Ковылин Ростислав Игоревич. Пневматические приводы технологических машин при нештатных ситуациях

brief description

Ковылин Ростислав Игоревич. Пневматические приводы технологических машин при нештатных ситуациях : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.02 / Ковылин Ростислав Игоревич; [Место защиты: Владимир. гос. ун-т].- Владимир, 2007.- 153 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-5/5373

Владимирский государственный университет

61 07-5/5373 На правах рукописи
КОВЫЛИН РОСТИСЛАВ ИГОРЕВИЧ
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ПРИ НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЯХ
Специальность 05.02,02 - «Машиноведение, системы приводов и детали машин»
Диссертация на соискание учёной степени кандидата ' технических наук
Научный руководитель - доктор технических наук профессор А.И. Евдокимов
Владимир 2007
Стр.
Введение 5
Глава 1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ ПРИ НЕШТАТНЫХ
СИТУАЦИЯХ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1. Надежность пневмо- и гидроприводов 8
1.2. Показатели надежности 13
1.3. Классификация отказов 17
1.4. Факторы определяющие надежность пневмо- и
гидроприводов 21
1.5. Понятие надежности и пути ее обеспечения 24
1.6. Инвариантность систем автоматического управления 35
1.7. Пневматические дискретные приводы 41
1.8. Цель и задачи исследования 45
Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ПРИ НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЯХ
(РЕЖИМАХ) 46
і
2.1. Математическая модель типового пневматического привода технологических машин при внезапном исчезновении давления питания 46
2.2. Исследование математической модели пневматического привода 51
2.2.1. Общая методика проведения машиных экспериментов 52
2.2.2. Исследование влияния параметров приводов на его работу 54
Глава 3. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНВАРИАНТНЫХ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ
ДИСКРЕТНЫХ ПРИВОДОВ 63
3.1. Задачи инвариантных приводов 63
3.2. Пневматический привод с обратным клапаном в канале питания 65
3.2.1. Определение коэффициента расхода и площади сечений каналов утечек 66
3.2.2. Моделирование переходных процессов в схеме с обратным клапаном 75
3.3. Пневматический привод с емкостью (ресивером) и обратным клапаном 78
3.4. Синтез схем инвариантных пневматических приводов по каналу питания 82
3.5. Синтез инвариантных пневматических дискретных приводов с сильной инвариантностью по каналу питания 87
3.6. Критерии инвариантности пневматических дискретных приводов при внешних воздействиях (возмущениях) по каналу силового питания 90
Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ
ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ПРИ
НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЯХ (РЕЖИМАХ) 100
4.1. Экспериментальная установка для исследования поведения пневматического привода технологических машин при нештатных ситуациях (режимах) 100
4.2. Экспериментальные исследования законов движения типового пневматического привода при внезапном исчезновении давления питания 108
4.3. Экспериментальные исследования законов несанкционированного движения пневматического привода с обратным клапаном в канале питания при внезапном исчезновении давления питания 121
4.4. Экспериментальные исследования законов несанкционированного движения пневматического привода с ресивером и обратным клапаном в канале питания при внезапном исчезновении давления
питания 127
4.5. Экспериментальные исследования пневматического привода, инвариантного к нештатным ситуациям в виде внезапного
исчезновения силового давления питания привода 130
ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 140
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 144
Введение.
Пневматические приводы широко используются во многих отраслях промышленности благодаря простоте конструкции, низкой стоимости, малой чувствительности к условиям работы, взрыво- и пожаробезопасности, высоким скоростям перемещения груза, легкости осуществления автоматизации. Эффективное функционирование технологических машин (станков, промышленных роботов и т.д.), в которых применяются пневмоприводы, во многом определяется надежностью приводов [12].
Надежность пневмоприводов обеспечивается при высоком качестве и техническом уровне всех компонентов приводов, разработкой структурных схем приводов с резервированием элементов и цепей приводов, автоматическим контролем за исправностью схем и т.д.
Проектирование надежных приводов осуществляется с использованием развитой теории вероятностей, которая основывается на базе статистических данных эксплуатационных отказов (сбоев) элементов приводов. Эти отказы обычно прекращают (останавливают) нормальное функционирование приводов.
Вместе с тем возможны и нештатные ситуации в работе приводов, такие как сбой и непрогнозируемое внезапное исчезновение (обрыв, разрушение канала питания, исчезновение электропитания компрессора (его поломка) и т.д.) силового питания пневмоприводов.
В этом случае могут появиться несанкционированные движения выходных звеньев пневмоприводов, которые могут привести к браку изделий технологических машин, поломкам, несчастным случаям (травматизму) и авариям.
Поведение пневмоприводов в этих ситуациях в настоящее время изучено мало.
