Динамика нестационарных режимов движения клапана прецизионного дозатора жидких сред

Емельянова, Оксана Викторовна

Динамика нестационарных режимов движения клапана прецизионного дозатора жидких сред тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Емельянова, Оксана Викторовна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Курск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Динамика нестационарных режимов движения клапана прецизионного дозатора жидких сред»

Автореферат диссертации на тему "Динамика нестационарных режимов движения клапана прецизионного дозатора жидких сред"

4851)1*3

а правах рукописи

Емельянова Оксана Викторовна

ДИНАМИКА НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ КЛАПАНА ПРЕЦИЗИОННОГО ДОЗАТОРА ЖИДКИХ СРЕД

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ИЮН 2011

Курск 2011

4850143

Работа выполнена на кафедре теоретической механики и мехатроники Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет", г.Курск.

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Яцун Сергей Федорович

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Колодсжнов Владимир Николаевич

Доктор технических наук, профессор Соломин Олег Вячеславович

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс» (ОрелГТУ)

Защита состоится "29" июня 2011 года в Ю00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.105.01 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г.Курск, ул. 50 лет Октября, д.94, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Юго-Западного государственного университета.

Автореферат разослан "27" мая 2011 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.105.01 кандидат технических наук, доцент

Б.В.Лушников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в технике широкое распространение получили различные дозирующие устройства, предназначенные для отмеривания и выдачи заданного количества жидкости в виде порций. Современный этап развития такой техники характеризуется повышением требований к точности, надежности, быстродействию аппаратуры, а также возможности автоматизации процесса дозирования и поддержания пропускной способности особенно, когда речь идет о микро- или нанопорциях.

Дозирование представляет собой сложный процесс, связанный с нестационарными режимами открытия и закрытия исполнительного устройства дозатора, быстротой изменения динамических параметров, таких как скорость и ускорение движения исполнительного устройства, которые могут быть значительными и влиять на точность и стабильность дозирования.

В настоящее время, как в отечественной промышленности, так и за рубежом, проблема повышения точности дозирования решается путем значительного усложнения конструкции и применения дорогостоящих прецизионных элементов. Одним из путей повышения точности и быстродействия импульсных систем дозирования является разработка и исследование дозаторов нового типа, основанных на контроле и управлении движением исполнительных элементов.

В то же время отсутствие методики расчета динамических процессов и недостаточная проработка методов повышения точности дозирования в таких устройствах существенно сдерживают их дальнейшее распространение.

Прецизионные дозаторы можно отнести к вибрационным и виброударным системам, исследование динамики которых основывается на работах В.И. Бабицкого, В.Н Баранова, И.И. Блехмана, Р.Ф. Ганиева, A.M. Гуськова, B.J1. Крупенина, Я.Г. Пановко, М.З. Коловского, Ю.И. Неймарка, А.Е. Кобринского, Я.А. Вибы, СЛ. Цыфанского, Г.Я. Пановко, С.Ф. Яцуна и др. Вопросам дозирования посвящены работы М.В. Соколова, A.JI. Гуревича, Ю.Д. Видинеева, В.Г. Цейтлина и др. Эти работы легли в основу построения математического аппарата, применяемого при проектировании современных дозаторов.

Необходимость разработки методов математического моделирования движения исполнительного элемента определила актуальность исследований динамики управляемого движения исполнительного устройства прецизионного дозатора. Поэтому в данной работе исследуются динамические процессы, протекающие в сложной электрогидромеханической системе, в которую входят исполнительные устройства дозатора, электрические приводы, блок управления, дозируемая жидкость и система автоматического управления (САУ), обеспечивающая заданное движение исполнительного звена.

Цель работы - повышение точности прецизионных импульсных дозаторов как электрогидромеханических систем, основанное на выявлении закономерностей функционирования и создании инструментальных средств расчета управляемых нестационарных режимов движения исполнительного элемента.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучение природы возникновения погрешностей процесса дозирования с помощью интегральной ошибки, включающей погрешности механической, электрической и гидравлической систем, и оценка их влияния на точность дозирования.

2. Разработка математической модели движения исполнительного устройства дозатора золотникового типа с учетом сил взаимодействия золотника, жидкости и корпуса, их влияния на погрешность механической системы; изучение динамических режимов движения золотника, обеспечивающих периодическое движение без остановок.

3. Разработка математической модели движения исполнительного устройства клапанного типа с учетом привода ограниченной мощности и кусочно-линейной силы упругости, позволяющей описать процесс взаимодействия клапана с седлом; оценка погрешностей, возникающих в электрической системе и системе управления.

4. Моделирование нестационарного движения жидкости в канале дозатора с целью определения погрешности в гидравлической системе.

5. Разработка системы автоматического управления движением клапана исполнительного устройства прецизионного дозатора в зависимости от величины отклонения реальной траектории движения от заданной.

6. Разработка стенда для исследования динамических эффектов, возникающих при работе прецизионного дозатора, экспериментальные исследования, анализ и сравнение полученных данных.

7. Разработка инструментальных средств проектирования и расчета прецизионных дозаторов клапанного типа на базе блочного имитационного моделирования и методики создания функциональной диагностики качественного состояния дозаторов.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы основные положения теоретической механики, теории нелинейных колебаний, автоматического управления, механики сплошных сред, теории пограничного слоя, методов математического моделирования, численных методов решения дифференциальных уравнений, оптимизации с применением генетических алгоритмов.

Достоверность научных положений и результатов обеспечена корректностью постановки задачи, обоснованностью использованных теоретических зависимостей и принятых допущений, применением известных математических методов; подтверждается адекватностью математических моделей, сравнительным анализом результатов, полученных при научном обосновании и в результате экспериментальных исследований.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Разработана математическая модель движения исполнительного устройства золотникового типа с учетом упруго-вязких свойств уплотнительного кольца и сил сухого трения. Установлено, что сила сухого трения пропорциональна статической деформации уплотнительного кольца. Предложена карта динамических режимов движения золотника дозатора в плоскости параметров приведенных коэффициентов сухого трения и амплитуды вынуждающей силы, позволившая установить наличие режимов движения золотника без остановок и с остановками.

2. Разработана математическая модель движения исполнительного устройства клапанного типа, описывающая динамические процессы, протекающие в электрогидромеханической системе с учетом привода ограниченной мощности и кусочно-линейной модели силы упругости, изменяющей свои свойства вследствие образования загрязнений на седле клапана. Анализ результатов моделирования

позволил создать новый тип дозатора, обеспечивающий точность дозирования до 93 % при условии контроля за положением клапана дозатора по критерию минимизации интегральной ошибки перемещения.

3. Предложена математическая модель течения жидкости в цилиндрическом канале дозатора на основе уравнений несжимаемости вязкой жидкости и теории пограничного слоя и получена аналитическая зависимость, связывающая мгновенный расход жидкости с параметрами дозирующей системы. Установлено, что погрешность, вызванная свойствами гидравлической системы, экспоненциально уменьшается с ростом времени открытия дозатора.

