close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0D3053C038

код для вставкиСкачать
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Современное машиностроительное
производство ориентировано на внедрение
высокоточного оборудования и технологических процессов, позволяющих создавать
уникальную наукоемкую продукцию. Однако процесс достижения высокой точности размеров
связан со значительными трудностями, обусловленными неблагоприятными вибрационными
воздействиями природного и техногенного характера. Вибрации основания даже микронной
амплитуды могут нарушить работу электронных микроскопов, внести значительную
погрешность при проведении высокоточных измерений или привести к браку изделия на
прецизионном станке.
При организации высокоточных научно - исследовательских и технологических
производств, а также при размещении высокоточного оборудования необходимо обеспечить его
надежную виброзащиту. Однако используемые в технике виброзащитные системы не всегда
обеспечивают необходимую защиту машин, приборов и аппаратуры, а также человекаоператора, от внешних механических воздействий.
Анализ характеристик источников природной и техногенной вибрации свидетельствует о
том, что их частотный диапазон лежит в интервале 0,1 Гц – 10 кГц.
Cовременные активные виброзащитные системы имеют нижнюю границу активного
диапазона частот ≈ 2 Гц с максимальным коэффициентом подавления колебаний от 35 до 40 дБ,
который достигается при частоте ≈ 10 Гц.
Для снижения уровня вибрации объектов используются как пассивные так и активные
системы виброзащиты.
Для уменьшения воздействия низкочастотных вибраций на
высокоточное оборудование находят все большее применение активные виброзащитные
устройства. Приводы этих устройств весьма разнообразны, от пьезоэлектрических и
магнитострикционных, работающих в высокочастотном диапазоне и реализующих малые
усилия, до гидравлических и пневматических создающих значительные воздействия в
низкочастотном диапазоне колебаний.
Широкое распространение в качестве пассивных виброзащитных и виброизолирующих
устройств получили в настоящее время резинокордные оболочки (РКО). Они обладают высокой
несущей способностью и надежностью, но, при этом имеют одностороннюю направленность
реализации усилия, что препятствует их использованию в конструкции приводов активных
виброзащитных систем.
С учетом стоимости нуждающегося в виброзащите высокоточного оборудования, а
также важности решаемых на его базе исследовательских и производственных задач (например,
производства печатных плат или шлифовки линз телескопов), актуальность разработки
приводов для активных систем виброзащиты такого оборудования в низкочастотном диапазоне
колебаний не вызывает сомнений.
Настоящее диссертационное исследование соответствует требованиям паспорта научной
специальности 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин, п. 2 – Теория и
методы проектирования машин и механизмов, систем приводов, узлов и деталей машин.
Степень разработанности темы исследования
Решению задач виброзащиты персонала и технологического оборудования посвящено
множество теоретических и прикладных исследований. Изучением проблем построения
вибрационных и виброзащитных систем занимались такие видные ученые как: В.К. Асташов,
И.Ж. Безбах, Ю.А. Бурьян, И.И. Быховский, М.Д. Генкин, С.В. Елисеев, П.А. Лонцих, Д.Н.
Насников, Г.Я. Пановко, К.В. Фролов, Ф.А. Фурман, Д. Джоунс, А. Нашиф, Дж. Хендерсон и
другие.
Практически всегда активная виброзащита – результат совокупного действия активных и
пассивных элементов.
В системах активной виброзащиты (САВ) формируются воздействия, приложенные
непосредственно к защищаемому объекту наряду с вынуждающими силами с целью их
3
компенсации. Поскольку работа этих систем связана с использованием энергии подводимой
извне, то, очевидно для эффективной работы необходимо в определенные моменты времени
либо подводить, либо поглощать определенное ее количество. В САВ энергия внешнего
источника при помощи привода того или иного типа непосредственно доводится до
защищаемого объекта и отводится от него.
Кроме того, система должна работать в
автоматическом режиме. Следовательно, виброзащитные системы, содержащие активные
элементы, связанные с внешними источниками энергии, становятся фактически приводами с
системами автоматического управления.
Объект исследования: комбинированная система виброзащиты на базе пневматических
резинокордных оболочек.
Предмет исследования: динамические закономерности совместной работы пассивной и
привода активной систем виброзащиты объекта.
Цель исследования: Повышение уровня виброзащиты объекта при использовании
привода с комбинированной системой подавления колебаний на базе РКО.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научнотехнические задачи:
- составить принципиальную схему и разработать математическую модель
комбинированной виброзащитной системы на базе пневматических резинокордных оболочек;
- провести исследование разработанной математической модели;
- разработать и изготовить экспериментальный комплекс для проведения натурных
исследований способов построения и алгоритмов управления активной системой виброзащиты
объекта на базе пневматических резинокордных устройств;
- провести натурные испытания и проанализировать полученные результаты;
- разработать рекомендации по построению активных виброзащитных систем на базе
пневматических резинокордных устройств.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана математическая модель комбинированной системы виброзащиты с
использованием пневмопривода на базе пневматических резинокордных оболочек;
- получены результаты теоретических исследований линейных и продольно-угловых
колебаний объекта при гармоническом и импульсном возбуждении с комбинированной
системой виброзащиты на базе пневмопривода;
- установлены динамические закономерности движения элементов экспериментального
комплекса для исследования привода комбинированной системы виброзащиты объекта.
