Главная страница
Электронная библиотека
Михайлов А.Н., Лаидик В.И., Матвиенко А.В., Белоконь О.М.
ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИ ИНВАРИАНТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сб. научных трудов.– Донецк: ДонГТУ, 1999. Вып. 7. – c.122-127.
Технологические системы непрерывного действия, выполненные на базе роторных машин [1] или поточно-пространственных технологических модулей [2], представляют собой совокупность нескольких технологических и транспортных роторов или модулей, расположенных в технологической последовательности на общей станине и имеющих синхронный привод, осуществляющий транспортное движение блоков технологического воздействия совместно с изделиями. Это высокоэффективные технологические системы предназначенные для комплексной автоматизации и интенсификации производственных процессов.
Однако, в таких технологических системах одновременно с повышением производительности резко возрастает нагруженность привода и его элементов, так как их работа протекает при непрерывно и резко изменяющейся внешней обстановке. Это вызывает значительные динамически колебания технологических элементов, подсистем и модулей относительно друг друга, что резко снижает точность изготовления изделий и передачу их по технологической цепочке, а в ряде случаев вообще не позволяет производить их транспортирование и ведет к поломке технологических машин.
Встречаясь с подобным явлением лишь на последней стадии создания машины – на ее производственных испытаниях, нередко приходится снижать производительность технологической системы. Относительно характера внешних возмущений, действующих на технологические системы непрерывного действия, их воздействие может быть представлено следующим образом [2]:
–описано явными функциями времени (единичный скачок, гармоническая функция и т.п.);
– задано статистическими характеристиками, в частности представлено в виде случайной функции с заданным законом распределения плотности вероятности и известной корреляционной функции;
– представлено некоторой произвольной функцией времени с неизвестными статистическими характеристиками, произвольно изменяющейся, но ограниченной по модулю и регулярной (то есть дифференцируемой необходимое число раз).
На стадии проектирования технологической системы непрерывного действия не известен характер внешних возмущений и обычно проектировщика интересует вопрос о величинах колебаний технологических элементов системы. При этом основной проблемой является определение необходимой структуры технологической системы непрерывного действия, обеспечивающей снижение влияния внешних возмущений произвольного вида.
Эта проблема может быть решена на основе создания динамически инвариантных технологических систем непрерывного действия. Под динамической инвариантностью технологической системы понимается свойство неизменности или независимости состояния структуры какой-то подсистемы от колебаний другой подсистемы или совокупности подсистем, вызываемых внешними возмущающими воздействиями.
Для теории динамической инвариантности технологических машин основной является задача синтеза технологической системы непрерывного действия с заданными свойствами при минимально имеющейся априорной информации относительно внешних возмущении и помех, действующих в технологической системе. В этом случае, главная трудность заключается в отыскании структуры технологической системы непрерывного действия по динамическим параметрам, которая позволяет практически реализовать условия абсолютной или частичной динамической инвариантности и обеспечить полную или частичную независимость динамических свойств технологической системы от внешних возмущающих воздействий.
Математическая трактовка задачи синтеза динамически инвариантных технологических систем непрерывного действия: заключается в нахождении ее структурных параметров по решению системы неоднородных Дифференциальных уравнений с постоянными или переменными коэффициентами при равенстве соответствующих миноров системы уравнений нулю.
Дифференциальные уравнения процесса функционирования технологической системы непрерывного действия можно представить в следующим виде:
где х 1, х2,..., xn – искомые функции аргумента t;
aij(K) – квадратичные операторы;
Fi(t) – произвольные вынуждающие функции возмущений.
Для дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, квадратичные операторы представляются следующими зависимостями:
aij(K)=aij(D)=mijD ² +lijD +cij,
где mij, lij, cij – постоянные коэффициенты, соответствующие параметрам и структуре технологической системы (инерционные коэффициенты, коэффициенты трения и жесткости);
D – символ дифференцирования (D = d/ dt).
В более сложных ситуациях, когда изучается поведение технологической системы состоящей из ряда технологических модулей или элементов с переменными параметрами упругих связей, задача сводится к рассмотрению совокупности дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами. В этом случае, квадратичные операторы системы уравнений (1) представляются зависимостями:
aij(K)=aij(D,t)=mij(t)D ² +lij(t)D +cij(t),
где mij(t), lij(t), cij(t) – переменные параметры структуры технологической системы в зависимости от t.
Для достижения полной инвариантности элементов технологической системы от внешних возмущений необходимо и достаточно, чтобы соответствующие матричные миноры [3] системы уравнений (1) были равны нулю. Поэтому проектирование динамически инвариантных технологических систем непрерывного действия должно выполняться из условия равенства нулю миноров матрицы (1).
Однако, в ряде случаев, при проектировании технологических систем непрерывного действия невозможно создать структуру технологических машин, чтобы их соответствующие матричные миноры [3] структуры системы уравнений были равны нулю. В этом случае необходимо выполнять синтез структуры технологической системы из условия частичной инвариантности с точностью до ε [2]. При этом динамическая инвариантность технологической системы непрерывного действия будет выполняться с некоторой погрешностью. Кроме того, при необходимости можно создать технологические системы с двумя каналами передачи внешних возмущающих нагрузок и регулируемых параметров структуры.
Таким образом, основные способы создания динамически инвариантных технологических систем непрерывного действия реализуются следующим образом:
1.Обеспечением заданных постоянных параметров структуры тенологической системы.
2.Введением в структуру технологической системы дополнительных элементов.
3.Регулированием переменными параметрами элементов технологической системы.
4. Введением в структуру технологической системы дополнительных связей (обратные связи, два или несколько каналов передачи возмущений).
Представленные способы обеспечивают на стадии проектирования технологической системы реализацию новых свойств и осуществление на стадии эксплуатации принципов динамической инвариантности.
На этой основе созданы конкретные варианты приводов технологических машин, которые разработаны на уровне авторских свидетельств [4,5].
На рис. 1 показана схема привода автоматической роторной линии [5].
Привод автоматической роторной линии содержит электродвигатель кинематически связанный посредством ременной передачи 2, зубчатую муфту 3, редуктор 4 и приводной вал 5 с рядом зубчатых колес 6, зацепляющихся между собой и установленных на концах валов 7 технологических 8 и транспортных 9 роторов. На других концах валов 7 установлен ряд паразитных зубчатых колес 10, зацепляющихся между собой. Зубчатые колеса 6 и 10 установлены на концах валов 7 посредством торцовых муфт 11 и 12, обеспечивающих их регулировку. Привод содержит три нагружателя, которые выполнены в виде гидроцилиндров 13, 14 и 15 с упругими элементами, выполненными в виде торсионов 16, 17 и 18, и механизмы их закручивания, выполненные в виде пар шестерен 19 и 20, 21 и 22, 23 и 24 с наклонными зубьями. Нагружатель в виде гидроцилиндра 13 включен дополнительными кинематическими связями 25-30 в замкнутый силовой контур с основным рядом зубчатых колес 6. Нагружатель в виде гидроцилиндра 14 включен дополнительными кинематическими связями 33 - 38 в замкнутый силовой контур с рядом паразитных зубчатых колес 10. Нагружатель в виде гидроцилиндра 15 включен дополнительными кинематическими связями 39 и 40 в замкнутый силовой контур с обоими рядами зубчатых колес 6 и 10.
На рис 1 показано: А – вход предметов обработки на автоматическую роторную линию; В – выход предметов обработки; а – направление входа рабочей жидкости в гидроцилиндры 13-15 при левом движении поршня; в – направление входа рабочей жидкости в гидроцилиндры 13 -15 при правом движении поршня; φ1, φ2 и φ3 – углы поворота шестерен 20, 22 и 24 в каждом замкнутом силовом контуре.
Привод работает следующим образом.
Перед началом работы роторной линии производится выборка зазоров между зубьями и предварительное напряжение ряда зубчатых колес 6. Эти мероприятия осуществляются через дополнительные кинематические связи 25 - 30 торсионом 16 за счет поворота шестерни 20 относительно шестерни 19 при подаче рабочей жидкости в левую полость гидроцилиндра 13. Одновременно с этим производится выборка зазоров между зубьями и предварительное напряжение ряда паразитных зубчатых колес 10. Это реализуется через дополнительные кинематические связи 31-38 торсионом 17 за счет поворота шестерни 22. Причем направления поворота щ шестерни 20 и поворота φ2 шестерни 22 выбирают с таким расчетом, чтобы зубчатые колеса 6 и 10, расположенные на каждом валу 7, при выборке зазоров между зубьями и предварительного напряжения имели повороты в противоположном направлении. После выборки зазоров и предварительного напряжения ряда зубчатых колес 6 и ряда паразитных зубчатых колес 10 производится центрирование окружных положений технологических роторов 8 относительно транспортных 9 роторов и закрепление зубчатых колес 6, 10 торцовыми муфтами 12, 11 на валах 7.
В период эксплуатации роторной линии каждый технологический 8 и транспортный 9 роторы, закрепленные на валах 7, получают вращение от электродвигателя 1 посредством ременной передачи 2, зубчатой муфты 3, червячного редуктора 4, приводного вала 5 и ряда зубчатых колес 6. При этом из-за наличия зазоров в зацеплениях, переменной жесткости элементов привода, непостоянной окружной технологической или вибрационной внешней окружной нагрузки возникают резонансные колебания технологических роторов 8 относительно транспортных роторов 9. Поэтому за счет выборки зазоров между зубьями и предварительного напряжения рядов зубчатых колес 6, 10 снижаются динамические крутильные колебания роторов 8, 9.
В моменты возникновения резонансных крутильных колебаний роторов 8, 9 производится дополнительное напряжение замкнутых кинематических групп посредством среднего замкнутого силового контура. Напряжения их производится торсионом 18 при помощи шестерни 24 за счет его поворота на угол φ3.
При проектировании технологической системы следует иметь ввиду, что наиболее совершенную технологическую систему можно создать в том случае, если удается регулируемые параметры сделать независимыми как от внешних возмущений (инвариантность), так и друг от друга (автономность).
В заключение можно отметить, что принципы динамической инвариантности позволяют создавать технологические системы с параметрами структуры не зависящими, в заданных пределах, от внешних возмущений, характер и величины колебаний которых произвольны и на стадии проектирования не известны. На стадии эксплуатации технологических систем непрерывного действия это способствует реализации новых возможностей и повышению их эффективности.
Список литературы:
1.Автоматические роторные линии /И.А. Клусов, Н.В. Волков, В.И. Золотухин и др. – М.: Машиностроение, 1987 – 288с. 2. Михайлов А.Н. Разработка методов проектирования высокоэффективных поточно-пространственных технологических систем. Дис. ... д-ра техн. наук. – Харьков: ХПИ, 1991. – 498с. 3. Кухтенко А.И. Проблема инвариантности в автоматике. - Киев: КИТЛ УССР, 1963. – 376с. 4. А.с. 1493343 СССР, МКИ В21В 35/00. Привод валков рабочей клети прокатного стана / B.C. Горелик, А.Н. Михайлов, Н.Н. Панасенко и др.; опубл. 15.07.89, Бюл. № 26. – 5 с. 5. А.с. 1585592 СССР, МКИ F16H 55/24. Привод автоматической роторной линии / А.Н. Михайлов; Опубл. 15.02.90, Бюл. № 30. – Зс.
Вверх
Электронная библиотека
Главная страница