Работа по созданию пневматических приводов, надежно функционирующих при нештатных ситуациях, является актуальной и представляет большой научный и практический интерес.
Целью настоящей работы является повышение надежности и безаварийности функционирования пневматических приводов технологических машин при нештатных ситуациях.
Основное внимание в работе уделено исследованию поведения типовых пневматических приводов при нештатных ситуациях в виде внешних возмущений по силовому каналу питания, а также синтезу структурных схем пневматических приводов, помехоустойчивых к этим возмущениям.
Работа состоит из 4 глав.
Глава 1 работы посвящена задачам исследования пневматических приводов технологических машин при нештатных ситуациях. В ней рассмотрены факторы, влияющие на надежность пневмоприводов, проведен качественный анализ поведения пневмопривода в режиме подъемника при внезапном отключении давления питания, а также рассмотрены возможные нежелательные последствия несанкционированных движений выходных звеньев приводов. Обосновывается целесообразность исследования динамики типовых пневматических приводов при нештатных ситуациях и необходимость синтеза схем пневмоприводов, независимых (инвариантных) к внешним возмущениям.
Во второй главе рассматриваются математические модели пневматических приводов при нештатных режимах работы для типовых пневмоприводов. Приведены уравнения движения выходного звена пневматического привода при внезапном исчезновении давления питания, описываются допущения, принятые в данной математической модели, описаны основные параметры исследуемого пневматического привода с помощью данной математической модели. Проведено математическое моделирование несанкционированных движений выходного звена пневмоприводов.
В третьей главе рассматриваются и исследуются структурные схемы пневматических дискретных приводов, инвариантных по выходу и по каналу питания. Разработаны критерии инвариантности пневмоприводов как, в общем, так и в параметрическом виде.
Предложена методика определения коэффициентов расхода и проходных сечений микроканалов утечек пневматических устройств.
Проводится синтез и математические модели пневматических приводов, независимых (инвариантных) к нештатным режимам типа внезапного отключения (включения) силового давления питания и исключающие несанкционированные движения выходного звена привода.
Рассматривается также оригинальная схема линейного многопластинчатого тормозного (стопорящего) устройства инвариантного пневмопривода, а также вывод расчетных формул для определения сил торможения устройства. Приводятся условия сильной (для любых моментов времени) инвариантности пневматических приводов к внезапным отключениям питающего давления.
В четвертой главе приводится описание стенда для экспериментальных исследований поведения пневматического привода при нештатных ситуациях, описаны методика проведения и содержание проведенных экспериментов, приведены их результаты, а также сравнение результатов натурных и машинных экспериментов, и сделаны выводы из этих исследований. В четвертой главе также приводится описание структурных схем пневмоприводов для повышения безопасности при нештатных ситуациях.

bibliography

Выводы и основные результаты работы.
1. Проведенный качественный анализ поведения типовых пневматических дискретных приводов, работающих в режиме подъемника, показал возможность несанкционированных движений штоков приводов при внезапном отключении силового давления питания, которые могут привести к нежелательным последствиям (браку изделий, поломкам, травматизму, авариям).
2. Проведенные на базе математических моделей и экспериментальных исследований динамики (законов движения) типовых дискретных пневмоприводов подтвердили наличие несанкционированных движений в виде провалов поднимаемых приводом грузов в вертикальной плоскости вниз при внезапном исчезновении давления питания. Общее время падения грузов составляет менее одной секунды. Время падения содержит период «выстоя» (задержки) груза в верхнем положении (порядка 0.2-0.4 секунды) и период движения груза вниз (порядка 0.3-0.5 секунды).
3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования пневматических приводов с обратным клапаном в канале питания, которые показали, что наличие обратного клапана в канале питания увеличивает помехоустойчивость привода по каналу питания, при этом время «выстоя» привода в координате увеличивается до нескольких (8¬15) секунд, а несанкционированные движения привода не исключаются.
4. Разработан способ определения обобщенного коэффициента расхода (ц) и суммарного значения площадей отверстий (f) уплотнений, через которые воздух вытекает из начального объема рабочей полости цилиндра в атмосферу. Если для дросселей, отверстий и щелей, как известно, коэффициент ц = 0.3-0.8, то для уплотнений он составляет почти на порядок ниже: ц = 0.05.
5. Проведены исследования пневматических приводов с ресивером (емкостью) и обратным клапаном в канале питания. Исследования показали, что помехоустойчивость (время «выстоя») пневмопривода по каналу питания при внезапном исчезновении давления питания в этом случае значительно возрастает. Время «выстоя» привода при этом возрастает до нескольких десятков минут. Это время может быть использовано для аварийной ручной и автоматической остановки технологического оборудования. Однако и эта схема не обеспечивает ликвидацию несанкционированных движений привода после этапа (периода) «выстоя».