Практической ценностью работы является:
- научно-обоснованное техническое решение способа построения привода для
комбинированной системы виброзащиты объекта на базе пневматических резинокордных
оболочек;
- возможность использования полученных результатов при проектировании
комбинированных систем виброзащиты объектов на базе пневматических резинокордных
оболочек;
- создание экспериментального комплекса, позволяющего исследовать новые способы
построения привода и алгоритмы управления активной системой виброзащиты объекта,
определять характер и масштаб протекающих процессов и формировать реальную картину
колебаний объекта виброзащиты.
Методы исследования: выполненные в работе исследования основываются на
использовании положений и методов механики твердого тела, теории упругости, теории
колебаний, газовой динамики, приближенных методов исследования нелинейностей, а также
численных методов решения нелинейных задач.
Положения, выносимые на защиту:
- математическая модель комбинированной системы виброзащиты объекта на базе
пневматических резинокордных оболочек;
4
- результаты теоретических исследований колебаний объекта с комбинированной
системой виброзащиты с использованием пневматических резинокордных оболочек;
- конструкция и алгоритм работы экспериментального комплекса для исследования
комбинированной системы виброзащиты объекта на базе пневматических резинокордных
оболочек;
- результаты
исследований
комбинированной
системы
виброзащиты
на
экспериментальном комплексе;
- рекомендации по построению активных виброзащитных систем на базе
пневматических резинокордных устройств.
Апробация работы
Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на
Всероссийской научной конференции, посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет»
С.А. Клинышкова, Омск, 2015 г.; Международной научно-практической конференции
«Инновационные направления в научной и образовательной деятельности», Омск, 2015 г.; II
международной научно-практической конференции «Достижения и проблемы современной
науки», Санкт-Петербург, 2015 г.; VIII международной научно-практической конференции
«Достижения и проблемы современной науки», Санкт-Петербург, 2016 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 7 статей, из них 3
статьи в журналах, рекомендованных ВАК для материалов диссертаций и 1 патент на полезную
модель.
Структура и содержание работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, изложенных
на 122 страницах машинописного текста, поясняется 71 рисунком и 4 таблицами. Список
литературы включает 123 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлено обоснование актуальности темы диссертационной работы,
сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость
работы, а также положения, выносимые на защиту. Дана краткая характеристика
диссертационного исследования.
В первой главе представленной работы рассмотрена расчетная модель виброзащитной
системы, в которой выделены три основные части: источник возмущений, объект защиты и
виброизолирующее устройство (ВУ). Определена схема взаимодействия выделенных частей,
для решения задач виброзащиты приборов, аппаратов, точных механизмов и станков, т. е.
оборудования, чувствительного к вибрациям.
Рассмотрены устройство и принцип работы, достоинства и недостатки пассивных
виброзащитных систем.
Работа активных систем связана, как известно, с использованием энергии подводимой
извне и для эффективной их работы необходимо в определенные моменты времени либо
подводить, либо поглощать определенное ее количество, причем система должна работать в
автоматическом режиме. Виброзащитные системы, содержащие активные элементы, связанные
с внешними источниками энергии, являются фактически приводами с системами
автоматического управления, работающими в специальных режимах.
Эти системы имеют различные способы управления и конструкции, от устройств с
пьезоэлектрическим и магнитоэлектрическим приводом, обладающих малым тяговым усилием
и высокой частотой срабатывания до низкочастотных пневматических резинокордных
элементов, которые обладают высокой грузоподъемностью и надежностью.
К недостаткам резинокордных оболочек (РКО) в качестве исполнительных устройств
активных виброзащитных систем следует отнести одностороннюю направленность их действия.
При подаче давления газа они могут создавать усилие только в одном направлении. Обратный
5
ход, при снятии давления, осуществляется либо под действием собственного веса защищаемого
оборудования, либо под действием дополнительного упругого элемента.
Однако возможно применение РКО и для создания обратного хода при использовании
реверсора, аналогичного тому, который устанавливают на разрывных машинах для сжатия
образцов.
На этом принципе разработана новая
конструкция
комбинированной
виброзащитной системы с использованием
РКО (Патент на полезную модель №159456),
представленная на рис.1.
Рис.
1.
Схема
комбинированной
виброзащитной системы с использованием
РКО: 1 – стол; 2 – виброзащищаемая
платформа; 3 – РКО пассивной системы
виброзащиты; 4, 5 – верхнее и нижнее РКО
активной системы виброзащиты; 6 –
реверсор; 7 – датчик скорости; 8 – блок
управления; 9 – ресивер
Несущим элементом виброзащитной опоры является РКО 3 пассивной системы,
давление в которой в процессе работы не регулируется. Давление в РКО 4 и 5 активной
системы изменяется блоком управления 8 в противофазе колебаниям платформы 2. При ее
движении вниз давление подается в РКО 4, а при движении вверх в РКО 5, которое через
реверсор 6 препятствует этому перемещению. Блок управления срабатывает в зависимости от
сигналов с датчика скорости 7, установленного на платформе 2.
