close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

;doc

код для вставкиСкачать
УДК 621.01
В.Л.Жавнер1, О.Н.Мацко2
РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ПРИВОДЫ ДЛЯ ЦИКЛОВЫХ
ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ПНЕВМАТИЧЕСКИМИ КОМПЕНСАТОРАМИ
ДИССИПАТИВНЫХ СИЛ
1
Виктор Леонидович Жавнер, д.т.н.
Санкт-Петербургский государственный политехнический
университет
Ул.Политехническая, 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия
Тел.: (812) 552-96-86
Эл.почта: [email protected]
2
Мацко Ольга Николаевна, к.т.н.
Санкт-Петербургский государственный политехнический
университет
Ул.Политехническая, 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия
Тел.: (812) 552-96-86
Эл.почта: [email protected]
Аннотация
В работе рассмотрены вопросы уменьшения энергозатрат в
рекуперативных приводах технологического оборудования путем
применения
пружинных
аккумуляторов
с
пневматическими
компенсаторами диссипативных сил. Приведено сравнение характеристик
линейного и нелинейного пружинных аккумуляторов.
Ключевые слова: рекуперативный привод, линейный пружинный
аккумулятор, нелинейный пружинный аккумулятор, компенсация
диссипативных потерь
Работы, посвященные разработке рекуперативных приводов для
цикловых перемещений, были инициированы необходимостью уменьшить
динамические нагрузки в цикловых роботах, при одновременном
уменьшении энергозатрат и увеличении быстродействия [7,8,10].
Причинами недостаточного внимания к этим работам являются:
-необходимость оснащения приводов управляемыми фиксаторами [3,
7],
-проблема зарядки пружинных аккумуляторов или после остановки
или при первоначальной сборке,
-при использовании для компенсации диссипативных потерь
электрических двигателей для обеспечения высокого быстродействия
513
требуются двигатели большой мощности и редукторы с большим
передаточным числом [7,10].
При использовании для компенсации диссипативных сил
гидропривода отпадает необходимость в управляемых фиксаторах и нет
проблемы зарядки пружинных аккумуляторов [1]. Однако использование
гидропривода целесообразно при больших массах перемещаемых объектов
и невысоком быстродействии.
При использовании пневматического привода для компенсации
диссипативных сил также возникают проблемы с быстродействием,
учитывая, что рекомендуемые скорости в стандартных пневмоцилиндрах
не превышают 2 м/с.
В данной работе рассматриваются рекуперативные приводы с
использованием
линейных
пружинных
аккумуляторов
(ЛПА),
представленных на рис. 1, и нелинейных пружинных аккумуляторов
(НПА), представленных на рис. 2.
lmax
нейтральное
положение
m
хmax
l
m
Рпр
одна пружина
сжата, другая
растянута
lр
Рис. 1. Линейный пружинный аккумулятор с двумя пружинами
растяжения или сжатия
Рассматриваемые
пружинные
аккумуляторы
являются
колебательными системами, где время перемещения из одного крайнего
положения в другое определяется полупериодом колебаний.
К параметрам рекуперативного привода относятся:
m – приведенная масса ползуна и рабочего органа или груза, t –
заданное время перемещения ползуна из одного крайнего положения в
другое (полупериод колебаний), l – длина пружины в состоянии
устойчивого равновесия (в нейтральном положении), xmax - максимальное
отклонение пружины от среднего положения.
Основными характеристиками пружинных аккумуляторов являются:
– максимальная потенциальная энергия каждой пружины,
П
П – эффективная потенциальная энергия, преобразуемая в максимальную кинетическую энергию ползуна без учета диссипативных сил,
max
э
514
– максимальное усилие пружины при ее максимальном удлине-
Рmax
нии,
с – жесткость пружины.
m
m
е
q
q
q
е
Рпр
Рпр
q
(а)
(б)
Рис. 2. Нелинейные пружинные аккумуляторы:
а) с пружинами растяжения, б) с пружинами сжатия
Особенностью пружинного аккумулятора, представленного на рис. 1,
является то, что максимальная потенциальная энергия пружины в 2 раза
превышает суммарную потенциальную энергию аккумулятора в среднем
положении, а эффективная потенциальная энергия также в 2 раза меньше
максимальной потенциальной энергии пружины.
Для НПА в работе [5] показано, что при больших амплитудах, когда
x max больше расстояния между осью крепления пружины и направляющей
ползуна е (рис.2), с достаточной для инженерных расчетов точностью
можно считать, что время перемещения между крайними положениями для
рассматриваемых аккумуляторов равно времени перемещения линейного
аккумулятора с одной пружиной сжатия и растяжения, представленного на
рис. 3.
В таблице представлены выражения, определяющие основные
характеристики рассматриваемых пружинных аккумуляторов в зависимости
от их конструктивных параметров.
Таблица
Характеристика
аккумулятора
ЛПА с двумя
пружинами растяжения
или сжатия (рис.1)
НПА с одной пружиной
растяжения или сжатия
(рис.2)
НПА с одной пружиной
растяжения или сжатия
(рис.3)
П max
2
2cx max
2
0,5cx max
2
0,5cx max
Пэ
2
cx max
2
0,5cx max
2
0,5cx max
Рmax
2cx max
cx max
cx max
t