4. Теоретически и экспериментально подтверждена и обоснована зависимость между загрязнением клапана дозатора и падением давления в топливной магистрали на основе спектрального анализа виброграмм, позволяющая использовать эту информацию в качестве диагностического признака и дать количественную оценку степени загрязнения электромагнитных форсунок.

5. Установлена, что точность дозирования определяется погрешностями механической, электрической и гидравлической системами, причем ошибка механической системы связана со статической деформацией уплотнительного кольца. Погрешность электрической системы и системы управления связана с запаздыванием системы открытия клапана дозатора из-за наличия ЭДС самоиндукции электромагнитного привода. Гидравлическая погрешность зависит от длительности управляющего импульса, поступающего на обмотку электромагнита, вязкости жидкости, её инерциальных свойств и параметров дозатора.

Практическая ценность данной работы состоит в том, что её результаты могут использоваться при проектировании прецизионных дозаторов нового типа за счет создания системы управления движением клапана дозатора и управления им в зависимости от величины отклонения от заданной траектории, что позволит повысить точность системы автоматического дозирования.

Кроме того, в результате исследований предложены экспериментальная установка и программное обеспечение, позволяющие проводить диагностику дозирующих устройств, в частности, электромагнитных форсунок, для оценки степени их загрязненности по спектральному анализу временных диаграмм, а также осуществлять их диагностику на дихотомическом уровне («годен-негоден»).

Результаты работы внедрены в производственный процесс ООО «Автолига Сервис» (Курск), внедрены в технологию выполнения текущих и внеплановых ремонтов транспортных средств Федеральной противопожарной службы России по Курской области, в учебный процесс кафедры теоретической механики и мехатроники Юго-Западного государственного университета по специальности 220401.65 «Мехатроника», а также использованы при выполнении государственных контрактов ¡12114 от 05.11.2009 г., П1576 от 10.10.2009 г. в решках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 г.».

(Орел, 2007), научно-методической конференции «Образование через науку» (Курск, 2008), VIII научной конференции «Нелинейные колебания механических систем» (Н. Новгород, 2008), Международной конференции «Управление динамическими системами» (Москва, 2009), 11-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (С.-Петербург, 2009), XVI Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии» СТТ-2011 (Томск, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 115 наименования и 2 приложений. Основной текст изложен на 195 страницах и содержит 113 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы цели и основные задачи работы, определена научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе дается краткий обзор и анализ способов дозирования, исследовано современное состояние вопроса в области микродозирования как комплексное решение задач регулирования и управления малыми объемами жидкостей до 10"9м3. Приведена классификация систем дозирования, рассмотрены способы управления исполнительным устройством системы дозирования, построенные на импульсном принципе за счет колебаний распределительного устройства, находящегося в непосредственном контакте с дозируемой жидкостью.

Проведен обзор математических моделей дозаторов и дозируемых сред, рассмотрена технология процесса дозирования и даны основные определения прецизионности дозирования. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются вопросы моделирования динамики движения исполнительного устройства электромагнитного дозатора с программным управлением.

Функциональная схема прецизионного дозатора представлена на рисунке 1.

Оценка точности проводится с помощью интегральной ошибки 1 = >

которая зависит от погрешностей механической системы г|ь электрической системы и системы управления г\2, а также погрешностью г)з гидравлической системы, связанной с физико-механическими свойствами жидкости и системы дозирования.

Блок ^праЕлекил

ПРИВОД

I ВХОД | ЖИДКОСТИ

15 g

X 8

g >х

а S,

ВЫХОД

дозируемой жидкости —н

а)

3 9

вход ♦

г* J7*

-VAWM- =Г

г' ✓ S>Sr s г У У

■ т .1Х< —-2

б)

В)

Рис. 1. Функциональная схема прецизионного дозатора (а), дозатор с золотниковым (б) и клапанным (б) распределительными устройствами; р, р0-область высокого и низкого давления соответственно

На первом этапе рассмотрено периодическое движение золотникового распределительного элемента дозатора, расчетная схема которого представлена на рисунке 2. Такой дозатор отличается простотой конструкции, однако возникает необходимость герметизации контактной зоны движения между золотником и корпусом дозатора уплотнительным кольцом манжеты, которая обеспечивает нулевой радиальный зазор и плотную посадку золотника в цилиндре. Однако это приводит к увеличению силы сухого трения за счет радиальной деформации уплотнительного кольца, которое моделируется в виде вязкоупругих элементов с приведенной жесткостью й и коэффициентом вязкости (рис. 2, б).

Рис. 2, Расчетная схема дозатора жидких сред: а - расчетная схема движения золотника в корпусе; б - модель уплотнения кольца манжеты; 1 - корпус дозатора;

2 - золотник; 3 - уплотнительная манжета; N - сила нормального давления •■ уплотнения кольца манжеты; Fw = Fc signЗс -приведенная сила сухого трения; FBConp- сила вязкого сопротивления; Fynp - сила упругости; FB - вынуждающая сила

Для записи уравнений движения поршня дозатора введем неподвижную систему координат Ох у, жестко связанную с корпусом дозатора. За начало отсчета примем точку О, совпадающую с положением статического равновесия поршня, определяемого без учета сил сухого трения.

Дифференциальные уравнения, описывающие движение системы в безразмерной форме имеют вид:

ic = -a^-HJc + Y„sinT-/sign(i); (1)

f0 = ax + yms\nx, i = 0, -/</0</, (2)

где +/, -/, /0 - приведенные значения коэффициента трения в положительном, отрицательном направлениях движения и в положении покоя соответственно;

T = cot, х — —— безразмерные врем и перемещение; параметры ¡л = , а= 0 ,, х0 та та

F F

/ = —S-r-, ут = —, где х0 - масштаб длины. тх0а> тх0со

Обозначим x¡ = х, х2 = х и перепишем уравнения (1) и (2) в векторной форме:

X = G_(r,X) + |AG(r,X)[l + s¡gn(<f(X))], AG(r,X) = GJz,X)-G_(z,X), (3)

где X = (x„x2)r; G±=(glt,x2±f, gH = х2, g2t = -ах, ~ta2+r„sinrí/, ¿;(X) = x2.

Для выяснения возможных типов динамического поведения рассматриваемой системы выполним построение С-бифуркационных границ.

Фазовое пространство (г, X) динамической системы (3) разделяется на два подпространства: Д., где > 0, и £>_, где %(Х) < 0.

В подпространстве Д., D. уравнение движения (3) имеет вид

X = G._( х,Х) (4)

. (5)

Границей указанных подпространств является плоскость S, определяемая уравнением ¿;(x)=Q, которая состоит из областей SV, S. и S0. Здесь S+ - часть S, с которой фазовая точка уходит в область £>+, a S. - та часть S, с которой фазовая точка уходит в D.. Если же с обеих сторон от границы S фазовые траектории направлены к 5, то оказавшись на участке S0czS фазовая точка не может сойти с S ни в область D+, ни в область D.. Движение по S0 будем называть областью движения с остановками. Уравнение движения на S0 записывается л = i = О.Сила трения при этом изменяется между своими предельными значениями.