Исходя из выполненного обзора сформулированы цель исследования и задачи, которые
необходимо решить, для ее достижения.
Во второй главе
построена
математическая
модель
комбинированной
виброзащитной системы с использованием РКО, которая учитывает:
- работу РКО пассивной системы,
- действие привода активной системы,
- процессы наполнения РКО активной системы сжатым воздухом и их опорожнения.
При составлении расчетной схемы приняты следующие допущения:
- платформа с установленным оборудованием является абсолютно твердым телом,
имеющим продольную плоскость симметрии, в этом случае деформациями платформы на изгиб
можно пренебречь;
- перемещения платформы являются малыми;
- поскольку принято, что платформа с установленным оборудованием является твердым
телом, имеющим продольную плоскость симметрии, то возможно рассмотрение плоской
модели;
- проскальзывание между платформой и резинокордными оболочками отсутствует;
- перемещения всех опор стола одинаковы;
- упругие элементы имеют линейные характеристики.
С учетом принятых допущений составлена эквивалентная схема колебательной системы
(рис. 2).
Колебания платформы рассматриваются в двух обобщенных координатах z и φ а также
вспомогательных координатах q (перемещения основания). Система имеет две степени
свободы, виброзащищаемую платформу с массой m и моментом инерции J.
6
Рис. 2. Расчетная схема:
m – масса защищаемой
платформы; J – момент
инерции защищаемой
платформы
относительно
центра
масс;
l1, l2 – расстояние от
центра масс до точек
подвеса;
Δl – расстояние от
центра масс до оси
защищаемой
платформы.
При этом: c11 = c12 = c p1 , c21 = c22 = c p 2 , q1 = q2 = q.
При учете того, что силы тяжести защищаемой платформы уравновешивается силами
упругости РКО пассивной системы и, пренебрегая силами трения в подвеске, а также
демпфирующими свойствами РКО, система дифференциальных уравнений, соответствующая
схеме на рис.2 будет иметь вид:
mz + 2c1 (z − q + l1ϕ ) + 2c2 (z − q + l2ϕ ) =
= 2 S эф P1 + 2 S эф P2 − 2c p1 (z − q + l1ϕ ) − 2c p 2 (z − q + l2ϕ );
Jϕ + 2c1l1 ( z − q + l1ϕ ) + 2c2l2 ( z − q + l2ϕ ) =
= −2l1S эф P1 + 2l2 S эф P2 − 2c p1l1 ( z − q + l1ϕ ) − 2c p 2l2 ( z − q + l2ϕ ).
(1)
где z, φ – линейные и угловые перемещения защищаемой массы;
Sэф – эффективная площадь РКО;
P1, 2 (ϕ , t ) – давление в РКО.
При анализе компоновки системы и учитывая то, что масса защищаемой его части имеет
значительную величину и превышает массу размещаемого на ней оборудования, центр масс
практически совпадает с центром упругости. Такая особенность компоновки позволяет принять
допущение о независимости вертикальных колебаний защищаемой массы от продольноугловых из-за симметричности подвески.
Вертикальные
и
угловые
колебания
будут
описываться,
следующими
дифференциальными уравнениями, соответственно (2) и (3):
mz + 2c1 (z − q ) + 2c2 (z − q ) =
(2)
= 2 S эф P1 + 2 S эф P2 − 2c p1 (z − q ) − 2c p 2 (z − q );
(
)
Jϕ + 2 с1l12 + c2l22 ϕ =
(
(3)
)
= −2l1S эф P1 + 2l2 S эф P2 − 2 c p1l12 − c p 2l22 .
При составлении математической модели распределительных пневматических устройств
(РПУ) необходим учет расхода газа через цилиндрический дроссель. При этом приняты
следующие допущения:
- газ считается идеальным;
7
- течение газа по каналам адиабатное;
- течение газа по каналам пневматического распределительного устройства (РПУ)
является установившимся и одномерным;
- ввиду относительно высокого быстродействия электромеханического преобразователя
будем считать, что вносимые им искажения в передачу сигнала рассогласования
незначительны;
- площади проходных сечений РПУ линейно зависят от отклонения золотника;
- истечения газа через все дроссели РПУ является надкритическим;
- коэффициенты расхода сечений РПУ приняты постоянными и равными величине,
соответствующей равновесному режиму;
- объемы полостей РКО, давления в полостях и температуры незначительно изменяются
относительно их величин, соответствующих согласованному положению.
Структурная схема системы регулирования давления газа в РКО активной системы
представлена на рис.3.