6. Получена аналитическая зависимость для определения минимально необходимого объема ресивера, обеспечивающего требуемую помехоустойчивость пневмопривода от сбоев по каналу питания.
7. Синтезированы структурные схемы пневматических дискретных приводов, обладающих сильной и слабой инвариантностью (независимостью) к внешним возмущениям по каналу питания. Приводы состоят из силового пневмопривода и тормозного фрикционного линейного механизма, срабатывающего (затормаживающего шток привода) синхронно с внезапным отключением пневмопитания привода и «отпускающего» шток привода асинхронно (с задержкой) при внезапном появлении давления питания.
8. Получены критерии инвариантности пневматических дискретных приводов в общем и параметрическом виде.
9. Разработан стенд для исследований пневмоприводов при нештатных ситуациях.
Ю.Разработаны, практически построены и отлажены инвариантные пневматические дискретные приводы.
11. Приведенные экспериментальные исследования разработанных
инвариантных пневмоприводов показали их помехоустойчивость к внешним возмущениям по каналу питания в виде внезапного
отключения, внезапного включения и сбоя давления питания. В инвариантных приводах отсутствуют несанкционированные движения выходных звеньев при наличии внешних возмущений по каналу питания.
12.0сновными результатами работы являются: дальнейшее развитие теории пневматических приводов а разработка нового класса пневматических дискретных приводов, обладающих повышенной надежностью и безотказностью - инвариантных пневматических дискретных приводов технологических машин.
По материалам диссертации опубликованы следующие работы:
1. Ковьілин, Р. И. Надежность пневмо- и гидроприводов / Р. И. Ковылин // Материалы 11-го Всерос. слета студентов, аспирантов и молодых ученых - лауреатов конкурса «Ползуновские гранты». - Барнаул : Барнаул, 2006. - С. 40 - 46.
2. Ковылин, Р. И. Инвариантный пневматический привод технологических машин / Р. И. Ковылин // Сб. материалов конф. «Использование нового оборудования, новых технологий и технологических процессов при газораспределении и газопотреблении». - Саратов : СТИЛО, 2007. - С. 147.
3. Евдокимов, А. И., Ковылин, Р. И. Определение коэффициента расхода и площади сечений каналов утечек в пневмоприводах: реферат / А. И. Евдокимов, Р. И. Ковылин. - Деп. в ВИНИТИ 30.05.2007, № 582-В2007.
4. Ковылин, Р. И., Евдокимов, А. И. Экспериментальные исследования на помехоустойчивость по каналу питания инвариантных пневматических дискретных приводов : реферат / Р. И. Ковылин, А. И. Евдокимов. - Деп. в ВИНИТИ 30.05.2007, № 583-В2007.
5. Ковылин, Р. И., Евдокимов, А. И. Экспериментальные исследования помехоустойчивости типовых пневматических дискретных приводов:
реферат / Р. И. Ковылин, А. И. Евдокимов. - Деп. в ВИНИТИ 30.05.2007, № 584-В2007.
6. Евдокимов, А. И., Ковылин, Р. И. Линейный фрикционный тормозной механизм пневматических приводов : реферат / А. И. Евдокимов, Р. И. Ковылин. - Деп. в ВИНИТИ 30.05.2007, № 585- В2007.
7. Евдокимов, А. И., Ковылии, Р. И. Инвариантный пневматический дискрет ный привод : реферат / А. И. Евдокимов, Р. И. Ковылин. - Деп. в ВИНИТИ 30.05.2007, № 586-В2007.
8. Ковылии, Р. И., Евдокимов, А. И. Математическое моделирование поведения типового пневматического дискретного привода при внезапном исчезновении давления питания : реферат / Р. И. Ковылин, А. И. Евдокимов. - Деп. в ВИНИТИ 30.05.2007, № 587-В2007.
9. Евдокимов, А. И., Ковылин, Р. И. Критерии инвариантности пневматических дискретных приводов : реферат / А. И. Евдокимов, Р. И. Ковылин. - Деп. в ВИНИТИ 30.05.2007, № 588-В2007.
Ю.Ковылин, Р. И., Евдокимов, А. И. Помехоустойчивость по каналу питания пневматических дискретных приводов: реферат /
Р. И. Ковылин, А. И. Евдокимов. - Деп. в ВИНИТИ 30.05.2007, № 589- В2007.
11. Ковылин, Р. И., Евдокимов, А. И. Пневматический привод технологических машин при нештатных ситуациях / Р. И. Ковылин, А. И. Евдокимов // Компрессорная техника и пневматика. - 2007. - № 6. -С. 22-23.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика / Г.Н. Абрамович. - М. : Наука, 1969 - 824 с.
2. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. Справочное пособие/ Изд. 3-є, перераб. и доп. / Под ред. Б.Д. Кошарского - JL: Машиностроение, 1976, 488 с.
3. Башта, Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика/ Т.М. Башта - М.: Машиностроение, 1972 - 320 с.
4. Бердников, В.В. и др. Разработка элементов системы автоматизирован¬ного проектирования пневмогидравлических схем / В.В.Бердников и др./ Пневматика и гидравлика.- М.: Машиностроение, 1984. Вып. 10. С. 89-97.
5. Берендс, Т.К. Элементы и схемы пневмоавтоматики / Т.К. Берендс,- М.: Машиностроение, 1976 - 246 с.
6. Бойков, Н.А. Измерение давлений при быстропротекающих процессах/ Н.А. Бойков, П.С. Звездин, Л.Б. Резник. - М.: Энергия, 1970- 125 с.
7. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев - М.: Наука, 1986 - 544 с.
8. Бруевич, Н.Г. Метод автоматизации динамических расчетов типовых пневматических приводов / Автоматизация труда в машиностроении / Н.Г. Бруевич, Е.В. Герц, М.А. Полякова. - М.: Наука, 1973. - С. 5-12.
9. Булаева, Е.К. Динамический синтез пневмопривода при разных нагруз¬ках и рабочих ходах // Пневматика и гидравлика / Е.К. Булаева, В.М. Гуслиц, Е.Н. Докучаева. - М.: Машиностроение, 1990. Вып. 15 - С. 51-61.
10. Быстрое обнаружение утечек воздуха в пневмосетях // РЖ. 48, Маши-ностроительные материалы, конструкции и расчет деталей машин. Гид-ропривод. Свод, том / ВИНИТИ. - 2003 - № 1 - С. 71 - РЕФ. СТ.: SchnelJe Fehlerortung Munch Hans Joachim, Streuber Wilfried. Mashinen- markt. - 2002, - № 12 - C. 54 - 57.
11. Волков, Ю.Г. Диссертация: Подготовка, защита, оформление: Практиче¬ское пособие/ Под. ред. Н.И. Загузова / Изд. 2-е, испр. и доп. - М.: Гарда- рики, 2003.- 185 с.
12. Герц, Е.В. Пневматические приводы. Теория и расчет / Е.В. Герц - М.: «Машиностроение», 1969. - 359 с.
13. Герц, Е.В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие / Е.В. Герц, Г.В. Крейнин. - М., «Машиностроение», 1975. - 272 с.
14. Герц, Е.В. Синтез пневматических приводов / Е.В. герц, В.П. Зенченко, Г.В. Крейнин - М.: «Машиностроение», 1966. - 212 с.
15. Герц, Е.В. Динамика пневматических систем машин / Е.В. Герц - М.: Машиностроение, 1985. - 255 с.
16. ГОСТ 12.02016-81. Оборудование компрессорное. Общие требования безопасности. -Введ. 11.11.81.-М.: - 6с.
17. Голфман, И. Определяют дефект по свисту/ Рационализатор и изобрета¬тель/ И. Голфман - 1986, - № 11 - с. 15
18. Градецкий, В.Г. Роботы вертикального перемещения / В.Г. Градецкий, М.Ю. Рачков. - М.: Тип. Мин. Образования РФ, 1997 - 223 с.
19. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машино¬строительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.
20. Дмитриев, В.Н. Основы пневмоавтоматики / В.Н. Дмитриев, В.Г. Гра¬децкий. - М.: Машиностроение, 1973. - 360 с.
21. Евдокимов, А.И. Пневматические и гидравлические приводы: Учебное пособие для вузов / А.И. Евдокимов. - Владимир, 1997 - 25 с.
22. Евдокимов, А.И. Ковылин, Р.И. Линейный фрикционный тормозной механизм пневматических приводов: реферат / А.И. Евдокимов, Р.И. Ко¬вылин. - Деп. в ВИНИТИ 30. 05. 2007, № 585-В2007.
23. Евдокимов, А.И. Ковылин, Р.И. Инвариантный пневматический дис¬кретный привод: реферат / А.И. Евдокимов, Р.И. Ковылин. - Деп. в ВИ¬НИТИ 30. 05. 2007, № 586-В2007.
24. Евдокимов, А.И. Проблемы и перспективы развития пневматических приводов /А.И. Евдокимов, А.В. Романов, М.В. Шеногин.- Ученые Вла¬димирского государственного университета - строительству: Сб. науч. тр. - Владимир, 1999. - С. 144 - 146.