m
2c

m
c

m
c
515
lmax
нейтральное
положение
m
х max
l
m
пружина
растянута
х min
пружина
сжата
m
l0
Рпр
lр
Рис. 3. Схема линейного пружинного аккумулятора с одной пружиной
сжатия-растяжения
Максимальная кинетическая энергия пружинного аккумулятора без
учёта диссипативных потерь равна:
1
2
(1)
E max  m  x max
2
x max - максимальная скорость ползуна в среднем положении.
где
В соответствии с работой [6] жесткость пружины, обеспечивающая
заданное время перемещения, определяется выражением:
 2 m
с 2
(2)
t
А для рекуперативного привода с пружинным аккумулятором с двумя
пружинами жесткость будет равна:
 2 m
с
(3)
2
2t
Из совместного решения уравнений (1),(2),(3) и уравнений
потенциальной и кинетической энергии по таблице 1 находим
соотношение между временем перемещения и максимальной скоростью
ползуна при прохождении нейтрального положения:
х max 

t
 x max
или х max 
с
 x max
m
(4)
Тогда зависимость минимального времени перемещения ползуна
между крайними положениями от допустимой максимальной скорости и
отклонением от максимального положения будет иметь вид:

(5)
t min 
 x max
x max
График зависимости (5) для xmax  1 показан на рис. 4.
516
tmin
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
ẋmax
Рис. 4. График зависимости минимального времени перемещения
ползуна от максимальной скорости
В соответствии с теоремой Эри при подаче компенсационно-силового
импульса в начале периода время перемещения на заданное расстояние
уменьшается, в конце периода увеличивается, а при подаче импульса в
промежуток времени, симметричный относительно точки устойчивого
равновесия, время определяется полупериодом колебательной системы.
Точно так же полупериод колебательной системы сохранится, если будут
даны два идентичных импульса в начале и в конце периода. Графически
теорема Эри показана на рис. 5, а на рис. 6 показан пневматический привод
для компенсации диссипативных потерь [2,4].
1. Импульс
в начале хода
S
t
ход
S
2. Импульс
в конце хода
t
ход
3. Импульс на
протяжении
хода
4. Импульс в
начале и в
конце хода
S
t=T/2
ход
S/2
S/2
t=T/2
ход
Рис. 5. Графическое изображение теоремы Эри
На рис. 6 пневмоцилиндр, используемый для компенсации
диссипативных сил НПА, установлен таким образом, что он образует с
поступательной парой кулисный механизм и позволяет подать силовой
импульс в начале и в конце хода, только в начале хода или только в конце.
517
направляющая
каретка
геркон
клапан
Блок
быстрого управлевыхлопа
ния
пневмоцилиндр
пневмораспределитель
геркон
Рис. 6. Система компенсации диссипативных сил с пневмоцилиндром,
образующим кулисный механизм с поступательной парой
Отметим, что привод с кулисным пневмоцилиндром самый
перспективный, так как позволяет производить фиксацию в крайних
положениях, выбирая пневмоцилиндр с усилием равным максимальному
усилию пружинного аккумулятора, действующего на ползун.
Первая передаточная функция кулисного механизма между скоростью
ползуна и скоростью поршня пневмоцилиндра имеет вид:
l  x 
x
2
x  hmax
(6)
2
В соответствии с работой [9] скорость ползуна в функции от его
координаты определяется выражением:
x 
c
 x max
m
 x2  h2  h 