Рис. 3. Структурная схема системы регулирования давления газа в РКО активной системы: Д –
датчик скорости; У – усилитель; Ф – фильтры; ЭМП – электромеханический преобразователь;
ЗУК – золотник управляющего каскада; ОЗ – основной золотник; РКО – резинокордные
оболочки; ОУ – объект управления; МПГ – магистраль подачи газа; МПЖ – магистраль подачи
жидкости
Пассивная система виброзащиты построена на РКО баллонного типа марки И-09.
Давление в этих РКО устанавливается в зависимости от веса, закрепляемого на защищаемой
плите оборудования и в процессе работы не изменяется.
Время наполнения РКО активной системы виброзащиты построенной также на РКО типа
И-09 при изотермическом процессе можно определить по выражению:
tн =
( Pmαx − Pmin ) ⋅ V0 ,
10α ⋅ f ⋅ Pп TN
где α = gRTN ≈ 20 T – скорость распространения упругой волны в среде;
f - площадь проходного сечения золотника основного распределителя;
Т - абсолютная температура;
N - показатель адиабаты.
Время опорожнения РКО при тех же условиях определяется из выражения:
to = − ln
Pmin
V0
,
⋅
Pmax 0,58 ⋅ a 2 ⋅ f
V0 – объем РКО в среднем положении,
R – газовая постоянная.
Полагая, V0 =1× 10-3 м3; f = 3,14 ∙ 10-4 м2; Т = 25 оС; N = 1,4; gRTN = 20 T м/с, для
оценки эффективности комбинированной системы виброзащиты можно принять, что
управление процессом наполнения и опорожнения РКО при малых отклонениях платформы
описывается следующими уравнениями:
8



∆pн S эф − ccв ∆z + ccв ∆z m = 0;


2
d (∆z m )
d (∆z m )

m
+ k тр
+ (ccв + cн )∆z m = ccв ∆z;
2
dt
dt

d (∆z ) V0 d (∆pн )

;
∆Q2 = S эф
+

dt
2 Eц′ dt


∆x2 = K xh ∆h − K ос ∆z.

∆Q2 = K Qx ∆x2 − K Qp ∆pн ;
(4)
где z – перемещение РКО;
zm – перемещение защищаемой платформы;
Δpн – перепад давления в РКО;
х2 = х з 0 + ∆х з ; z m1 = z m 0 + ∆z m ;
ΔQ2 – изменение расхода золотника основного каскада;
х2 – перемещение золотника основного каскада;
KQp – коэффициенты передачи;
m – масса защищаемой платформы;
Kтр – коэффициент трения;
ссв – жесткость связи;
Koc – коэффициент обратной связи.
Полагая, что усилия, создаваемые РКО активной системы и воздействующие на защищаемую
платформу управляются двухкаскадным электрогидропневматическим распределителем с
системой обратной связи по положению основного золотника, принципиальную схему
электрогидропневматической системы можно представить в виде (рис. 4):
Рис. 4. Принципиальная схема пневматического
привода: 1 – верхнее РКО активной системы
виброзащиты; 2 – нижнее РКО активной системы
виброзащиты; 3 – РКО пассивной системы
виброзащиты; 4 – распределитель основного (второго)
каскада; 5 – распределитель управляющего (первого)
каскада; 6 – электромеханический преобразователь
(ЭМП) золотника управляющего каскада; 7 – датчик
обратной связи положения золотника основного
каскада; х1, х2 – перемещения золотников
управляющего и основного каскадов соответственно; Рпж, Рпв – давление рабочей жидкости в
питающей магистрали и давление воздуха соответственно.
Перемещения управляющего золотника (золотника первого каскада) х1 определяются
уравнениями электромеханического преобразователя (ЭМП).
m d 3 x1  m
h  d 2 x1 
h  dx
+
+
t

 2 + t +  1 + x1 = K1U 1
3
c dt
c  dt
c  dt
c

U 1 = K ус [U вх (t ) − K ос 2 x2 ],
t
где К1 - коэффициент передачи ЭМП;
τ - постоянная времени электромеханического преобразователя;
m - масса подвижных частей электромеханического преобразователя;
h - коэффициент вязкого сопротивления;
с - жесткость подвески якоря ЭМП;
9
(5)
U1 - напряжение, подаваемое на ЭМП;
Кус - коэффициент усиления усилителя;
Кос - коэффициент обратной связи.
Уравнения движения основного золотника примем в виде: х2 = К пу ⋅ х1 ,
где Кпу - коэффициент усиления по перемещению золотника.
Для адиабатического процесса, при показателе адиабаты N = 1,4, εкр = 0,528. Полагая, что
Рп = 0,17 МПа, Ра = 0,1 МПа, максимальное рабочее давление в РКО (Рmax) не должно
превышать 0,15 МПа, а минимальное (Рmin) 0,1 МПа.
