Системи позиціювання у гідроприводі

Вступ

Однією з найрозповсюдженіших технічних задач, які виникають при комплексній механізації, автоматизації виробництва і транспортних процесів, являється позиціювання механізмів і робочих органів машин і обладнання, тобто це означає переміщення на задану відстань або у задану координатами точку, здійснення руху із заданою швидкодією, зупинок з заданою точністю і фіксація механізмів при наявності зовнішнього навантаження.

Така задача виникає при програмному керуванні станками і технологічним обладнання, при дистанційному впливі на органи керування транспортних машин, суден і літальних апаратів, при дистанційному і автоматичному регулюванні хімічних, теплових і ядерних процесів, при автоматизації підйомно-транспортних, завантажувально-розвантажувальних і технологічних операцій за допомою роботів і автоматичних маніпуляторів та в багатьох інших випадках.

Вирішення задачі позиціювання робочих органів машин і механізмів можна забезпечувати використанням:

- Аналогових засобів, це переважно слідкуючі пристрої з двигунами неперервної дії.

- Дискретних засобів, це в основному покрокові гідродвигуни.

Аналогові гідроприводи. Об'ємні, теплові, слідкуючі. Використання

Широке розповсюдження в техніці отримали гідроприводи об’ємної дії.

Принцип роботи об’ємних гідроприводів ґрунтується на переміщенні вихідної ланки під дією тиску, внаслідок зміни об’єму робочого тіла в камері. Як робоче тіло використовуються рідини, гази та їх суміші. Зміна об’єму робочого тіла в камері може здійснюватися за різними схемами.

Привід, який використовує об’ємне розширення робочої рідини, спричинене нагріванням, може застосовуватися в системах позиціонування. На відміну від вимог до робочої рідини гідроприводів, рідина в тепловому гідроприводі повинна мати високий коефіцієнт об’ємного розширення, а камера має бути майже недеформованою з узгодженими вхідним та вихідним тепловими потоками.

Зміна об’єму робочого тіла в камері може здійснюватися за різними схемами. Гідравлічні та пневматичні приводи (рис. 1а) використовуються в системах циклової автоматики, системах позиціонування, як слідкувальні приводи.

Робоча рідина, яка використовується в гідроприводі, має забезпечувати змащення рухомих ланок, характеризуватися мінімальною залежністю в’язкості від температури для експлуатаційного діапазону температур, високим об’ємним модулем пружності, високими коефіцієнтами теплопровідності і питомої теплоємності, малим коефіцієнтом теплового розширення.

Вимога до коефіцієнта теплового розширення пов’язана з впливом температури на витратні характеристики гідропристроїв.

В теплових двигунах зміна об’єму робочого тіла може відбуватися безпосередньо в робочій камері вихідної ланки (двигун внутрішнього згоряння) (рис. 1б), або за рахунок підведення теплової енергії ззовні (рис. 1в). Для теплового приводу, що працює за рахунок температурного розширення робочого тіла, коефіцієнт об’ємного розширення має бути високим, а коефіцієнти теплопровідності і теплоємності — низькими.

Більшість теплових двигунів працюють за циклом Карно, де процес охолодження замінений відведенням робочого тіла з робочої камери і здійснюється поза неї. Це пов’язано з тим, що процес нагріву-охолодження в самій камері є дуже енергоємним і малоефективним.

Схема роботи теплового приводу, у якому нагрівання та охолодження робочого тіла відбувається в робочій камері, може використовуватися в слідкувальних системах для компенсації зміни температури навколишнього середовища та зменшення впливу температури робочої рідини на витратні характеристики пристроїв. Також, такий привід може використовуватися у випадку, коли необхідно проводити стеження за переміщенням джерела теплової енергії.

Наприклад, геліостанція, оснащена приводом позиціонування (трекером). Для підвищення ефективності відбору сонячної енергії необхідно забезпечувати падіння сонячних променів на поверхню сонячної панелі під прямим кутом. Це дозволяє підвищити випроміннення на поверхню приймача геліостанції до 50 %.

