ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭВМ ДЛЯ

СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ

МАНИПУЛЯТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН

 

Ворков А.А., Дроздовский Г.П., Шоль Н.Р. (УГТУ, г. Ухта, РФ)

 

In this article shows the prospects of using industrial computers for reduce dynamic loads on technological equipment in forestry machinery.

 

На данный момент во многих отраслях промышленности используются мобильные машины, снабженные системой гидравлического привода технологического оборудования. Как правило, основным элементом технологического оборудования являются манипуляторы различных конструкций. Большинство манипуляторов работают в динамическом режиме и испытывают динамические нагрузки, изнашивающие, повреждающие и разрушающие металлоконструкции и системы гидропривода. Весьма характерен такой режим нагружения для манипуляторов лесозаготовительных машин. Это обусловлено их большим вылетом, а так же спецификой предмета труда, в качестве которого обычно выступает дерево или хлыст большой длины. 

Особенностью работы гидравлической системы привода манипулятора является возникновение сложных колебательных процессов во время проведения технологических операций с предметом труда и в результате переходных процессов, происходящих при открытии и закрытии распределительных устройств. Частота колебаний может варьироваться в широком диапазоне 1...60 Гц. Максимальная амплитуда колебаний может достигать двойного значения рабочего давления гидравлической системы.

Стандартным методом борьбы с разрушающим воздействием колебательных процессов является их гашение (уменьшение амплитуды и числа колебательных циклов) при помощи специальных устройств – демпферов. Данные устройства обычно представляют собой механические или гидравлические системы, обладающие диссипативными свойствами. Под этими свойствами понимается способность рассеивать энергию в окружающую среду, а также в материале упругих элементов и в узлах сочленения деталей конструкции за счет таких физических явлений как трение, гидравлическое сопротивление и т.д.

При функционировании демпфирующих устройств наблюдается явление гистерезиса. Оно проявляется в неоднозначности величины деформации упругого элемента при нарастании и уменьшении нагрузки. За счет гистерезиса на упругую деформацию демпфирующего элемента тратится значительно большее количество энергии, чем возвращается обратно при восстановлении его первоначального состояния.

На базе технических средств УГТУ была произведена серия экспериментов, целью которой являлся анализ эффективности применения различных методов снижения динамической нагруженности манипуляторов лесозаготовительных машин и их гидросистем. Для исследований была использована масштабная модель гидравлического манипулятора трактора ТБ – 1, оснащенная комплектом датчиков и регистрирующей аппаратуры.

При этом цилиндр управления стрелой манипулятора в одной из серий опытов был демонтирован с колонны и установлен на опору, представляющую собой листовую рессору и несущую функцию демпфера. Конструкция модели, используемой во время эксперимента, показана на рисунке 1.

Рисунок 1 − Модель гидравлического манипулятора с установленной рессорой

 

В ходе исследований осуществлялось моделирование процесса разгона-остановки манипулятора при опускании дерева. Были произведены 2 серии опытов: в одной из них использовалась стандартная структура манипулятора, в другой вводился демпфирующий элемент. Для воспроизведения рабочего процесса производилось открытие - закрытие управляющего устройства, приводящее к сливу гидравлической жидкости из полости гидроцилиндра стрелы манипулятора, при этом происходило ее опускание и остановка. Процесс торможения сопровождался колебаниями стрелы манипулятора. Изменение давления в гидравлической системе фиксировалось потенциометрическим датчиком давления с помощью электронного осциллографа на базе персонального компьютера.

Были получены осциллограммы, характеризующие процессы, протекающие в гидравлической системе при остановке манипулятора. Общий вид осциллограмм для разных серий опытов показан на рисунке 2.

Обработка осциллографических записей исследуемых параметров производилась методом замера ординат, а так же подсчетом числа полных колебаний. Результаты обработки осциллограмм были сведены в таблицы наблюдений.

Для оценки результатов был использован как основной критерий логарифмический декремент затухания - безразмерная характеристика затухающих колебаний, измеряемая натуральным логарифмом отношения двух последовательных максимальных отклонений колеблющейся величины в одну и ту же сторону. Чем выше значение декремента затухания δ, тем быстрее происходит затухание колебаний в системе.

Нахождение его среднего значения для каждой серии опытов осуществлялось по следующей формуле:

,                                 

где   - наибольшая величина изменения давления при первом колебании;

 - величина изменения давления при последующем колебании.

Значения  и находятся по осциллограмме путем определения амплитуд колебаний с использованием масштабной сетки.

При обработке результатов были получены следующие средние значения декремента логарифмического затухания δ:

0,18 – при классической схеме гидроманипулятора;

0,63 – при включении в структуру гидроманипулятора демпфирующего элемента.

а) без введения демпфирующего элемента; б) с демпфирующим элементом.

Рисунок 2 – Осциллограмма колебательного процесса, возникающего при остановке манипулятора

 

Исходя из этих результатов, можно сделать вывод о том, что введение в механическую систему демпфирующего элемента способствует интенсивному затуханию колебаний технологического оборудования, что в свою очередь благоприятно сказывается на долговечности металлоконструкций манипулятора и узлов его гидросистемы.

Однако наличие демпфера некоторым образом влияет на податливость гидравлического манипулятора, несколько увеличивая ее. При этом увеличивается просадка манипулятора при приеме нагрузки. Происходит это за счет деформации рессоры из ненагруженного в рабочее положение. Таким образом, применение демпфера – рессоры оказывается почти невозможным по следующим причинам:

- введение демпфера в систему уменьшает ее жесткость, увеличивает податливость и таким образом недопустимо снижает грузоподъемность;

- манипуляторы, как правило, работают на разных вылетах и с разными по массе предметами труда, в то время как рессора обеспечивает надежное демпфирование и достаточную жесткость только в узком диапазоне вылетов и рабочих нагрузок;

- габариты демпфера затрудняют его размещение на колонне манипулятора;

- гистерезисные характеристики рессоры не поддаются непосредственному регулированию во время выполнения машиной технологического процесса.

Отталкиваясь от этих положений можно прийти к следующему выводу – необходимо разработать такой демпфирующий элемент, при использовании которого была бы возможность контролировать и по мере необходимости изменять его жесткостные и гистерезисные свойства непосредственно во время работы технологического оборудования. Кроме того, данный элемент должен располагаться в гидравлической системе манипулятора,  что значительно упростит его размещение на машине. Одним из важных требований также является возможность управления данным демпфером при помощи бортового компьютера в автоматическом режиме.

В настоящий момент благодаря развитию электронной промышленности стали доступны новые компоненты измерительных и управляющих систем: датчики, ЭВМ, средства передачи и обработки информации. Появление доступных и недорогих электронных устройств, таких как, например акселерометры, гироскопические и прочие датчики положения и  перемещения, энкодеры, и других современных устройств измерения физических величин позволило создавать новые мехатронные системы, способные выполнять ряд сложных автоматических функций, включая саморегуляцию. Кроме того, современные средства автоматизации обладают значительным быстродействием (тактовая частота современных процессоров намного превышает границу 1ГГц, а частота работы периферийных измерительных устройств десятки и сотни МГц), что позволяет использовать их для работы с достаточно быстрыми процессами, такими как колебания давления гидрожидкости в гидросистеме технологического оборудования.

В связи с этим возникает необходимость синтеза исполнительного устройства, способного гасить энергию колебаний технологического оборудования за счет явления интерференции. Данное устройство должно иметь возможность функционировать с частотой, в несколько раз превышающей частоту гасимого колебательного процесса. Для обеспечения интерференционного эффекта необходима возможность управления демпфером от бортового компьютера в реальном времени.   

В качестве такого демпфирующего устройства наиболее перспективно использовать гидравлический поршневой аккумулятор, снабдив его тормозным колодочным механизмом, выполняющим функцию подтормаживания штока. При демпфировании энергия колебательного процесса уходит на преодоление трения колодки о шток и нагрев фрикционных накладок. Схематично данное устройство показано на рисунке 3.

1 – магистраль высокого давления; 2 – корпус гидроаккумулятора; 3 – поршень; 4 – силовая пружина гидроаккумулятора; 5 – упор; 6 – шток; 7 – фрикционная колодка; 8 – электромагнит; 9 – втягиваемый сердечник; 10 – кулачек.

Рисунок 3 – Эскизная схема управляемого демпфирующего гидроаккумулятора

 

Демпфер предложенного типа может работать в 2х режимах: пассивном и активном. В пассивном режиме управляющий электромагнит не задействуется, и устройство работает как обыкновенный гидравлический аккумулятор. В активном режиме устройство управляется сигналом с бортового компьютера по ранее заданным алгоритмам функционирования системы.

Основной задачей, возложенной на ЭВМ, является включение электромагнита демпфера, руководствуясь сигналами, поступающими с датчиков давления гидравлической жидкости, положения золотника в гидравлическом распределителе и ускорения манипулятора в точке крепления захвата или ЗСУ.

Таким образом, можно записать в общем виде математическую функцию программы, управляющей демпфирующим устройством:

,

где - втягивающее усилие магнита; - давление в гидравлической системе манипулятора; - координата золотника распределителя относительно его корпуса; - ускорение манипулятора.

Опорными параметрами для работы демпфера являются сигналы с датчика давления и показания акселерометра. Согласно им выбирается момент срабатывания электромагнита. Данные о положении золотника распределителя необходимы для предотвращения срабатывания демпфера во время холостых ходов.

Более наглядно момент функционирования демпфера можно показать на графике колебательного процесса, происходящего при остановке стрелы манипулятора. Он характеризует зависимость величины изменения давления ΔP  от момента времени Т. Ориентировочный график такого процесса приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Ориентировочный график колебательного процесса

 

Сплошной линией показан колебательный процесс при отсутствии демпфера, штриховой – при его наличии. График разбит на несколько зон для облегчения описания движения стрелы манипулятора: в зонах 1 и 3 она движется вниз, а в зонах 2 и 4 вверх. Точками А и Б обозначено начало и завершение срабатывания электромагнита соответственно.

Таким образом, при повышении давления в гидросистеме во время движения стрелы манипулятора вниз обеспечивается жесткая фиксация штока демпфера, а при движении стрелы вверх часть энергии расходуется на сдвиг штока. За счет этого интенсивность колебательного процесса снижается, а энергия рассеивается на фрикционное взаимодействие штока и тормозной колодки. Происходит успокоение качания технологического оборудования.

Опираясь на положения, приведенные в статье, можно сделать следующие выводы:

1) На данном этапе исследований видно, что использование рессоры как самостоятельного демпфирующего элемента представляет некоторые трудности, такие как увеличение податливости и уменьшение жесткости манипуляторного оборудования. Введение рессоры в кинематическую схему манипулятора значительно увеличивают его габариты, затрудняют установку агрегата на базовую машину. Кроме того, из-за характерных конструктивных особенностей рессоры ее гистерезисные свойства не поддаются корректировке без изменения числа или свойств пластин и, следовательно, управление демпфированием не возможно в процессе функционирования машины.

2) Широкая номенклатура, низкая стоимость и доступность современной элементарной базы (промышленных ЭВМ, микроконтроллерных блоков, сенсоров, исполнительных механизмов) дает возможность синтеза новых автоматических систем, предназначенных для повышения эффективности функционирования гидрофицированного технологического оборудования путем гашения колебательных процессов, возникающих при выполнении основных операций технологического процесса.

3) На базе пружинного гидравлического аккумулятора, системы датчиков и вычислительного модуля имеется возможность создания автоматического гидравлического демпфера, способного эффективно поглощать энергию низкочастотных колебаний, характерных для манипуляторного технологического оборудования лесозаготовительных машин.

С целью проверки эффективности демпфера, предложенного в данной статье, необходимо проведение широкого теоретического исследования, включающего в себя построение математических алгоритмов описания работы данного устройства и синтез математической модели манипулятора, оборудованного таким демпфером. Так же требуется провести ряд эмпирических изысканий для более полной оценки возможности применения демпфера.

Необходимо разработать программный алгоритм управления демпфером.

Литература

1. Дроздовский, Г. П. Проектирование лесопромышленного оборудования: учебное пособие / Г. П. Дроздовский. – Ухта,  УГТУ, 1989. – 133 с.

2. Ворков, А. А. Анализ систем управления технологическим оборудованием современных лесозаготовительных машин / А. А. Ворков, Г. П. Дроздовский, Н. Р. Шоль // Сборник научных трудов к научно-технической конференции, Ухта, 17 – 19 марта в 5 ч., ч. 2. – Ухта: УГТУ, 2010. – С. 119–122.

3. Фрайден, Дж.  Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден., перев. с англ. Ю. А. Заболотной. – Москва: Техносфера, 2005. – 592 с.