Жесткость РКО пассивной системы определяется, как известно, из выражения:
2
дS Р
ТP0 S эф
с0 =
+ эф 0
дz
V
(6)
дS эф
Полагая в первом приближении, что величина
мала, а объем РКО - V является
дz
линейной функцией относительно перемещения, коэффициент жесткости РКО можно
определить по следующему выражению:
2
NP0 S эф
с0 =
,
h0
(7)
h0 - высота РКО в среднем положении,
с0 - коэффициент жесткости РКО пассивной системы,
Р0 - давление в РКО пассивной системы.
Таким образом, уравнения 1 ÷ 7 определяют с учетом сделанных выше допущений
динамику движения пневмомеханической системы с пассивной и активной системами
виброзащиты.
Исследование математической модели проводилось в три этапа. При этом оценивались:
- вертикальные колебания платформы с управлением активной системы по скорости линейных
перемещений,
- продольно-угловые колебания платформы с управлением активной системы по скорости
перемещений,
- вертикальные колебания платформы с управлением активной системы по величине линейных
перемещений.
Структурная схема набора в среде
MATLAB с расширением Simulink системы
виброзащиты с линеаризованной следящей
системой для первого этапа представлена на рис.
5.
При моделировании было принято, что при
идеальном измерителе скорости вертикальных
перемещений защищаемой платформы подача
давления газа в РКО активной системы
производится двухступенчатым золотниковым
распределителем.
Рис. 5. Структурная схема системы виброзащиты с
управлением по скорости перемещений
Вид переходного процесса при неработающей активной системе виброзащиты
защищаемой платформы (линия 1) и при введении активной системы в действие (линия 2)
представлен на рис. 6.
10
Рис. 6. Графики переходных процессов: 1
– для пассивной системы виброзащиты;
2 – при совместной работе пассивной и
активной системы виброзащиты
Результаты
моделирования
вертикальных колебаний защищаемой
платформы в зависимости от частоты
возмущающей силы представлены на рис.
7.
Рис. 7. Результаты моделирования работы
комбинированной системы виброзащиты:
1 – работает только пассивная система
демпфирования; 2 – работает комбинированная
система виброзащиты.
Аналогичные данные получены для
второго и третьего этапов исследования
математической модели.
Полученные
графики
позволяют
сделать вывод о том, что реализация
комбинированной системы виброзащиты с
управлением по скорости перемещений (1 и 2
этапы) значительно уменьшает амплитуду
вынужденных
колебаний
защищаемой
платформы и что особенно важно, это происходит на низких частотах, на которых стандартные
и модифицированные системы пассивного демпфирования не эффективны.
Реализация комбинированной системы виброзащиты с управлением по величине
перемещений (3 этап) практически не оказывает влияния на амплитуду вынужденных
вертикальных колебаний защищаемой платформы.
Третья глава
посвящена описанию экспериментального комплекса (ЭК) для
исследования комбинированной системы виброзащиты. Создание такого комплекса позволяет
реализовать предложенную конструкцию комбинированной виброзащитной системы и
исследовать различные алгоритмы ее управления.
Поскольку все 4 опоры имеют аналогичное устройство и алгоритм их работы не
отличается друг от друга, представляется возможным исследовать движение массивной
платформы относительно одной опоры. Исходя из этого возможно построение плоской модели,
содержащей основные элементы пассивной и активной систем виброзащиты массивной
платформы.
Компоновка стенда обусловливает наличие трех основных систем (рис.8):
- система возбуждения колебаний,
- система активной виброзащитной системы,
- информационно-измерительную система (ИИС), включающий в себя:
- управляющий вычислительный комплекс (УВК),
- измерительно-вычислительный комплекс (ИВК).
11
Рис. 8. Структура экспериментального комплекса.
Система возбуждения колебаний включает в себя программное обеспечение ZETLAB,
установленное в ЭВМ для модуля АЦП ЦАП ZET 230, электронную схему управления
золотником гидроцилиндра, силовой гидроцилиндр (использована рулевая машинка КАУ-30Б
вертолета МИ-8), насосную станцию.
Комбинированная система виброзащиты представляет собой устройство подавления
колебаний верхней балки, в результате совместного действия
пассивной и активной
составляющих.
Информационно-измерительная система включает в себя: управляющий вычислительный
комплекс (УВК) и измерительно-вычислительный комплекс (ИВК).
Общим инструментом для выполнения всех операций является ИВК, который выполняет
прямые, косвенные, совместные и совокупные измерения электрических величин, управляет
процессом их измерения, выдает результаты измерений оператору в заданном виде.
УВК формирует управляющие воздействия на объект управления путем изменения
давления воздуха в полостях РКО активной системы. Этот процесс осуществляется при помощи
золотникового распределителя, управляемого электрогидравлической системой.
Комбинированная виброзащитная система с САУ по скорости движения
виброзащищаемой плиты (рис. 9) работает следующим образом: при изменении положения
штока силового гидроцилиндра 9 нижняя балка 2 через элементы пассивной виброзащитной
системы 5 создает вынужденные колебания верхней балки 1. Сигнал с датчика угловой
скорости 13 поступает через согласующий усилитель 11 на вход микроконтроллера 12. В
зависимости от величины и знака сигнала датчика шток гидроцилиндра, связанный с
золотником пневмоклапана начинает перемещаться на величину, соответствующую
управляющему сигналу с микроконтроллера. Управляющий сигнал корректируется в
соответствии с положением штока гидроцилиндра управления клапаном. Для этого в
микроконтроллер поступает информация с датчика перемещения штока управляющего
гидроцилиндра 20. Сигнал с микроконтроллера усиливается согласующим усилителем 11.