Позиціонування приймача геліостанції проводиться протягом світлового дня, при цьому кут повороту складає менше 180° в горизонтальній площині. Позиціонування проводиться згідно з показаннями диференціального датчика освітленості. З використанням рідини з високим коефіцієнтом об’ємного розширення (робоче тіло) можна побудувати пасивний тепловий гідропривод позиціонування (рис. 2). Такий привод складається з окремих модулів, заповнених робочою рідиною. Нагрівання робочої рідини здійснюється за рахунок підведення сонячної енергії до теплового вікна камер приводу, в залежності від положення сонця.

Позиціонування приймача геліостанціі відбувається за найбільш нагрітим модулем.

Модуль приводу складається з камери розширення і пружного елемента типу сильфон (рис. 3).

Камера розширення призначена для зберігання основного об’єму робочої рідини. Одна із стінок камери містить теплопровідний елемент (теплове вікно), який виконано з матеріалу з високим коефіцієнтом теплопровідності. На поверхні теплопровідного елемента відбувається фокусування сонячного випромінювання. Теплова енергія передається робочій рідині. Підведена енергія змінює об’єм рідини. Надлишковий об’єм сприймається пружним елементом і перетворюється в лінійне переміщення штовхача. Вибір сильфона обумовлений вимогами до герметичності модуля і відсутності витоків, які присутні за наявності пар тертя «поршень—гільза».

Як робоче тіло можуть бути використані рідини з високим коефіцієнтом теплового розширення.

Вибір робочої рідини виконується з урахуванням коефіцієнта об’ємного розширення, критичних температур і допустимих тисків.

Більше значення коефіцієнта об’ємного розширення дозволяє отримати більше значення ходу штовхача за того ж об’єму робочої рідини (тих самих розмірів модуля).

Величина переміщення вихідної ланки, хід штовхача, залежить від об’єму робочої рідини, коефіцієнта теплового розширення і величини зміни температури

де W0 — початковий об’єм робочої рідини в модулі; ΔТ — зміна температури рідини внаслідок нагрівання; Fеф. с. — ефективна площа сильфона.

Через особливості модульної конструкції, привід являє собою кроковий двигун і здійснює позиціонування на основі алгоритму, закладеного в конструкцію. Перетворення на кожному кроці лінійного переміщення штовхача в поворот приймача відбувається через взаємодію з похилим диском (рис. 4).

Точність позиціонування залежить від кількості модулів, кутів розташування штовхачів і орієнтації теплового вікна відносно штовхача та джерела випромінення.

Також, на точність позиціонування впливає час підведення та рівень потужності випромінення.

За відсутності підведення променевого потоку до модулів приводу, орієнтація приймача відповідає останньому штовхачу, що спрацював. Але, за конструктивною схемою, за умов поновлення променевого потоку, позиціонування відбувається за модулем, на який діє вхідний тепловий потік.

Дискретні гідроприводи

Відомо дуже багато конструкцій дискретних гідро- і пневмогідроприводів.

Серед них можна виділити дозаторні гідроприводи, об'ємні приводи з багатопоршневими двигунами, крокові гідро- і пневмоприводи з механічною редукцією кроку і крокові гідроприводи з гідравлічною редукцією кроку.

Накопичений досвід дозволяє зробити висновок, що при значній нагрузці і обмеженому числі позицій робочих органів машин, найбільш простими і надійними засобами позиціювання являються в багатьох випадках є дискретні гідроприводи з покроковими гідродвигунами.