 1 
 x2  h2  h 
 max

2
(7)
На рис. 7 показаны графики изменения линейной скорости поршня
пневмоцилиндра в зависимости от координаты ползуна.
Из графиков видно, что максимальные скорости поршня меньше
скорости ползуна и что период колебаний поршня в два раза больше
периода колебаний ползуна, т.е. за время движения ползуна из одного
крайнего положения в другое поршень успевает два раза совершить
возвратно-поступательное перемещение. Причем, с увеличением
координаты ползуна относительная скорость поршня пневмоцилиндра
уменьшается. Отметим, что в диапазоне 0,9 – 1,0 скорость поршня
практически не зависит от конструктивных параметров привода. При
518
l
х
координате, равной 0,9 амплитуды, скорость приблизительно в три раза
меньше максимальной скорости каретки, а при координате, равной 0,95
амплитуды, скорость в 5 раз меньше максимальной скорости каретки.
1,0
0,8
0,6
0,4
-х
+х
0,2
0,0
-1
-0,5
0
0,5
скорость НПА при h=0,58
скорость НПА при h=0,21
скорость укорочения пружины при h=0,58
скорость укорочения пружины при h=0,21
1
Рис. 7. Зависимость скорости поршня пневмоцилиндра от координаты
ползуна
Для компенсации диссипативных сил предпочтительнее применять
режим работы с включением пневмоцилиндров в конце хода, что
обеспечивает компенсацию диссипативных потерь с одновременной
фиксацией ползуна в крайних положениях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.с. 1283083 (СССР). Привод перемещения звеньев/ Г.Г.Ежов,
В.Л.Жавнер, Н.А.Феоктистова // БИ. – 1987. - №2.
2. Баутин Н.Н. Динамическая теория часов: Стабилизация периода в
колебательных системах с двумя степенями свободы. – М.: Наука, 1986. – 192 с.
3. Жавнер В.Л., Смирнов А.Б. Мехатронные принципы проектирования
технологического оборудования // Конструктор-машиностроитель. 2008. - №3.
4. Жавнер В.Л., Жавнер М.В., Мацко О.Н. Мехатронный
рекуперативный привод для возвратно-поступательных и возвратнокачательных движений // Технологическое оборудование для горной
и
нефтегазовой
промышленности:
Сборник
трудов
Х
Международной научно-технической конференции «Чтения памяти
519
В.Р.Кубачека». – Екатеринбург: Уральский гос-ный горный
университет, 2012. – С.267-270.
5. Жавнер М.В., Мацко О.Н. Нахождение периода колебаний
нелинейного пружинного аккумулятора с поступательной парой //
Современное машиностроение. Наука и образование: Материалы 3-й
Международной научно-практической конференции. - СПб: Изд-во
Политехн. ун-та. – 2013. – с. 205-209.
6. Жавнер В.Л., Жавнер М.В., Мацко О.Н. Мехатронный
рекуперативный привод для возвратно-поступательных перемещений
// Современное машиностроение. Наука и образование: Материалы 2й Международной научно-практической конференции. - СПб: Изд-во
Политехн. ун-та. – 2012. – с. 304-310.
7. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Теоретические
основы робототехники. В 2 кн. – М.: Наука. – 2006. – 376 с.
8. Корендясев А.И., Саламандра Б.Л., Тывес Л.И. Цикловые роботы с
аккумуляторами механической энергии. Многопозиционные системы
с одной или несколькими степенями подвижности// Станки и
инструмент, 1984, №6, с.4-8.