Шток управляющего гидроцилиндра 15 воздействует на золотник клапана управления
подачей воздуха 16 через рычаг 19.
12
Рис. 9. Компоновка
экспериментального
комплекса с САУ по
скорости: 1 – верхняя
балка, имитирующая
виброзащищаемую
платформу;
2
–
нижняя
балка,
имитирующая стол;
3 – кронштейн; 4 –
реверсор; 5 – РКО
пассивной системы
виброзащиты; 6, 7 –
верхняя и нижняя
РКО активной системы виброзащиты; 8 – грузы; 9, 15 – силовой гидроцилиндр; 10 – станина;
11 – согласующие усилители; 12 – микроконтроллер; 13 – датчик скорости; 14 – подача воздуха
в РКО; 16 – распределительный клапан; 17 – система компрессор-ресивер;
18 – воздуховодная магистраль; 19 – рычаг; 20 – датчик перемещения золотника.
При этом через жесткий рычаг 19, перемещается шток золотника для подачи воздуха
либо в РКО 6, либо в РКО 7. При открытии золотника 16 происходит наполнение РКО воздухом
с избыточным давлением от питающей магистрали 17, что повышает жесткость РКО и изменяет
ее высоту. Сброс избыточного давления через золотник из противоположной РКО в атмосферу
происходит одновременно. Наполнение и опорожнение РКО 6 и 7 пропорционально амплитуде
колебаний верхней балки 1 в противофазе ее движениям вызывает более быстрое их
подавление. Устройство возбуждения колебаний и РКО пассивной и активной систем
виброзащиты представлено на рис.10.
Рис.
10. Общий вид
экспериментального
комплекса с активной
виброзащитной
системой:
1 – верхняя балка,
имитирующая
виброзащищаемую
платформу; 2 – нижняя
балка,
имитирующая
стол; 3 – кронштейн; 4 –
реверсор; 5 – РКО
пассивной
системы
виброзащиты;
6, 7 – верхняя и нижняя
РКО активной системы
виброзащиты; 8 – грузы;
9
–
силовой
гидроцилиндр; 10 – станина; 11 – система компрессор-ресивер; 12 – датчик скорости
перемещения; 13 – воздуховодная магистраль.
13
РКО модели И-09 позволяет создавать усилие, необходимое для демпфирования
колебаний и может работать с незначительными перекосами.
Имитацию штатной пассивной подвески обеспечивает одна РКО модели И-09.
Разработанный
измерительно-вычислительный
комплекс
представляет
собой
виртуальный прибор, который включает в себя программный модуль и интерфейс, по которому
осуществляется связь между измерителями физических величин и ЭВМ. Полученные данные
обрабатываются и записываются на носители информации с целью их последующего анализа.
Другая часть ИВК содержит микроконтроллер в плате Arduino, который может использоваться
как для создания автономных объектов автоматики, так и подключения к программному
обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы.
Платы с микроконтроллером снабжены минимально необходимым набором обвязки для
нормальной работы микроконтроллера (стабилизатор питания, кварцевый резонатор, цепочки
сброса и т. п.). Arduino и Arduino-совместимые платы спроектированы таким образом, чтобы их
можно было при необходимости расширять, добавляя в устройство новые компоненты. Эти
платы расширений подключаются к Arduino посредством установленных на них штыревых
разъемов.
Программное обеспечение ZETLAB, поставляемое с модулями АЦП ЦАП ZET 230,
позволяет приступить к процессу измерения и управления сразу после подключения модуля к
персональному компьютеру. В него уже входят все необходимые программы для проведения
испытаний и измерений по нескольким выбранным измерительным каналам, а также контроль
измеряемых величин и вывод текущих измеряемых параметров на монитор ПК.
Для получения информации о протекающих на ЭК процессах, использовался
микромеханический датчик, выполненный по технологии MEMS. Для измерения скорости
перемещения использовался датчик, созданный на основе микросхемы ly550alh (рис. 11).
Характеристики таких датчиков позволяют измерять скорости до 50 м/с. Погрешность
измерения при нормальных условиях составляет менее 0,01 %.
Рис. 11. Общий вид датчика.
Комбинированная виброзащитная система с
управлением по перемещению (рис. 12 и рис. 13)
работает следующим образом: при изменении положения штока силового гидроцилиндра 9
нижняя балка 2 через элементы пассивной виброзащитной системы 5 создает вынужденные
колебания верхней балки 1. Верхняя балка жестко соединена со штоком золотника. В
зависимости от величины и направления перемещения штока золотника воздух подается либо в
РКО 6, либо в РКО 7 пропорционально амплитуде перемещения. При перемещении золотника
13 происходит наполнение РКО воздухом с избыточным давлением от системы компрессорресивер 12, что повышает ее жесткость и изменяет высоту РКО. Одновременно происходит
сброс избыточного давления из противоположной РКО в атмосферу.
14
Рис.
12.
Компоновка
экспериментального комплекса с
САУ по перемещению верхней
балки
(платформы):
1 – верхняя балка, имитирующая
виброзащищаемую платформу; 2 –
нижняя балка, имитирующая стол; 3
– кронштейн; 4 – реверсор; 5 – РКО
пассивной системы виброзащиты; 6,
7 – верхняя и нижняя РКО активной
системы виброзащиты; 8 – грузы; 9
– силовой гидроцилиндр; 10 –
станина; 11 – воздуховодная
магистраль;
12
–
система
компрессор-ресивер; 13 – распределительный клапан; 14 – магистрали подача воздуха в РКО.
Рис.
13.
Компоновка экспериментального
комплекса с САУ по перемещению: 1 – верхняя
балка,
имитирующая
виброзащищаемую
платформу; 2 – кронштейн; 3 – РКО пассивной
системы виброзащиты; 4 – грузы; 5 – станина; 6 –
магистраль подачи воздуха в пневмоклапан; 7 –
пневмоклапан; 8 – шланги подачи воздуха в РКО.
В четвертой главе определены цель,
задачи натурных испытаний и порядок их
проведения.
Целью натурных испытаний является
оценка эффективности работы комбинированной
виброзащитной системы.
На основе поставленной цели сформулированы следующие задачи:
– получить экспериментальные графики
амплитуд перемещений верхней балки,
имитирующей виброзащищаемую платформу при действии только пассивной системы;
– получить экспериментальные графики амплитуд перемещений верхней балки,
имитирующей виброзащищаемую платформу с комбинированной виброзащитной системой с
управлением по скорости;
– получить экспериментальные графики амплитуд перемещений верхней балки,
имитирующей виброзащищаемую платформу с комбинированной виброзащитной системой с
управлением по перемещению;
– оценить адекватность экспериментальных исследований.
15
Перед началом испытаний проведены подготовительные мероприятия, выделены
определяющие параметры. Заданы предельные значения определяющих параметров, граничные
и начальные условия.
Методика проведения испытаний:
При проведении испытаний переменной величиной была частота управляющего сигнала,
возбудителя вибраций.
В процессе проведения испытаний выполнены измерения перемещений и угловой
скорости верхней и нижней балок. Интервал варьирования выбран равным 0,2 Гц в диапазоне
от 0,2 до 2 Гц и 0,5 Гц на участке 2…5,5 Гц. Следовательно, для построения АЧХ перемещений
были определены значения ординат 17 точек.
Работа на каждом частотном режиме производится в течение 0,5…1 мин.
Результаты испытаний и их оценка.
Обработка полученных результатов эксперимента проводилась в два этапа.
На первом этапе были построены графики всех сохраненных в файл отчета данных.
На втором этапе проводилась оценка качества полученных данных, сравнение и
интерпретация результатов эксперимента.
На рис. 14 приведена АЧХ перемещений верхней балки, где максимальная амплитуда
находится в диапазоне 1,5 - 2 Гц, а второй пик наблюдается в диапазоне 3 - 3,5 Гц. Поскольку
собственная частота РКО пассивной системы (по данным НИКТИ шинной промышленности)
лежит в диапазоне 3 - 4 Гц, то следует предположить, что второй пик связан с наложением
собственных частот колебаний РКО и колебаний самой балки. Первый пик, находящийся в
диапазоне низких частот 1,5…2 Гц обусловлен резонансными явлениями.
Рис. 14. АЧХ перемещений верхней балки только с пассивной системой (линия 1) и АЧХ
перемещений нижней балки (линия 2); линия 3 – линия тренда.
Сравнение графиков АЧХ перемещений верхней балки, полученных на стенде и на
математической модели представлено на рис. 15. Полученные результаты сопоставимы.
Анализ изменения амплитуды от частоты показывает, что характер графиков идентичен, кроме
участка в диапазоне 3-4 Гц, на котором, в эксперименте наблюдается резонанс, обусловленный
наложением собственных частот РКО.
Далее был произведен анализ работы комбинированной системы виброзащиты с
работающей активной и пассивной системами.
Представленные на рис. 16 графики свидетельствуют об эффективности подавления
колебаний верхней балки комбинированной системой виброзащиты во всем представленном
16
частотном диапазоне. Однако на участке 1,5 - 2,5 Гц, как и в случае испытаний только с
пассивной системой наблюдается максимум, вместе с тем, резонансные явления не очевидны.
Рис. 15. Сравнение АЧХ перемещений верхней балки только с пассивной системой,
полученных на экспериментальном комплексе (линия 1) и АЧХ перемещений, полученных на
математической модели (линия 2); линия 3 и 4 – линии тренда.