Вони дозволяють відпрацьовувати релейні і імпульсні керуючі сигнали від будь-яких дискретних задаючих пристроїв (навіть від стаціонарного комп'ютера) і забезпечують при цьому позиціювання механізмів із високою точністю при практично необмеженій нагрузці.Дискретні гідпроприводи (ДГП) з покроковими гідродвигунами (ПГД) складають новий клас об'ємних гідроприводів, функціональні властивості яких можна коротко охарактеризувати, як здатність стійко відпрацьовувати релейні та імпульсні керуючі сигнали високою точністю позиціювання при практично зустрічній нагрузці

Структуру покрокового гідропривода (ПГП) в загальному вигляді можна представити 3-ма складовими частинами, до яких відносяться "джерело робочої рідини", "керуючий пристрій" та "покроковий гідродвигун" (або кілька покрокових гідроприводів).

Напорна і сливна гідролінії позначені відповідно НГЛ та СГЛ. Керуючий пристрій містить перетворювачі сигналів і гідророзподільники, які здійснюють тактове переключення виконавчої гідролінії (ВГЛ), які позначені Л1, Л2, Л3. Головною відмінною частиною покрокового гідропривода, визначаючою його функціональні властивості, являється покроковий гідродвигун.

Вхідні сигнали x(t) по фізичній природі бувають механічними, електричними, гідравлічними або пневматичними, а по формі - імпульсними і релейними.

Вихідним сигналом ПГП y(t) завжди являється покрокове переміщення (кутове або лінійне) вихідної ланки на величину [math]Ykp[/math].

При цьому на вихідній ланці долається визначена зовнішня нагрузка H(t). Числу і знаку вихідних сигналів відповідають число кроків і напрямок руху вихідної ланки. Час відпрацювання кроку [math]Tkp[/math] залежить від нагрузки і властивостей ПГП.

Важливою властивістю ПГП являється також утримання вихідної ланки у фіксованому положені при незмінному стані ВГЛ (Л1, Л2, Л3). Таким чином, ПГП здійснює функцію позиціювання без використанння головного зворотнього зв'язку, обов'язкової, наприклад, для слідкуючих приводів, що значно спрощує конструкцію приводів і в багатьох випадках позбавляє проблеми забезпечення стійкості.

Із всіх типів гідродвигунів кроковими називють гідродвигуни, які мають наступні функціональні властивості:

1) Покроковий рух вихідної ланки виконується при тактовій (циклічній) зміні стану ВГЛ;

2) Вихідна ланка утримується у фіксованому положенні при незмінному стані ВГЛ;

Ці властивості важливі для здійснення часто зустрічаючій при автоматизації машин і обладнання технічної задачі позиціювання робочих органів.

Для правильного розуміння приведеного формулювання властивостей ПГД уточнення використаних термінів.

Під ВГЛ (виконавчими гідролініями) розуміють гідролінії, які з'єднують гідродвигун з керуючими гідророзподільниками (Л1, Л2, Л3).

До станів ВГЛ відносяться з'єднання їх посередництвом гідророзподільників з напорною чи сливною гідролініями джерела робочої рідини (НГЛ і СГЛ).

В якості третього стану може бути перекриття (запирання) ВГЛ.

Під тактом розуміють тимчасовий період, протягом якого виникають і підтримуються відповідні стани ВГЛ.

Число тактів в циклі може бути 2 і більше.

Кроком називаються переміщення вихідної ланки ПГД після зміни такту.

Номінальна величина кроку залежить тількт від конструкції і розмірів внутрішнього механізму ПГП

Перечисленні функціональні властивості ПГП забезпечуються наявністю особливого виду силової функції, під якою розуміють залежність сили (момента сил) на вихідній ланці від його переміщення.

Порівняння дискретних приводів з іншими типами. Області успішного застосування гідроприводів для позиціювання машин та механізмів.

Як відзначалося вище, для вирішення задач позиціювання робочих органів машин і механізмів використовують два типи приводів: аналогові та дискретні.

Інтенсивний розвиток електроніки сприяв створенню і успішному використанню в різних галузях техніки дискретних електроприводів з покроковими двигунами.

Однак вони виявилися ефетивними лише в розробці низькомоментних (до 1 Нм) покрокових електродвигунів, які відпрацьовують граничну частоту керуючих сигналів до 30кГц. Але при збільшенні потреб крутного моменту (від 10 до 100 Нм) вони мають при номінальній нагрузці відносно низьку частоту обробки керуючих сигналів (до 150 Гц).

