2010 г.; 2011 г.; 2012 г.; 2013 г.), Прогрессивные технологии в обучении и производстве (Камышин, 2003 г.), Технологии Интернет на службу обществу (Саратов, 2005 г.).
Личный вклад. Основные научные положения, математические модели, содержащиеся в диссертационной работе, получены лично автором.
Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 315 работ (17 в журналах, рекомендованных ВАК), в том числе 5 монографий, 13 патентов РФ на изобретения, 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения, приложения и списка литературы. Материал изложен на 621 странице, включая 230 рисунков, 87 таблиц и список литературы из 641 наименования.