Рис. 16. АЧХ перемещений верхней балки с комбинированной системой виброзащиты (линия 1)
и АЧХ перемещений нижней балки (линия 2).
Для оценки адекватности математической модели были использованы результаты
эксперимента и математического моделирования. Из графиков (рис. 17) видно, что
динамические характеристики созданного экспериментального комплекса и разработанной
математической модели имеют удовлетворительное согласование.
17
Рис. 17. АЧХ колебаний верхней балки с комбинированной виброзащитной системой
полученных на экспериментальном комплексе (линия 1) и результаты математического
моделирования (линия 2).
При использовании линейной интегральной оценки установлено, что результаты имеют
расхождение 7,4%. Что является свидетельством адекватности результатов эксперимента и
математического моделирования.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛИТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Разработана математическая модель активной системы виброзащиты с приводом на
базе резинокордных оболочек, работающей совместно с пассивной системой.
2. Исследование математической модели показало, что комбинированная система
демпфирования является эффективной в диапазоне частот 0,5 ÷ 2,5 Гц, вследствие влияния
постоянных времени процессов наполнения и опорожнения РКО. Следовательно, в диапазоне
выше 2,5 Гц систему необходимо отключать.
3. Разработан и построен экспериментальный комплекс для исследования пневопривода
комбинированной виброзащитной системы.
4. Испытания
комбинированной
системы
виброзащиты,
проведенные
на
экспериментальном комплексе показали, что снижение уровня вибронагруженности
оборудования достигает 40%. Амплитуды скорости колебаний, вызванной единичным
воздействием, снижаются на величину до 21%. При периодическом возмущении эффективность
комбинированной системы виброзащиты по сравнению с пассивной системой достигает 47%.
5. Показано, что эффективность работы комбинированной системы виброзащиты с
управлением пневматическим приводом по перемещению плиты в сравнении с пассивной
системой не превышает 14%.
6. При сравнении АЧХ колебаний виброзащищаемой платформы, полученных на
математической модели и по результатам натурных испытаний установлено, что расхождение
результатов не превышает 7,4%, что может служить свидетельством адекватности результатов
математического моделирования экспериментальным данным.
7. Разработаны инженерные рекомендации по проектированию привода активной
системы виброзащиты с использованием пневматических резинокордных устройств.
8. Доказано преимущество использования привода с применением пневматических
резинокордных исполнительных устройств для виброзащиты объектов в диапазоне 0,5 ÷ 2,5 Гц.
18
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:
1. Зелов А.Ф. Разработка и исследование математической модели комбинированной
системы виброзащиты на базе пневматических резинокордных устройств/ Ю.А. Бурьян,
В.Н. Сорокин, А.Ф. Зелов // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и
технологии. №4 (148) 2016 г. с. 19-23.
2. Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокин, Н.В. Захаренков, А.Ф. Зелов. Стенд для исследования
комбинированной виброзащитной системы. Вестник СибАДИ Выпуск 6 (52), 2016, С 1319.
3. Зелов А.Ф. Экспериментальное исследование комбинированной системы виброзащиты
прецизионного оборудования. Вестник ЮуГУ, серия Машиностроение, том 16, №4
(2016), С 42 – 50.
Патенты РФ:
4. Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокин, А.Ф. Зелов, А.Ю. Кондюрин. Комбинированная
виброзащитная система. Патент на полезную модель №159456.
Статьи в материалах конференций и других изданиях:
5. Зелов А.Ф. Анализ виброзащитных средств и их классификация/ Ю.А. Бурьян, В.Н.
Сорокин, А.Ф. Зелов // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетнокосмической техники и подготовки инженерных кадров для авиакосмической отрасли.
Материалы IX Всероссийской научной конференции, посвященной памяти гл.
конструктора ПО «Полет» А.С. Клинышкова. Редакционная коллегия: В.Н. Блинов, О.И.
Бабенко, И.М. Чумаченко. 2015. С 74-86.
6. Зелов А.Ф. Математическая модель комбинированной системы виброзащиты с
использованием РКО/ Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокин, А.Ф. Зелов // ІI международная
научно-практическая конференция «Достижения и проблемы современной науки» (03
ноября 2015г.) 3 часть г. Санкт-Петербург- 2015. – Научный журнал Globus. с. 105-109.
7. Зелов А.Ф. Классификация систем виброзащиты приборов и оборудования/ Ю.А.
Бурьян, В.Н. Сорокин, А.Ф. Зелов // Международная научно-практическая конференция
г. Смоленск, 30 ноября 2015 г. В 3-х частях. Часть 1. с. 113-116.
8. Зелов А.Ф. Уточнение и исследование математической модели комбинированной
системы виброзащиты с использованием РКО/ Ю.А. Бурьян, В.Н. Сорокин, А.Ф. Зелов //
VIII Международная научно-практическая конференция «Достижения и проблемы
современной науки» (07 мая 2016 г.) г. Санкт-Петербург. Научный журнал Globus. с. 4450.
19
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
1 520 Кб
Теги
0d3053c038, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа