Полешкин, Максим Сергеевич. Гидравлический позиционный привод исполнительных движений механизмов машин

Короткий опис

Полешкин, Максим Сергеевич. Гидравлический позиционный привод исполнительных движений механизмов машин : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.02 / Полешкин Максим Сергеевич; [Место защиты: Дон. гос. техн. ун-т].- Ростов-на-Дону, 2013.- 252 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/2574

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
<ДГТУ) ^
На правах рукописи
Полешкин Максим Сергеевич
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПОЗИЦИОННЫЙ ПРИВОД ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ МЕХАНИЗМОВ
МАШИН
Научная специальность: 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и
детали машин
04201363070
26.11.2013
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель доктор технических наук, профессор B.C. Сидоренко
г. Ростов-на-Дону 2013 
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ПОЗИЦИОННЫЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1.1 Анализ автоматизированных позиционных гидроприводов И
1.2 Электрогидравлические устройства управления, применяемые в гидроприводе 22
1.3 Гидромеханические устройства управления позиционных гидросистем 27
1.4 Выводы 41
1.5. Цель и задачи исследования 43
ГЛАВА 2. СИНТЕЗ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПОЗИЦИОННОГО ГИДРОПРИВОДА
2.1 Принципы построения гидромеханических позиционеров машин повышенного быстродействия и точности 44
2.2 Обоснование и разработка структуры позиционного гидропривода с гидромеханической системой управления 52
2.3 Анализ технических средств реализации позиционных гидросистем повышенной эффективности 53
2.4 Идентификация рабочих процессов гидромеханического устройства позиционирования 63
2.5 Измерительный комплекс для исследования нестационарных гидродинамических процессов 65
2.6 Конструктивные параметры проточной части гидромеханического устройства позиционирования 74
2.7 Методика обработки данных экспериментальных исследований 75
2.8 Анализ результатов экспериментальных исследований гидромеханического устройства позиционирования 80
2.9 Выводы 92
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЗИЦИОННОГО ГИДРОПРИВОДА
3.1. Формирование обобщенной математической модели динамической системы позиционного гидропривода 93
3.2 Вычислительный эксперимент. Методика динамического
анализа 101
3.3 Анализ результатов вычислительного эксперимента по моделированию Ш 11 105
3.4 Исследование влияния конструктивных и эксплуатационных параметров ГУК на работу ПГП 107
3.5 Выводы 114
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЗИЦИОННОГО
ГИДРОПРИВОДА
4.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 116
4.2 Исследовательский стенд и контрольно-измерительный комплекс для испытаний ПГП 117
4.3 Методика проведения натурного эксперимента по исследованию процесса позиционирования ПГП 124
4.4 Анализ влияния параметров подсистемы управления на качество позиционирования ПГП 126
4.5 Методика проверки адекватности вычислительного эксперимента 134
4.6 Определение рациональных значений параметров гидроуправляемого клапана-позиционера 140
4.7 Выводы 148
ГЛАВА 5. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО- ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ
5.1 Методология инженерного расчета комплектного позиционного гидропривода 149
5.2 Проектирование позиционного гидропривода в системе САПР 152
5.3 Методика проектирования позиционного гидропривода в системе САПР 156
5.4 Конструкторская реализация схемотехнического решения позиционного гидропривода 189
5.5 Результаты промышленного внедрения позиционного гидропривода 193
5.6 Выводы 198
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 199
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 201
ПРИЛОЖЕНИЯ 214
АТО - автоматизированное технологическое оборудование; ЦМ - целевые механизмы;
ПГУ - подсистема гидравлического управления;
АСК - автоматизированный станочный комплекс;
ГМС - гидромеханические системы;
ГУК - гидроуправляемый клапан;
МФУУ - многофункциональное управляющее устройство; ИМ - исполнительные механизмы;
ППГ - программный позиционный гидропривод;
ПДМ - поворотно-делительные механизмы;
СТР - схемотехническое решение;
ГУК - гидроуправляемый клапан;
КГУ- контур гидравлического управления;
АЗП - автономный задатчик перемещения;
ДГО - датчик грубого отсчета;
ЭГСП - электрогидравлический следящий привод;
ПГП - позиционный гидропривод;
ЭГШП - электрогидравлический шаговый привод;
ПГС - позиционные гидросистемы;
ГДР - гидродинамический расходомер;
ГУТ - гидроуправляемый тормоз.
Другие сокращения даны по тексту диссертации.
Актуальность темы исследований. Одной из современных тенденций развития отрасли машиностроения является интенсификация рабочих процессов технологического оборудования и машин. При этом основным критерием остается их уровень производительности, однако наряду с ним требуется повышать такие параметры, как точность, надежность, долговечность и др.
Создание технологического оборудования в виде комплексов с многочисленными исполнительными движениями позволяет добиться требуемого результата и потому является актуальной задачей на сегодняшний день. В связи с этим появляется необходимость в разработке автоматизированных систем приводов, удовлетворяющих выше¬перечисленным требованиям.
Широкое применение получили гидромеханические системы позиционирования, обладающие известными преимуществами [9,11,12]. При этом системы управления гидроприводом, реализующие рабочие циклы машин и использующие электромеханические устройства, имеют ряд недостатков: длинную цепь прохождения сигнала от источника к
потребителю; малую напряженность силового поля (Ртах до 2МПа) и нестабильность циклов срабатывания (At до 0,15 с).
В этих условиях, как показывают исследования Трифонова О.Н., Ермакова С.А. [63, 24] и др., устройства с гидравлическими линиями связи, реализующие подсистему управления, имеют преимущество и способны обеспечить высокое быстродействие и стабильную работу.
Добиться повышения их эффективности возможно, используя известные прогрессивные методы разработки и проектирования, а также путем рациональной организации структуры автоматизированного гидропривода, в частности - контура гидравлического управления (КГУ). Решение этой задачи и стало предметом научного и схемотехнического
поиска выполненной автором работы.
Задачи оптимального управления позиционными системами наиболее эффективно решаются гидромеханическими позиционерами [66] с управляемой сливной линией гидродвигателя и гидромеханическим тормозом. Формирование требуемых управляющих воздействий в организации оптимальных позиционных циклов наиболее полно реализуется многофункциональными управляющими устройствами с гидравлическими линиями связи, позволяющими существенно повысить быстродействие и стабильность контура управления.
Контур гидравлического управления формирует управляющие сигналы, достаточные для прямого воздействия на исполнительные элементы привода. Логическое устройство мехатронной подсистемы в автоматическом режиме управляет процессом позиционирования путем задания требуемой координаты на протяжении всего рабочего цикла гидропривода, осуществляя традиционное параметрическое управление траекториями движения исполнительными механизмами АТО.
Разработка и проектирование нового класса устройств многофункциональной гидроаппаратуры сопряжены с определенными трудностями при расчетах, апробации и оптимизации их параметров. Нахождение рабочих характеристик таких устройств в составе КГУ требует проведения трудоемких экспериментальных исследований.
Грамотная организация КГУ, осуществляющего реорганизацию структуры ПГП, требует обширных теоретических исследований, что обусловлено сложностью математического описания взаимосвязей всех его подсистем: механической, силовой и управляющей.
Учитывая вышеизложенное, целью научной работы является: повышение эффективности исполнительных движений целевых механизмов машин путем синтеза автоматизированного гидропривода с быстродействующим контуром гидравлического управления позиционированием.
Для достижения поставленной в работе цели, были решены следующие задачи:
1. Обосновать принципы построения и реализации структуры автоматизированного позиционного гидропривода повышенного быстродействия и точности.
2. Разработать обобщенную математическую модель динамической системы предлагаемого автоматизированного позиционного гидропривода, описывающую его поведение с МФУУ и оригинальным быстродействующим контуром гидравлического управления.
3. Выполнить идентификацию рабочих процессов управляющего устройства КГУ, исследовав его динамические расходно- перепадные характеристики.
4. Вычислительным и натурным экспериментом исследовать процесс позиционирования гидропривода, установив влияние основных параметров КГУ на быстродействие и точность позиционного цикла.
5. Обосновать основные параметры КГУ для проектирования ПГП, разработать его инженерную методику расчета и настройки при эксплуатации.
6. Выполнить апробацию и промышленное внедрение результатов исследования, инженерной методики и рекомендаций расчета ill'll в условиях производства.
Научная новизна работы заключается:
1. В обосновании принципов построения и технической реализации ПГП повышенного быстродействия и точности с гидравлической подсистемой управления позиционированием механизмов машин.
2. В разработке обобщенной математической модели позиционного гидропривода с КГУ, раскрывающей влияние изменяемой «на ходу» структуры и параметров подсистемы управления на процесс позиционирования.
3. В выявлении расходно-перепадных характеристик МФУУ при нестационарных процессах в его проточной части и их аппроксимации в математическую модель.
4. В установлении влияния гидравлических и кинематических параметров КГУ на быстродействие и точность ПГП, позволившим решать задачи его рационального проектирования.
Практическая значимость работы заключается:
1. В проектировании технического решения позиционного гидропривода с улучшенными характеристиками по точности и быстродействию, обладающего высокой степенью автоматизации.
2. В создании методики и специального измерительного комплекса с оснасткой для исследования нестационарных гидромеханических процессов, в проточной части управляющих устройств, клапанного типа, позволяющих уточнить их параметры.
3. В нахождении оптимальных конструкторских и эксплуатационных параметров, характеризующих функционирование гидромеханического управляющего устройства.
4. В разработке и апробации на ООО «Завод СтройНефтеМаш (г.Ростов- на-Дону) инженерной методики расчета Ш'11 с применением программного обеспечения, позволяющей сократить затраты времени и средств при проектировании.
5. В технической реализации и внедрении позиционного привода в учебный процесс на ФГБОУ ВПО ДГТУ кафедры «Гидравлика, ГПА и ТП» и в производство на ЗАО «ЗМК» (г. Кисловодск).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащего общие выводы, списка литературы из 132 наименований, 19 приложений, 71 рисунка, 36 таблиц и изложена на 252 страницах машинного текста.

Список літератури

5.4 ВЫВОДЫ
В результате выполненных исследований сделаем следующие выводы:
1. Разработана и апробирована на ОАО «Завод СтройНефтеМаш», инженерная методика для выполнения проектировочного расчета и определения параметров настройки ПГП. Методика реализована с применением программной поддержки: MS Excel, РСТ Mathcad и Matlab, что позволяет сократить затраты времени и средств в 1,3-1,5 раза.
2. Результаты исследования внедрены в условиях производства для автоматизации вертикально-сверлильного станка 2А135. Внедрение позволило повысить производительность в среднем в 1,4 раза, уменьшить производственные площади в 2 раза и сократить обслуживающий персонал.
3. Введение в учебный процесс научно-исследовательского комплекса по изучению позиционных гидросистем позволило повысить качество преподаваемого учебного материала добавлением практических работ [132] по дисциплинам специальности 150802 «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика».
1. Обоснованы и технически реализованы принципы построения
Ill'll с улучшенными характеристиками контура гидравлического
управления (Патенты на изобретение №2450174 и №2458261 [4,5]),
повышающие быстродействие и точностью исполнительных движений механизмов машин.
2. Разработана обобщенная математическая модель позиционного
гидропривода с МФУУ в контуре гидравлического управления, раскрывающая поведение его динамической системы с автоматически изменяемой «на ходу» структурой.
3. Идентификацией нестационарных гидромеханических процессов в проточной части ГУКа установлены зависимости коэффициентов расхода и сопротивления (для всего диапазона открытий 0<х3<Змм), необходимые для улучшения характеристик КГУ позиционными циклами приводов.
4. Вычислительным и натурным экспериментом обоснованно качественно и количественно влияние основных параметров КГУ на длительность (^„=0,07-0,1с) и стабильность (Дфср=3,6-10'5рад) позиционных циклов привода с МФУУ и установлены зоны их устойчивого позиционирования для целевых механизмов машин.
5. Полнофакторным экспериментом выявлены факторы определяющие качество работы МФУУ в контуре гидравлического управления: давление управления (Ру) и проводимость его проточной части (KQ), установлены рациональные сочетания их значений для требуемого быстродействия и точности исполнительных движений в реальном приводе.
6. Разработана и апробирована в производственных условиях (ООО «Завод СтройНефтеМаш», г.Ростов-на-Дону) инженерная методика проектирования, испытания и настройки предлагаемого ПГП на основе принципов модульного построения и мехатронного управления ИД механизмов машин, позволившая сократить при этом затраты времени и средств в 1,3-1,5 раза.
7. Промышленным внедрением результатов работы в координатно-сверлильном станке-полуавтомате на предприятии ЗАО «Завод металлоконструкций» (г. Кисловодск) обеспеченно: повышение
производительности в 1,4 раза, сокращение производственные площадей и персонала в 2 раза, что подтверждает практическую значимость работы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Промышленные роботы в машиностроении. Атлас схем и чертежей, под ред. Соломендева Ю.М. -М. Машиностроение, 1987.- 140с.
2. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: справ.-учеб.: в 3 т. / под общ. ред. А.С. Проникова; МГТУ им. Н.Э. Баумана. -М.: Машиностроение, 1995. - 1031с.
3. Пуш В.Э. и др. Автоматические станочные системы / В.Э.Пуш, Р.Пигерт, В.Л.Сосонкин; под ред В.Э.Пуша. - М.: Машиностроение, 1982. -319 с.
4. Самодуров Г.В. Современные тенденции развития технологии металлообработки / Г.В.Самодуров // Приводная техника. -2008. - № 5. - С.7-10.
5. Свешников В.К. Перспективы применения гидропривода в современных станках / Свешников В.К., Иванов Г.М. // Конструктор- машиностроитель, № 5, 2011 - С.34-39.
6. Интеллектуальная гидравлика: приводы с пропорциональным управлением / Свешников В.К. // Конструктор-машиностроитель, № 1, 2011. - С.42-47.
7. Основные тенденции развития мирового гидрооборудования, часть 2 / В.К. Свешников // РИТМ, №4(42), 2009. - с.43-46.
8. Эксплуатация гидравлического оборудования / Финкелынтейн
З.Л., Финкелыптейн А.М. // Гидравлика. Пневматика. Гидроприводы. - 2009, №2. - С.21-27.
9. Трифонов О.Н. Приводы автоматизированного оборудования / Трифонов О.Н., Иванов В.И., Трифонова Г.О. - М.: Машиностроение, 1991. -336 с.
10. Коробочкин Б.Л. Динамика гидравлических систем станков /Б.Л.Коробочкин. - М.: Машиностроение, 1976. - 240 с.
11. Дружинский И.А. Концепция конкурентоспособных станков / И.А. Дружинский. - Д.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1990. - 247 с.
12. Кудинов В.А. Динамика станков / В.А.Кудинов. - М.: Машиностроение, 1967. — 359 с.
13. Тугенгольд А.К. Интеллектуальное управление технологическими объектами: тр. IV Междунар. конгресса "Конструкторско- технологическая информатика-2000" / А.К. Тугенгольд. - М.: МГТУ «Станкин», 2000. - Т. 2. - С. 215-217.
14. Левин А.И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков / А.И. Левин. - М.: Машиностроение, 1978. - 184 с.
15. Свешников В.К. Станочные гидроприводы: справ. Библиотека конструктора / В.К. Свешников. - 5-е изд., перераб.и доп. - М.: Машиностроение, 2008. - 640 с.
16. Свешников В.К.. Гидрооборудование: Насосы и гидродвигатели: номенклатура - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский центр «Техинформ», 2009, - 390 с.
17. Exner Н. Basic princeples and copmponents of fluid technology RexRoth / H. Exner, R. Freitag- Dr.-Ing., H. Geis, R. Lang - Mannesmann RexRoth, 1991. 327p.
18. Нагорный B.C. Устройства автоматики гидро- и пневмосистем /
B. C. Нагорный, А.А. Денисов - М.: Высшая школа, 1991. - 367 с.
19. John S Cundiff. Fluid Power and controls: Fundamental and applications.-Mechanical engineering series, 2001. - 560 c.
20. Навроцкий К.Л. Шаговый гидропривод / К.Л. Навроцкий, Т.А. Сырицын, А.И. Степаков. - М.: Машиностроение, 1985. - 160 с.
21. Добровольский В.Л. Фиксирующие устройства в автоматических станочных системах / В.Л. Добровольский. - М.: Машиностроение, 1989. - 69 с.
22. Александров М.П. Тормозные устройства. Справочник / Александров М.П., Лысяков А.Г. - М.: Машиностроение, 1985. — 312 с.
23. Нахапетян Е.Г. Динамика и диагностирование механизмов позиционирования машин - автоматов / Е.Г. Нахапетян. - М.: Наука, 1976. - 94 с.
24. Иванов Г.М. Проектирование гидравлических систем машин / Г.М. Иванов, С.А. Ермаков, Б.Л. Коробочкин, P.M. Пасынков / - М.: Машиностроение, 1992. - 224 с.