9. Рекуперативные приводы для цикловых перемещений: учеб.пособие/
В.Л. Жавнер, М.В. Жавнер, О.Н. Мацко. – Saarbrucken, Deutschland:
Palmarium Academic Publishing, 2014. - 90 с.
10. Тывес Л.И. Механизмы робототехники: Концепция развязок в кинематике, динамике и планировании движений. – М.: ЛЕНАРД, 2014. –
208 с.
V.L.Javner, O.N.Matsko
RECUPERATIVE DRIVES FOR CYCLE MOVEMENTS WITH
PNEUMATIC DISSIPATIVE FORCE COMPENSATORS
St. Petersburg State Polytechnical University, Russia
Abstract
The article is devoted to reduction of power consumption in process
equipment recuperative drives by installing spring accumulators with pneumatic
dissipative force compensators. The comparison of basic parameters and
characteristics for linear and non-linear spring accumulators is given.
Key words: recuperative drive, linear spring accumulator, non-linear spring
accumulator, dissipative force compensation
REFERENCES
[1] USSR patent 1283083. Drive for link movement/ Ezhov G.G.,
Zhavner V.L., Feoktistova N.A. // BI. – 1987. – No. 2. (rus.)
520
[2] Bautin N.N. Dynamic clock theory: Period stabilization in oscillating
systems with two degrees of freedom. – М.: Nauka, - 1986. – 192 p.
(rus.)
[3] Zhavner V.L., Smirnov A.B. Mechatronic design criteria of process
equipment // Konstruktor-Mashinostroitel. - 2008. – No. 3. (rus.)
[4] Zhavner V.L., Zhavner M.V., Matsko O.N. Mechatronic recuperative
drive for reciprocating and swinging motions // Tekhnologicheskoe
oborudovanie dlya gornoi i neftegazovoi promyshlennost: Works of
the 10th International Scientific and Technical Conference “Chteniya
pamyati Kurbacheka V.R.” – Ekaterinburg: State Ural Mining
Universit, 2012. – 267-270 p. (rus.)
[5] Zhavner V.L., Matsko O.N. Finding of oscillation time for a nonlinear spring accumulator with a sliding pair // Sovremennoe
mashinostroenie. Nauka i obrazovanie: Proceedings of the 3rd
International Scientific and Practical Conference. – St.-Petersburg:
Izdatelstvo Politekhnicheskogo Universiteta. – 2013. – 205-209 p.
(rus.)
[6] Zhavner V.L., Zhavner M.V., Matsko O.N. Mechatronic recuperative
drive for reciprocating motions // Sovremennoe mashinostroenie.
Nauka i obrazovanie: Proceedings of the 2nd International Scientific
and
Practical
Conference.
–
St.-Petersburg:
Izdatelstvo
Politekhnicheskogo Universiteta. – 2012. – с. 304-310. (rus.)
[7] Korendyasev A.I., Salamandra B.L., Tyves L.I. Theoretical basis for
robotic technology. In 2 books. – М.: Nauka. – 2006. – 376 p. (rus.)
[8] Korendyasev A.I., Salamandra B.L., Tyves L.I. Cycle robots with
mechanical energy accumulators. Multiposition systems of one or
several degrees of freedom // Stanki i instrumen, 1984, No.6, 4-8 p.
(rus.)
[9] Recuperative drives for cycle motions: teaching aids Zhavner V.L.,
Zhavner M.V., Matsko O.N. – Saarbrucken, Deutschland: Palmarium
Academic Publishing, 2014. - 90 p. (rus.)
[10] Tyves L.I. Robotic mechanisms: coupling principles in kinematics,
dynamics and motion planning. – М.: LENARD, 2014. – 208 p. (rus.)
521
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа