П.И. РОМАНОВ, С.В. ВИКТОРЕНКОВА

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Сбалансированные манипуляторы для передвижных ремонтных мастерских

1. Состояние вопроса.

В ранее опубликованных работах [1] доказано, что важным фактором, влияющим на надежность строительно-дорожной и лесозаготовительной техники, является организация ее ремонта. При этом завершающим этапом ремонта является сборка, и если обеспечить ее качество, то надежность технологической машины по критериям безотказности и долговечности будут соответствовать уровню, обеспеченному на всех предыдущих стадиях ремонта. Установлено, что используемые ныне технологии сборки при ремонте машин не обеспечивают качества сборки и нарушают требования безопасности работ. Поэтому предложена новая технология сборки, основанная на применении специально разработанного пневматического сбалансированного манипулятора с комбинированной позиционно-астатической системой управления [1]. Важно отметить, что снятие или установка любого агрегата осуществляются одним оператором, и при этом он прилагает усилие не превышающее 30 Н.. Технология разработана для ремонта техники в условиях гаражей, РММ и других стационарных объектов ремонтно-обслуживающей базы. В современных условиях становится экономически выгодным производить ремонт машин на месте их поломки агрегатным методом с использованием передвижных ремонтных мастерских. В этом случае спецификой ремонта техники в местах эксплуатации на Северо-западе России является высокая вероятность его проведения при отрицательной температуре воздуха.

На основании вышесказанного сформулированы задачи исследований:

• Разработать структуру и конструкцию позиционно-астатической системы управления пневматическими сбалансированными манипуляторами для работы в расширенном температурном диапазоне (до -25°С);

• Разработать математическую модель пневматического сбалансированного манипулятора предназначенного для ремонта машин с использованием передвижных ремонтных мастерских .

2.Методика и результаты экспериментальных исследований.

Предварительные испытания показали, что при отрицательной температуре воздуха нарушается стабильная работа электропневматического редукционного клапана, входящего в состав устройства управления. Поэтому предложена специальная структура позиционно-астатического устройства управления для работы в расширенном температурном диапазоне (до - 25°С) [1]. Так как в устройстве управления используется разработанный авторами специальный редукционный клапан, то потребовалось проведение экспериментальных исследований с целью выбора его оптимальных параметров для работы в диапазоне температур воздуха от - 25 до +20°С.

Оценка запаса устойчивости и быстродействия произведена по кривой переходного процесса при единичном входном воздействии. При решении задачи выбора оптимальных конструктивных параметров специального редукционного клапана в качестве целевой функции выбран минимум функции времени переходного процесса t_П = f(x₁ , ..., x_i), зависящей от конструктивных параметров устройства x₁ , ..., x_i. В качестве функции ограничения принята функция перерегулирования s=f(x₁,...,x_i)=0, а также конструктивные ограничения параметров задающего устройства. Для проведения эксперимента выбраны следующие факторы: диаметр входного дросселя d_вх,мм ; диаметр выходного дросселя d_вых,мм ; диаметр шарика d_ш,мм; диаметр выходного сопла d_вс,мм; ход штока h_шт,мм; жёсткость пружины k_п,H/мм. Так как целью экспериментальных исследований является получение данных, необходимых для выбора оптимальных конструктивных параметров пневматического редукционного клапана, способного обеспечить работу сбалансированного манипулятора при температуре до - 25°С, проведены четыре серии экспериментов при температурах - - 25°С,- 10°С, 0°С, +20°С . Согласно разработанному центральному композиционному ортогональному плану второго порядка, базирующемуся на дробном факторном эксперименте (2^6-1), для каждого опыта производилась сборка пневматического редукционного клапана управления с необходимыми сменными элементами. После получения математических моделей исследуемых параметров осуществлялся переход к их натуральным величинам. Полученные уравнения регрессии использованы при проведении оптимизации.

По результатам экспериментальных исследований установлено, что при прочих равных условиях повышение температуры воздуха с - 25°С до + 20°С приводит к повышению быстродействия редукционного клапана (длительность переходного процесса t_П снижается) и одновременному повышению значения перерегулирования. При этом требуется найти оптимальные параметры специального редукционного клапана, позволяющего обеспечить качество работы устройства управления сбалансированного манипулятора в диапазоне температур от - 25°С до + 20°С. Поэтому в качестве целевой функции выбрано уравнение регрессии функции времени переходного процесса для температуры воздуха - 25°С. В качестве функции ограничения принимаем уравнение регрессии функции перерегулирования соответствующее температуре + 20°С, значение которой должно быть равным нулю, так как при s>0 возможны произвольные колебания рабочего органа сбалансированного манипулятора, что нарушает требования правил безопасности. Также вводим конструктивные ограничения. Таким образом, получена целевая функция:

t_п =-1,15241+0,07835 d_вх-0,01417 d_вых-0,04514 d_ш+0,31719 d_вс-

- 0,01214 h_шт-0,05735 k_п-0,00097 d_вх d_вых-0,00354 d_вх d_ш-

-0,00345 d_вх d_вс+0,00073 d_вх k_п+0,00067 d_вых d_ш-0,00123 d_вых d_вс-

-0,00012 d_вых h_шт-0,00137 d_вых k_n+0,00273 d_ш d_вс+0,00063 d_ш h_шт-

-0,00204 d_ш k_п-0,00009 d_вс h_шт-0,00804 d_вс k_п+0,00014 h_шт k_п-

-0,00612 d_вх²+0,00226 d_вых² -0,01195 d_вс²+0,00005 h_шт²+

+0,64402 k_п² min.

Ограничения:

s =33,4617-24,5928 d_вх-18,7893 d_вых+7,7899 d_ш+21,3882 d_вс+1,5591 h_шт+

+10,2199k_п+0,1486 d_вх d_вых+0,1082 d_вх d_ш+ 0,1216 d_вх d_вс+

+ 0,1520 d_вх h_шт+0,7279 d_вх k_п+1,1336 d_вых d_ш-2,0978 d_вых d_вс-

-0,0714 d_вых h_шт+0,2575d_выхk_п-1,0819d_шd_вс-0,0625 d_ш h_шт-0,2005 d_ш k_п-

-0,1410 d_вс h_шт+0,0686 d_вс k_п-0,1252 h_шт k_п+0,6979 d_вх²-

-0,0418 d_вых²+0,0731 d_ш²-0,1429 d_вс² - 0,0020 h_шт² - 97,6482 k_п² = 0;

t_п > 0; 1,0 < d_вх <5,0; 1,0< d_вых <5,0; 6,0< d_ш <14,0; 3,0< d_вс <7,0;

15,0< h_шт <65,0; 0,55< k_п<1,10.

Задача сводится к нахождению оптимальных d_вх, d_вых, d_ш, d_вс, h_шт, k_п, удовлетворяющих конструктивным ограничениям. Задача решена на ЭВМ при помощи пакета МаthCAD2001Рrо. В результате получены следующие значения: d_вх =1,62мм , d_вых =3,78мм , d_ш =8,83мм , d_вс=5,60мм , h_шт=62,0мм , k_п=0,80H/мм.

Для выбора оптимальных или рациональных параметров других элементов пневматического устройства управления сбалансированного манипулятора с комбинированным управлением и параметров пневматического привода необходимо разработать обобщенную математическую модель. При ее разработке наибольшую сложность представляет математическое моделирование процессов, происходящих в специальном редукционном клапане, так как теоретическое описание динамических процессов, происходящих в дросселе «сопло-заслонка» очень громоздко. Поэтому, целесообразно получить его экспериментальную математическую модель.

Эксперимент по построению математической модели специального редукционного клапана проведен в соответствии с методикой, представленной в работе [1]. Методика основана на анализе переходной характеристики исследуемого элемента системы управления. В результате получено дифференциальное уравнение специального клапана

Т²₂(d² p_вых /d t²)+ Т₁ (d p_вых/ d t)+ p_вых = kx_вх ,

где Т₁, Т₂ - постоянные времени, k – коэффициент передачи, p_вых - давление на выходе клапана, x_вх - перемещение штока клапана (Т₁ = 1,1х10^-2с, Т₂= 4,39 х 10^-3с, k = 1,905х10⁷Па/м). При использовании этого уравнения совместно с системой уравнений (5.1) - (5.14), представленной в работе [1], получаем обобщенную математическую модель СМ с пневматическим комбинированным управлением, предназначенного для эксплуатации в расширенном температурном диапазоне (до - 25°С).

Выводы

1. Разработан вариант структуры пневматического устройства управления сбалансированным манипулятором на основе позиционно-астатического управления и автоматического уравновешивания силы тяжести груза для механизации сборки машин при температуре до - 25°С.

2. Разработанные обобщенные математические модели пневматических сбалансированных манипуляторов с комбинированным управлением, учитывающие процессы, происходящие в устройстве управления и пневматическом приводе, можно рекомендовать для анализа и синтеза манипуляторов, построенных по основным кинематическим схемам, которые в настоящее время используются в сбалансированных манипуляторах.

3. Использование на передвижных ремонтных мастерских сбалансированного манипулятора позволяет существенно расширить технологические возможности передвижных ремонтных мастерских и обеспечить качество сборки машин при их ремонте.

Библиографический список

1. Романов П. И. Развитие научных основ механизации общей сборки технологического оборудования лесозаготовительных машин / СПбГЛТА, СПб., 2001. 208 с.