Причиною являється значана величина моменту інерції ротора крокового електродвигуна.

Комбіновані приводи мають крутні моменти від 8 до 64 Нм при частоті пропускання керуючих сигналів до 800 Гц. Проте, незважаючи на ці переваги, вони мають два суттєвих недоліки: велику масу та габарити і понижену точність позиціювання.

Необхідність забезпечення крутних моментів більше 100 Нм і прагнення покращити масово-габаритні характеристики привели до розробки гідромоторів з гідравлічною редукцією кроку.

Плавне переміщення робочих органів машин по заданій траєкторії з заданою швидкістю і зупинку в будь-якій точці робочого простору відомі крокові гідроприводи забезпечити не можуть, адже найкращими є слідкуючі приводи. Однак, функції позиціювання і фіксації робочих органів машин при обмеженому числі координат можуть успішно виконувати не лише слідкуючі, а й крокові гідроприводи. Такі функції виконують сервоприводи систем дистнційного керування різних гідрофіцированих машин, силові гідроприводи програмних систем тезнологічного обладнання і гідроприводи програмних маніпуляторів підйомно-транспортного призначення.

При цьому ПГП в багатьох випадках кращі технологічно, дешевші і надійніші в експулатації, ніж слідкуючі гідроприводи.

Причини заключаються в наступному:

ПГП при умові вказаного функціонального обмеження містять меншу кількість дорогих деталей та вузлів, а також пристроїв з підвищеною інтенсивністю відмов;

Вони менш чуттєві до коливань температури і чистоти рідин та масел, ніж слідкуючі гідроприводи;

ПГП не потребують регулювання та налаштування окремих пристроїів при експлуатації.

Приклади:

Схема гідропривода підйомного механізма крана з гідравлічним кроковим сервоприводом системи дистанційного керування.

1 - гідробак; 2 - підживлювальний насос; 3 - насос системи керування; 4 - напорний золотник; 5 - (1-2) фільтри з клапанами; 6 - нідрокомутатор; 7 - кроковий гідроцилінд; 8 - насос типу 207.20; 9 -блок клапанів; 10 - гідромотор типу 210.20; 11 - гальмівний шкив; 12 - гальмівний гідроциліндр; 13- гідророзподільник; 14 - повітряний теплообмінник;

Схема дискретної системи керування гідромотором обертача бурового станка

1 - задаючий пристрій; 2 - гідрокомутатор; 3 - кроковий гідродвигун; 4 - орган регулювання гідромотором; 5 - гідророзподільник

Схема виконавчої частини крокового гідропривода підйомного механізма листозавантажувача автоматичної штампової лінії

1 - гідрокомутатор; 2 - кроковий гідроцилінд

Схема виконавчої частини неперервно-крокового гідропривода поздвожнього переміщення автоматичного маніпулятора

1 - дросель з регулятором; 2 - трьохпозиційний гідророзподільник; 3 - (1 і 2) - двохпозиційні гідророзподільники; 4 (1 і 2) - постійні дроселі; 5 - кроковий розподільник; 6 (1 і 2) аксиально-поршневі гідромотори; 7 (1 і 2) запобіжні клапани

Джерела

1) Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»

ВИКОРИСТАННЯ ТЕПЛОВОГО ГІДРОПРИВОДУ В СИСТЕМІ ПОЗИЦІОНУВАННЯ ГЕЛІОСТАНЦІЇ

К. О. Бєліков1

О. С. Ганпанцурова1

О. П. Губарев1

2) БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

ДИСКРЕТНЫЕ ГИДРОПРИВОДЫ

Учебно-методическое пособие для студентов специальности Т.05.11- "Гидропневмосистемы таранспортных и технологических машин"

Часть 1 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

В.П. Автушко

П.Н. Кишкевич

М.И. Жилевич