В динамической системе (5) возможны различные типы периодических движений. На рисунке 3 приведена двупараметрическая диаграмма, рассчитанная в плоскости параметров сил сухого трения / и амплитуды вынуждающей силы ут, приводящих к появлению зон движений золотника без остановок, с остановками и при критическом значении параметров - зоны отсутствия движения на траектории периодического движения, которые могут приводить к потере контроля за исполнительным устройством и, как следствие, к изменению положение статического равновесия, что существенно влияет на точность дозирования.

0.2 / 2.0

Рис. 3. Карта динамических режимов: область П+_ отвечает области периодических движений клапана без остановок; ГГ°+. - режиму колебаний с остановками; П° - отсутствуют колебания клапана, т.е дозирующая система не

работает

Исследования показали, что точность таких дозаторов может снижаться, а погрешность гц достигать 100%. Поэтому в последнее время большее распространение получили системы прецизионного дозирования клапанного типа, т.к. они лишены такого недостатка, как наличие областей движения с остановками. Исполнительное устройство такого дозатора находится в жидкости, которая служит смазочным слоем между клапаном и корпусом дозатора и сводит к минимуму негативное воздействие силы сухого трения. В конечном итоге этой силой можно пренебречь.

Рассмотрим движение запирающего клапана дозатора с электромагнитным приводом (рис. 4). Подвижная масса 1 совершает поступательное движение под действием силы F3 - управляющего электромагнита 2, кусочно-линейной силы упругости Р(х), возникающей за счет действия пружины 3 вязкоупругой модели седла клапана 4 и упругого ограничителя 5, и силы вязкого сопротивления R(x) = \ix, вызванной наличием гидравлического сопротивления жидкой среды. За обобщенную координату х возьмем перемещение массы ш, причем за начало отсчета возьмем точку касания запирающей иглы седла клапана. Между упругими ограничителями 4 и 5 существует воздушный зазор 8, а между ограничителем 4 и электромагнитом - зазор h.

В процессе эксплуатации на седле клапана возможно появление твердых отложений, моделируемых в виде вязкоупругих элементов с параметрами жескости с 1 и коэфициентом демпфирования ц2. Загрязнения могут быть вызваны физико-химическими свойствами дозируемых сред, в результате чего изменяется характер взаимодействия клапана и седла (рис. 5).

На рисунке 6 представлена схема определения силы предварительного сжатия пружины Рпредв=«ст. необходимой для прижатия иглы клапана к седлу и обеспечивающей герметичность дозатора. На основании представленной модели седла клапана и рассчитаных параметров с, сь с2, ц2 (рис. 7) в работе предложена кусочно-линейная сила упругости, возникающая при взаимодействии клапана седла и упругих элементов:

Р(х) =

(*-8)с+Р„редв (сг+с)х+(ь+с)х0 + Р

(С,+С)Ж-С1'Л0 • .. • при Х<ха\

при ха < х < 5; (6)

'лред+^ф-^о) ПРИ Х>5> где Рпредв - сила упругости при х=х0; 8 - рабочий зазор клапана; с - коэффициент жесткости пружины; сь с2 - параметры вязкоупругих ограничителей, х0=х0(0 - начальное положение клапана в момент времени ¿=0, зависящее от уровня загрязнения, выработки седла клапана.

При идеально чистой, гладкой металлической поверхности седла клапана .*о(0=0. При наличии отложений на седле происходит смещение положения силы

упругости Гпрет упругости.

на величину ха и изменение формы кусочно-линейной силы

Р(Х)

" IN

N х \

Х 4 3

Рис.4. Расчетная схема дозатора: 1 - клапан; 2 - электромагниты; 3 -

возвратная пружина; 4 - седло клапана; 5 - верхний ограничитель

\ Л \

^деф

\ \

I... IIX

седло q клапана

Рис.5. Схема взаимодействия клапана и деформируемого седла: 1 - седло клапана; 2 - клапан конусного типа; 3 - загрязнения;

положение без загрязнений;" наличии загрязнений

' при

Рис.6. Расчетная схема определения СИЛЫ упругости Рпредв

Рис.7. График зависимости силы упругости

Р(х) от обобщенной координаты je в зависимости от различных коэффициентов жесткости: 1 - без загрязнений; 2-е учетом загрязнений

Для описания динамических процессов, протекающих в рассматриваемой системе, на основе уравнений Лагранжа-Максвелла записаны соответствующие нелинейные дифференциальные уравнения, которые в безразмерной форме имеют вид:

{ ф +|ЗФ = е£/(т),

т = соt; х = х0х\ i = x0o)Î; х = х0(О2х: Ф = Ф„Ф; Ù(t)= U0U\ g = л0ю2;т-безразмерное время; х0 - масштаб длины; U0 - масштаб электрического напряжения; Ф0 - масштаб потока. Переменные с чертой являются безразмерными.

Интегральную ошибку электропривода г|2 и системы управления, определяем^управляющим напряжением U(t)=(U0, t«,, tœ, tj), где U0- максимальное значение управляющего напряжения, t0, toC, t, - время открытия, открытого состояния и закрытия клапана дозатора, вычислим по формуле:

| \xdt- \xdt | | Y/, -f/, | „ _ о_о _

Лг--f-— --~„-, (8)

)Х

где х , х - теоретический и реальный законы движения; п = Т'I Дг, т = Т/Аг-коэффициенты, равные соответственно отношению теоретического и реального времени дозирования к разнице между ними.

При программном управлении задающее воздействие 11(1) эквивалентно х (1), управляющее напряжение и(Ах) =кАх=к(х* (()-х(0), гае к- коэффициент регулятора.

В работе исследовались следующие формы управляющих импульсов, подаваемые на обмотку электромагнита (рис. 8): косинусоидальная, синусоидальная, прямоугольная, а также ступенчатая прямоугольная. Моделирование проводилось в среде МАТЬАВЛЗйпиНпк численным методом Во^'аск1-8Ьатр1пе с адаптивным шагом интегрирования. На рисунке 8 представлены результаты моделирования движения иглы клапана дозатора.

Рис. 8. Графики перемещения и потока при синусоидальной (а) и прямоугольной (б) формах управляющих импульсов

Анализ графиков единичного импульса (рис. 8) показывает, что в системе

программного управления процессом дозирования интегральная ошибка г|2 составляет 20-100%, связанная с инерционными свойствами электромагнитной системы, нестационарностью переходных процессов открытия и закрытия клапана дозатора, а также наличием виброударных режимов на траектории периодического движения (рис. 9).

Рис. 9. Иллюстрация характера перемещения клапана дозатора при программном управлении процессом дозирования: 1 - управляющее воздействие; 2 -перемещения клапана дозатора

Моделирование управляемого движения исполнительного элемента позволяет изучить динамические эффекты поведения системы для различных видов управляющего воздействия, а также оценить погрешность, вызванную электромагнитной и управляющими системами.

В третьей главе рассмотрена задача формирования порции дозируемой жидкости, движение которой описано с помощью уравнений несжимаемости вязкой жидкости и теории пограничного слоя

Для вывода дифференциальных уравнений динамики вязкой несжимаемой жидкости используем уравнения динамики сплошной среды в форме уравнения Эйлера:

- = — + (у-\')у=Р--ёгас1р-, с1ЫУ = 0 (9) Л Ы р

где У=(У/, У2, У3)т, ~Р=(РI, Л, Р3)т — вектор скоростей и приведенный вектор

объемных сил; V, = У, (хь I), Р, - проекции скорости и объемных сил на

соответствующие оси координат (г, к - 1,2,3); р - плотность жидкости, р -

гидродинамическое давление или давление в данной точке потока, символьная

комбинация (У ■ V)у = У обозначения координат: х\, х2, х3.

дх

Основное дифференциальное уравнение нестационарного движения в цилиндрической трубе круглого сечения запишем в виде (рис. 10):

, (10)

Ш р дхъ

Используя теорию пограничного слоя, преобразуем уравнение (10) к виду:

а) , б)

Рис. 10. Приведенная расчетная схема движения жидкости в дозаторе: а - закрытое состояние; б - открытое состояние; 1 - запирающий элемент; 2 - упрощенная модель канала системы подачи жидкости; 3- дозируемая жидкость; 4 - эпюра распределения скоростей

После преобразований, при начальных условиях: /=0; х3=0; х, = К = 0. получим мгновенный расход жидкости, проходящей сквозь выходное сечение рассматриваемого дозатора:

<? = —

Рг.

(12)

4ц ,

где V, = -^-р I - коэффициент гидравлического сопротивления дозатора, который

определяется вязкостью ц, плотностью жидкости р, а также геометрическими параметрами дозирующей системы: приведенной длиной Ь, и величиной Д пограничного слоя.

Таким образом, мгновенный расход жидкости q пропорционален давлению жидкости р и обратно пропорционален коэффициенту гидравлического сопротивления дозатора Уь а также экспоненциально зависит от времени открытия клапана Т.

Расчеты, выполненные по формуле (12) иллюстрируют зависимости объемного расхода от времени открытого состояния клапана Т для различных коэффициентов гидравлического сопротивления дозаторов.

Установлено, что интегральная ошибка г|3 определяемая относительной погрешностью между теоретическим и реальным расходом жидкости, зависит от длительности управляющего импульса и колеблется в пределах от 0,1 до 25% .

Анализ общей погрешности системы прецизионного дозатора клапанного типа показывает, что погрешность, вызванная электромагнитной системой и системой управления является существенной, поэтому для исследования переходных процессов открытия и закрытия клапана дозатора и проблемы управления электроприводом устройства было проведено исследование системы автоматического управления движением исполнительного устройства прецизионного дозатора при условии контроля величины отклонения реальной траектории движения клапана от заданной.

На рисунке 12 представлены результаты моделирования системы управления с оптимальными параметрами ПИД-регулятора.

Рис. 11. График зависимости задающего (1) и реального (2) закона движения клапана дозатора от времени: Д - отклонение заданного закона движения от

реального

Определение оптимальных значений кА, к, было осуществлено с использованием модифицированного генетического алгоритма и реализовано в разработанном программном приложении. Интегральная ошибка составила г|2=7%-

Четвертая глава посвящена разработке экспериментального стенда для исследования динамики движения исполнительного устройства электромагнитного дозатора жидких сред, адаптивной системе управления. Проведены экспериментальные исследования для идентификации параметров модели и подтверждения достоверности математической модели.

Схема экспериментального стенда, представлена на рисунке 12.

Рис.12. Схема экспериментального стенда для изучения работы прецизионного дозатора: 1 - топливный бак; 2 - электронасос; 3, 6 - трубопроводы подачи и обратной магистрали; 4 - топливный фильтр; 5 - регулятор давления: 7 -показывающий манометр; 8 - электронный датчик давления; 9 - дозатор; 10 - блок управления; 11 - микроконтроллер; 12 - аналого-цифрового преобразователь

На базе исследовательского комплекса был проведен ряд экспериментов по исследованию влияния управляющего импульса на гидравлические процессы, возникающие в дозаторе, предложена методика диагностирования состояния

электромагнитных форсунок, которые использовались в качестве дозирующих устройств, основанная на анализе временных зависимостей давлений в топливных магистралях форсунок (рис. 13) и их спектральном анализе (рис. 14).

Осциллоскоп : Спветрмиализатор ' Регистратор ;[глцд«лк» |

Ор*п ! Ски» !,:;; Вс» ем ; —*—■ ^.......

Рис.13. Графики изменения давления в топливной магистрали форсунки: а - форсунка чистая; б - форсунка загрязнена (пробег 50 ООО км)

Рис, 14. Графики спектрального анализа сигналов изменения давления в топливной магистрали форсунок двигателя 210ХЕ: а - форсунка чистая; б - форсунка загрязнена Количественная оценка степени загрязнения форсунок получена при помощи коэффициента к:

характеризующего отношение амплитуды пика гармоники на частоте 0,75 Гц к сумме амплитуд гармоник от 0,5 до 1,2 Гц. При коэффициенте к > 0,2 можно говорить о том, что форсунка загрязнена и нуждается в очистке.

Осциллоскоп ; Слепро9нализэтор : Регистр »гор ¡Глядел«

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основе проведенных исследований и обобщений получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель движения исполнительного устройства золотникового типа с учетом свойств уплотнительного кольца и нелинейной модели силы трения между золотником и корпусом, выявлены три области в плоскости параметров сил сухого трения / и амплитуды вынуждающей силы ут, приводящие к движению золотника без остановок, с остановками и при критическом значении параметров - отсутствия движения.

2. Предложена математическая модель движения клапана дозатора, рассматриваемого как мехатронная система, в состав которой входят механическая, электрическая и управляющая подсистемы, которая отличается учетом кусочно-линейной силы упругости, сил вязкого трения, моделирующие взаимодействие исполнительного элемента с дозируемой жидкостью.

3. Разработаны инструментальные средства проектирования и расчета дозаторов клапанного типа на базе среды блочного имитационного моделирования программно-вычислительного комплекса БтиПпк/Ма^аЬ, позволяющий исследовать влияние различных видов управляющего воздействия на динамические процессы поведения системы.

4. Предложена математическая модель процесса взаимодействия клапана и седла, представленного в виде упругодеформируемого элемента с кусочно-линейной силой упругости, и установлена функциональная связь между степенью загрязнения седла клапана и силой упругости, которая меняет свои свойства вследствие образования загрязнений на седле.

5. Выявлено, что наиболее существенное влияние в системе дозирования клапанного типа, оказывает погрешность, возникающая в электрической системе и системе управления, которая может составлять г|2 = 20 * 100%. Для повышения точности системы автоматического дозирования предложен новый тип дозатора, обеспечивающий точность дозирования в условиях контроля за положением клапана дозатора по критерию минимизации интегральной ошибки перемещения, составляющей не более г)2=7 %.

6. Разработана математическая модель нестационарного движения жидкости в канале дозатора, на основе теории пограничного слоя и установлена аналитическая зависимость, связывающая мгновенный расход с параметрами дозирующей системы. Выявлено, что объемный расход дозы пропорционален давлению жидкости и обратно пропорционален коэффициенту гидравлического сопротивления дозатора, а также экспоненциально зависит от времени открытия клапана дозатора. Погрешность г|3, вызванная свойствами дозируемой жидкости, экспоненциально зависит от длительности управляющего импульса, поступающего на обмотки катушки электромагнита.

7. Создана экспериментальная установка на основе электромагнитного дозатора, оснащенная оригинальной системой программного управления и системой измерения параметров, позволяющая выявить влияние управляющего импульса на гидравлические процессы, возникающие в дозаторе. На основе установленных теоретических предпосылок и закономерностей экспериментально определен коэффициент гидравлического сопротивления дозатора в зависимости от геометрических и динамических характеристик дозатора, а также найдена

зависимость значения коэффициента гидравлического сопротивления от расхода дозируемой жидкости.

8. Предложен метод диагностики состояния электромагнитных форсунок, основанный на анализе временных зависимостей давлений в их топливных магистралях и спектральном анализе, которые позволяют по коэффициенту гармоник диагностировать степень загрязнения форсунок и осуществлять их диагностику на дихотомическом уровне («годен-негоден»).

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: Публикаиии в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации:

1. Яцун, С.Ф. Расчет электромагнитного привода клапана ДВС [Текст] / С.Ф.Яцун, С.А.Нижников, О.В.Емельянова // Изв. вузов. Серия «Машиностроение». 2007.№2. С.28-38.

2. Яцун, С.Ф. Динамические режимы движения клапана прецизионного дозатора жидких сред [Текст] / С.Ф. Яцун, Ж.Т.Жусубалиев, О.В.Емельянова [и др.] // Изв. вузов. Серия «Машиностроение». 2008. №8. С.37-48.

3. Яцун, С.Ф. Исследование влияния параметров импульсного управления на характер движения иглы прецизионного дозатора [Текст] / С.Ф.Яцун, Б.В.Лушников, О.В.Емельянова //Изв. Самар. науч. центра РАН. 2009. С. 155-159.

4. Яцун, С.Ф. Моделирование движения жидкости в прецизионном дозаторе [Текст] / С.Ф.Яцун, О.В. Емельянова, Е.Н.Политов // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2009.Т.11, №5(2). С.373-377.

5. Яцун, С.Ф. Анализ динамики поршня прецизионного дозатора жидких сред [Текст] / С.Ф. Яцун, Ж.Т. Жусубалиев, О.В. Емельянова О.В., [и др.] // Изв. вузов Северо-Кавказ. региона. 2010. № 1. С. 70-75.

Другие публикаиии:

1. Яцун, С.Ф. Электромагнитные форсунки впрыска топлива [Текст] / С.Ф.Яцун, О.В. Емельянова // Материалы и упрочняющие технологии -2004: сб. материалов XI Рос. науч.-техн. конф. Курск, 2004.С.239-242.

2. Яцун, С.Ф. Моделирование динамического процесса движения иглы форсунки ДВС [Текст]/ С.Ф.Яцун, О.В. Емельянова // Вибрационные машины и технологии: сб. науч. тр. Курск, 2005. 4.1. С. 172-180.

3. Яцун, С.Ф. Моделирование движения клапана форсунки методом крупных частиц [Текст] / С.Ф.Яцун, О.В. Емельянова // Изв. Курск, гос. техн. ун-та. 2007. №3 (20). С.8-14.

4. Яцун, С.Ф. Динамический расчет параметров привода электромагнитной форсунки [Текст] / С.Ф.Яцун, О.В. Емельянова // Основы проектирования и детали машин - XXI век: материалы Всерос. науч. метод, конф. Орел, 2007. С. 372378.

5. Емельянова, О.В. Стенд для экспериментальных исследований работы электромагнитной форсунки [Текст] / О.В. Емельянова //Образование через науку: материалы науч.- метод, конф. Курск, 2008. С. 140—145.

6. Емельянова, О.В. Стенд для исследования прецизионного электромагнитного дозатора жидких, сред [Текст]/ О.В. Емельянова// Вибрационные машины и технологии: сб. науч. тр. Курск, 2008. С.326-333.

7. Яцун, С.Ф. Исследование управляемых виброударных режимов в электромеханической системе [Текст]/ С.Ф.Яцун, Б.В.Лушников, О.В. Емельянова

// Нелинейные колебания механических систем: тр. VIII Всерос. науч. конф.: в 2 т. Н. Новгород, 2008. т.2. С.263-268.

8. Емельянова, О.В. Управление движением иглы клапана прецизионного дозатора [Текст]/ О.В.Емельянова, Б.В.Лушников С.Ф.Яцун // Управление динамическими системами: тез. докл. Междунар. конф. М.: ИПМех РАН, 2009. С.45.

9. Яцун, С.Ф. Диагностика работы электромагнитных форсунок ДВС [Текст]/ С.Ф.Яцун, О.В.Емельянова, К.В. Чаплыгин // Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня: материалы 11-й Междунар. науч.-практ. конф: в 2 ч. СП.б, 2009. 4.2. С.401-405.

10. Метод диагностики состояния электромагнитных форсунок ДВС [Текст]/ С.Ф.Яцун, О.В.Емельянова, Е.Н. Политов [и др.] // Технологии машиностроения и строительства: сб. науч. тр. ПолтНТУ 2009. Т.2, вып.3(25). С.112-116.

11. Емельянова, О.В. Исследование динамики распределительного устройства прецизионного дозатора жидких сред [Текст] / О.В.Емельянова, [и др] // Инжиниринг-2009: сб. тр. регион, науч.-практ. конф. Орел. 2009. С.126—131.

12. Емельянова, О.В. Программное управление движением исполнительного элемента прецизионного дозатора [Текст]/ О.В. Емельянова // Управляемые вибрационные технологии и машины: сб. науч. ст. в 2 ч. Курск, 2010. 4.1. С.171-179.

13. Пат. 80942 Российская Федерация : МПК G 01 F 11/00. Микродозатор жидкости [Текст] / Яцун С.Ф., Емельянова О.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Курский государственный технический университет». №2008139980/22; заявл. 08.10.200; опубл.27.02.2009, Бюл.№6. Зс.

14. Пат. 84972 Российская Федерация : МПК7 G 01 F И/00. Устройство для автоматического дозирования жидкости [Текст] / Яцун С.Ф., Лушников Б.В., Емельянова О.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Курский государственный технический университет». №2009108678/22; заявл. 10.03.2009; опубл. 20.07.2009, Бюл.№20. 3 с.

15. Пат. 96089 Российская Федерация : МПК7 В62 D 57/00. Устройство для перемещения в жидких средах [Текст] / Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Емельянова О.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Курский государственный технический университет». №2010107654/22; заявл. 02.03.2010, опубл. 20.07.2010, Бюл.№20. 3 с.

Подписано в печать 26.05.11.Формат 60x84 1/16. Печ.л.Ю. Тираж 130 экз. Заказу Издательство Юго-Западного государственного университета 305040, г.Курск, ул.50 лет Октября, 94. Отпечатано в ЮЗГУ.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Емельянова, Оксана Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12 1Л Предмет и область применения прецизионных дозаторов.

Способы дозирования жидкостей.

1.2 Классификация систем дозирования жидкостей.

1.3 Импульсные методы дозирования жидкости.

1.4 Технологии дозирования.

1.5 Понятие точности дозатора. Основные определения. Параметры, влияющие на точность дозирования.

1.6 Дозаторы двигателей внутреннего сгорания.

1.7 Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ПРЕЦИЗИОННОГО ДОЗАТОРА.

2.1 Обобщенная расчетная схема прецизионного дозатора.

2.2 Определение точности в электрогидродинамической системе.;.

2.3 Определение пространства параметров системы, обеспечивающих периодическое движение исполнительного устройства золотникового типа.

2.3.1 Анализ динамических режимов движения.

2.4 Описание электромагнитного дозатора с клапанным распределительным устройством.

2.5 Математическое моделирование движения исполнительного устройства клапанного типа.

2.5.1. Разработка алгоритма .численного интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений.

2.5.2 Исследование влияния единичного управляющего импульса на движение клапана электромагнитного дозатора с программным управлением.

2.5.3 Исследование многоимпульсного дозирования движения исполнительного устройства прецизионного дозатора.

2.6 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПРЕЦИЗИОННОГО ДОЗАТОРА.

3.1 Исследование нестационарного движения жидкости в цилиндрическом канале электромагнитного дозатора.

3.2 Моделирование процесса формирования порции дозируемой жидкости.

3.2.1 Исследование движения жидкости в момент открытия клапана.

3.2.2 Исследование движения жидкости в момент закрытия клапана.

3.3 Динамический синтез закона управляющего напряжения прецизионного дозатора.

3.4 Пути повышения точности дозирования за счет применения-системы управления движением клапана электромагнитного дозатора с управлением по перемещению. 12В

3.5 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДОЗИРОВАНИЯ.

4.1 Разработка программы проведения экспериментальных исследований и методики измерения контролируемых параметров.

4.2 Разработка лабораторного стенда для экспериментального изучения управляемого движения исполнительного устройства на основе электромагнитного дозатора жидкости

4.3 Сборка и отладка экспериментальной установки.

4.4 Экспериментальные исследования.

4.4.1 Исследования управляющего импульса на гидравлические процессы, возникающие в дозаторе.

4.4.2 Исследование прецизионности дозатора и влияние контролируемых параметров на выходные характеристики

4.413 Метод определения коэффициента гидравлического сопротивления прецизионного дозатора.

4.4.4 Алгоритм нахождения коэффициента гидравлического сопротивления дозатора.

4.5 Программное управление движением исполнительного устройства клапана прецизионного дозатора.

4.6 Анализ гидродинамических процессов, возникающих в дозаторе при мгновенном закрытии клапана.

4.7 Использование результатов НИР для диагностики форсунок по спектральному анализу временных зависимостей давления в топливной магистрали.

4.8 Выводы по главе 4.

Введение диссертация по механике, на тему "Динамика нестационарных режимов движения клапана прецизионного дозатора жидких сред"

Актуальность темы.

В настоящее: время в, технике широкое: распространение получили? различные дозирующие" устройства^ предназначенные для/ отмеривания! и выдачи заданного количества жидкости в виде: порций. Современный этап1 развитиж такой: техники характеризуется повышением требований к точности, надежности;; быстродействию аппаратуры, а также возможности: автоматизации процесса дозирования и: поддержания пропускной способности особенно; когда речь идет, о микро- или нанопорциях.

Дозирование представляет собой сложный процесс,, связанный с нестационарными режимами открытия и закрытия« исполнительного устройства дозатора; быстротой изменения динамических параметров; таких как скорость и ускорение: движения исполнительного устройства, которые могут быть значительными и влиять на точность и стабильность дозирования:

В настоящее время, как в отечественной промышленности, гак и за рубежом, проблема повышения точности дозирования решается путем значительного усложнения конструкции и применения, дорогостоящих прецизионных элементов. Одним из путей: повышения точности и быстродействия импульсных систем дозирования является разработка и исследование дозаторов нового типа, основанных на контроле и управлении движением исполнительных элементов;

В то же время отсутствие методики расчета динамических процессов-и недостаточная проработка методов повышения точности дозирования* в таких устройствах существенно сдерживают их дальнейшее распространение.

Прецизионные дозаторы можно отнести к вибрационным- и виброударным системам, исследование динамики которых основывается« на работах В.И. Бабицкого; В.Н Баранова, И.И. Блехмана, Р.Ф. Ганиева, А.М: Гуськова, В.Л. Крупенина, Я Г. Пановко, М.З. Коловского, Ю.И. Неймарка,

А.Е. Кобринского, Я.А. Вибы, С.Л. Цыфанского, Г.Я. Пановко, С.Ф. Яцуна и др. Вопросам дозирования посвящены работы М.В. Соколова, А.Л. Гуревича, Ю.Д. Видинеева, В.Г. Цейтлина и др. Эти работы легли в основу построения. математического аппарата, применяемого при проектировании современных дозаторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Методы, исследования. При выполнении диссертационной работы использованы основные положения теоретической механики, теории нелинейных колебаний, автоматического управления, механики сплошных сред, теории пограничного слоя, методов математического моделирования, численных методов решения дифференциальных уравнений, оптимизации с применением генетических алгоритмов.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:.

1. Разработана математическая, модель движения исполнительного устройства золотникового типа с учетом упруго-вязких свойств уплотнительного кольца и сил сухого-трения. Установлено, что сила сухого трения пропорциональна статической деформации уплотнительного кольца. I

Предложена карта динамических режимов движения золотника дозатора в плоскости параметров приведенных коэффициентов^ сухого трения и г амплитуды вынуждающей силы, позволившая установить наличие режимов движения золотника без остановок и с остановками.

2. Разработана математическая модель движения исполнительного устройства клапанного типа, описывающая динамические процессы, протекающие в электрогидромеханическои системе с учетом привода ограниченной мощности и кусочно-линейнои модели силы упругости, 9 изменяющей свои свойства вследствие образования загрязнений на седле 5 клапана. Анализ результатов > моделирования позволил создать новый тип дозатора, обеспечивающий точность дозирования до 93 % при условии контроля за положением клапана дозатора по критерию минимизации интегральной ошибки перемещения. ? 3. Предложена математическая модель течения жидкости в цилиндрическом канале дозатора на основе уравнений несжимаемости ! вязкой жидкости и теории пограничного слоя и получена аналитическая зависимость, связывающая мгновенный расход жидкости с параметрами дозирующей системы. Установлено, что погрешность, вызванная свойствами гидравлическои системы, экспоненциально уменьшается с ростом времени открытия дозатора.

4. Теоретически и экспериментально подтверждена и обоснована ' зависимость между загрязнением клапана дозатора и падением давления в топливной магистрали на основе спектрального анализа виброграмм, позволяющая использовать эту информацию в качестве диагностического признака и дать количественную оценку степени загрязнения электромагнитных форсунок.

5. Установлено, что точность дозирования определяется погрешностями механической, электрической и гидравлической системами; причем ошибка механической системы связана со статической деформацией у и лоты ительного кольца. Погрешность электрической- системы и системы управления связана с запаздыванием- системы открытия клапана'дозатора из-за наличия ЭДС самоиндукции электромагнитного привода. Гидравлическая погрешность зависит от длительности управляющего импульса, поступающего на обмотку электромагнита, вязкости жидкости, её инерциальных свойств и параметров дозатора.

Практическая ценность данной работы состоит в том, что её результаты могут использоваться при проектировании прецизионных дозаторов нового типа за счет создания системы управления движением клапана дозатора и управлять им в зависимости от величины отклонения от заданной траектории, что позволит повысить точность системы автоматического дозирования.

Кроме того, в результате исследований предложены экспериментальная установка и программное обеспечение, позволяющие проводить диагностику дозирующих устройств в частности, электромагнитных форсунок, для оценки степени их загрязненности по спектральному анализу временных диаграмм, а также проводить количественную оценку дозируемой жидкости.

Результаты работы внедрены в производственный' процесс ООО «Автолига Сервис» (г.Курск) для мониторинга и анализа технического состояния двигателей внутреннего сгорания, в технологию выполнения текущих и внеплановых ремонтов транспортных средств Федеральной противопожарной службы России по Курской области, в учебный процесс кафедры теоретической механики и мехатроники Юго-Западного государственного университета по специальности 220401.65 «Мехатроника», а именно: разработанная лабораторная установка для исследования прецизионного дозатора жидких сред используется, при проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам «Теория автоматического управления, «Электромеханические и мехатронные системы», при проведении занятий по дисциплине «Мехатронные диагностические и контрольно-измерительные системы автомобилей». разработанная методика проектирования и исследования динамики прецизионного дозатора мехатронного типа используется при чтении лекций по теме «Проектирование и расчёт измерительной^ аппаратуры» дисциплины «Проектирование мехатронных систем».

Результаты работы использованы при выполнении государственного контракта П2114 от 05.11.2009 г., П1576 от 10.10.2009 г. в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на XI Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии — 2004» (Курск, 2004), на VII-IX Международных научно-технических конференциях «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 2005, 2008, 2010), Всероссийской научно-методической конференции «Основы проектирования и детали машин - XXI век» (Орел, 2007), научно-методической конференции «Образование через науку» (Курск, 2008), VIII научной конференции «Нелинейные колебания механических систем» (Н. Новгород, 2008), Международной конференции «Управление динамическими системами» (Москва, 2009), 11-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (С.-Петербург, 2009), XVI Международной научно-практической конференции «Современная техника и технологии» СТТ-2011 (Томск, 2011). ю

Публикации

По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента на полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 115 наименования и 2-х приложений. Основной текст изложен на 188 страницах и содержит 107 рисунков и 3 таблицы.

Заключение диссертации по теме "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В диссертационной работе решена, актуальная научно-техническая задача повышения эффективности прецизионных дозаторов за счет создания инструментальных средств расчета нестационарных режимов движения* клапана- дозатора, основанных на математическом моделировании- и исследовании динамики электрогидромеханических систем, а также разработки метода их управления.

На основе проведенных исследований и обобщений получены следующие результаты:

Г. Разработана математическая модель движения исполнительного устройства золотникового типа с учетом свойств уплотнительного кольца и нелинейной, модели силы трения между золотником и корпусом, выявлены три области в плоскости параметров-сил сухого трения / и амплитуды вынуждающей силы ут, приводящие к движению золотника без остановок, с остановками и при критическом значении параметров — отсутствия движения.

2. Предложена математическая модель движения клапана дозатора, рассматриваемого как мехатронная система, в состав1 которой входят механическая, электрическая и управляющая подсистемы, которая отличается учетом кусочно-линейной силы упругости, сил вязкого трения, моделирующие взаимодействие исполнительного элемента с дозируемой жидкостью.

3. Разработаны инструментальные средства проектирования и расчета дозаторов клапанного типа на базе среды блочного имитационного моделирования программно-вычислительного комплекса 81тиНпк/МайаЬ, позволяющий исследовать влияние различных видов управляющего воздействия на динамические процессы поведения системы.

4. Предложена математическая модель процесса взаимодействия клапана и седла, представленного в виде упругодеформируемого элемента с

174 кусочно-линейной силой упругости, и установлена функциональная связь между степенью загрязнения седла клапана и силой- упругости, которая меняет свои свойства вследствие образования загрязнений на седле.

5. Выявлено, что наиболее существенное влияние в системе I дозирования клапанного типа, оказывает погрешность, возникающая, в электрической системе и системе управления, которая может составлять т^ = 15 -ь 100%. Для^ повышения-точности системы автоматического дозирования предложен новый тип дозатора, обеспечивающий точность дозирования' в условиях контроля за положением- клапана дозатора по критерию« минимизации интегральной ошибки- перемещения, составляющей не более г|2=7 %.

6. Разработана математическая модель нестационарного движения жидкости в канале дозатора, на основе теории пограничного слоя и установлена аналитическая зависимость, связывающая мгновенный расход с параметрами; дозирующей системы. Выявлено,- что объемный расход дозы пропорционален давлению жидкости и обратно пропорционален коэффициенту гидравлического сопротивления, дозатора, а ' также экспоненциально зависит от времени открытия клапана дозатора. Погрешность Г|з, вызванная свойствами- дозируемой жидкости, экспоненциально зависит от длительности управляющего импульса, поступающего на обмотки катушки электромагнита.

7. Создана экспериментальная установка на основе электромагнитного дозатора, оснащенная оригинальной системой программного управления и системой измерения параметров, позволяющая выявить влияние управляющего импульса на гидравлические процессы, возникающие в дозаторе. На основе установленных теоретических предпосылок- и закономерностей экспериментально определен коэффициент гидравлического сопротивления дозатора в зависимости от геометрических и динамических характеристик дозатора, а также найдена зависимость значения коэффициента гидравлического сопротивления от расхода дозируемой жидкости.

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Емельянова, Оксана Викторовна, Курск

1. Bernardo, diM. Local Analysis of C-bifurcations in n-dimensional Piecewise-Smooth Dynamical Systems Text. / M. di. Bernardo, M.J. Feigin., S. Ji Hogan, M. E. Homer// Chaos, Solitons andFractals. 1999. V. 10. N. 11. P. 1881-1908.

2. Kowalczyk, P. Two-parameter degenerate sliding bifurcations in Filippov systems Text. / P. Kowalczyk, M. Di Bernardo II Physica D, 2005,Vol. 204, P. 204 229.

3. Leine, R. I. Dynamics and Bifurcations of Non-Smooth Mechanical Systems Text. / R. I. Leine, H. Nijmeijer. Berlin: Springer Verlag, 2004. 351 p.

4. Muller H.G. Introdution to Food Rheology, London, 1973. 148 p.

5. Nüsse, H. E. Border-Collision Bifurcations Including "Period Two to Period Three" for Piecewise Smooth Systems Text. / H. E. Nusse, J. A. Yorke II Physica D. 1992. N 57. P. 39-57.

6. Viscosity and Flow Measurement A Laboratory Handbook of Rheology / J.R. Van Wazer, J.W. Lyons, K.Y. Kim, R.E. Colwell. -New York, Interscience publ., 1963. - 406 p.

7. Zhusubaliyev, Zh. T. Bifurcations and Chaos in Piecewise-Smooth Dynamical Systems Text. I Zh. T. Zhusubaliyev, E. Mosekilde. Singapore: World Scientific, 2003. 376 p.

8. Азаров Б.М., Арет B.A. Инженерная реология пищевых производств. -М.: МТИПП, 1978. 112 с.

9. Альтшуль А.Д. и др. Гидравлика и аэродинамика: Учеб. для вузов

10. А.Д.Альтшуль, Jl.С.Животовский, Л.П.Иванов. М.: Стройиздат, 198 7.-414с.

11. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости). Учебное пособие для вузов. М.: Стройиздат. 1975 - 323 с.

12. АС 1285322 МКИ3 G 01 Fll/12, G 05 D 7/00 Перистальтический микродозатор / Б.А. Клюшин, C.B. Парашин, В.Б.Кешелава (СССР) № 3902231/24-24; Заяв. 29.04.85; 0публ.23.01.87; Бюл.№3.-3 с.

13. АС 1428925 МКИ3 G 01 F11/08 Дозатор жидкости / АА. Столяров, Ю.П.Плотников, С.П. Клайманаков (СССР) № 4146291/24-10; Заяв. 02.10.86; 0публ.07.10.88; Бюл.№37.-2 с.

14. АС 1552010 МКИ3 G 01 F11/08 Микродозатор жидкости / А.И. Абросимов, Ю.Г Климченко, Г.М.Рожина, Т.В.Шлапак (СССР) -№ 4390750/24-10; Заяв. 14.03.88; 0публ.23.03.90; Бюл.№11.-3 с.

15. АС 1643936 МКИ3 G 01 F11/08 Устройство для определения объема доз импульсных автоматических дозаторов / Ю.П. Колдуненко, А.А Нелюбин, М.В.Соколов (СССР) № 4686094/10; Заяв. 03.05.89; Опубл.23.04.91; Бюл.№15.-3 с.

16. АС 815507СССР, МКИ3 G 01 F11/08. Дозатор жидкости / Н.Т.Романенко, А.А.Абрамов, А.В.Чечин, В.В.Чкалов, В.М.Якунин (СССР) №2766566/18-10; Заяв. 22.05.79; 0публ.32.03.81; Бюл.№ 11.-3 с.

17. АС 987396 МКИ3 G 01 Fll/12 Устройство для дозирования микропроб / Э.В. Пинхасик, В.Я. Корышев, В.С.Синин, А.П. Григлрьев, К.П.Атопов (СССР) № 3006590/18-10; Заяв. 18.11.80; 0публ.07.01.83; Бюл.№1.-3 с.

18. Астарита Дж., Марруччи Дж. Основы гидромеханики неньютоновских жидкостей.- М.: Мир, 1978.-312 с.

19. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы. М., "Машиностроение", 1977.

20. Бесекерский В. А. Теория систем автоматического управления/ В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. — Изд. 4-е, перераб. и доп. - СПб, Изд-во «Профессия», 2003. - 752 с.

21. Бидерман B.JI. Теория механических колебаний: М.: Высш. школа, 1980.-408 с.

22. Башта, Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика / М. Машиностроение 1982. 320 с.

23. Валландер C.B. Лекции по гидроаэромеханике. Учеб. пособие. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. 296 с.

24. Великий Л.С., Башура Г.С. Новые аэрозольные упаковки. // Химико-фармацевтический журнал. -М., 1979. №1 - с. 79-84.

25. Вибрации в технике. Т.2. Колебания нелинейных механических систем: Справочник. М.: Машиностроение, 1979.-351 с.

26. Виденеев Б.Д. Автоматическое непрерывное дозирование жидкостей.- М.: Энергия, 1967. 112 с.

27. Виденеев Ю.Д. Дозаторы непрерывного действия. М.: Энергия, 1978.- 184 с.

28. Востриков, A.C. Теория автоматического регулирования: Учеб. Пособие для вузов/ A.C. Востриков, Г.А.Французова.-М.: Высш.шк., 2006.-365 с.

29. Гениев Г.А., Эстрин М.И. Динамика пластической и сыпучейсред. М.: Стройиздат. 1972. -258 с.

30. Горохов В. Д., Лобов С .Д., Черниченко В.В. Повышение экономичности рабочего процесса в современных и перспективных кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателях//Издательство. Т.VI. №12. 2006 г.

31. ГОСТ 20417-75. Техническая диагностика. Общие положения о порядке разработки систем диагностирования.

32. ГОСТ 20911-75. Техническая диагностика. Основные термины и определения.

33. Даудрих Д.Д., Догадин С.А., Тюлин Ю.В. и др.// Вопросы автоматизации процессов химической технологии. —Л: Химия, 1968.- С. 201-212.

34. Джеф Дэниэлс Современные автомобильные технологии. М.: ООО «Издательство ACT»; ООО «Астрель», 2003.-223 с.

35. Добронравов В.В., Никитин H.H. Курс теоретической механики: Учебник для машиностроит. спец. вузов.- 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. школа, 1983.-575 с.

36. Жуковский Н.Е. Гидродинамика. Жуковский Н.Е. Том 2. Гидродинамика. Государственное издательство технико-теоретической литературы. М.,Л.,1949. 765 с.

37. Дьяконов В.П. MATLAB+Simulink. Основы применения. М.: СОЛОН-Пресс, 2004.

38. Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Конструирование мехатронных модулей: Учебник.- М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2004.- 360 с.

39. Емельянова О.В. Программное управление движением исполнительного элемента прецизионного дозатора. Управляемые вибрационные технологии и машины: сборник научных статей международной конференции: в 2.ч.; Курск: КурскГТУ, 2010. Ч.1.-С.171-179.

40. Емельянова O.B. Стенд для исследования прецизионного электромагнитного дозатора жидких сред. Вибрационные машины и технологии: сборник научных трудов международной конференции.- Курск: КурскГТУ, 2008. -С.326-333.

41. Емельянова О.В. Стенд для экспериментальных исследований работы электромагнитной- форсунки. Образование через науку: материалы научно-методической конференции. Курск: КурскГТУ, 2008. - С. 140-145.

42. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика: Учебник для вузов по специальности «Гидравлические машины и средства автоматики» М.: Машиностроение- 1987.- 440 с.

43. Жермен П. Механика сплошной среды. -М.: Мир, 1981. 399 с.

44. Жусубалиев, Ж. Т. Бифуркации в широтно-импульсных системах автоматического управления Текст.: учебное пособие / Ж. Т. Жусубалиев, В. С. Титов. Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2007. 100 с.

45. Забелин B.JI. Автоматическое титрование.- М.: Энергия, 1971. -96 с.

46. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. -М.: Изд-во МГУ, 1978. -287 с.

47. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга.- Л.: Энергоатомиздат, 1986. -488 с.

48. Карпин Е.Б. Средства автоматизации для измерения и дозирования массы. -М.: Машиностроение, 1971.- 470 с.

49. Карунина А. Л. Конструкция автомобиля. Том IV. Электрооборудование. Системы диагностики. Учебник для вузов / А.Л Карунин, С.В.Акимов, В.А.Набоких, Ю.П.Чижков;- М.: Горячая линия-телеком, 2005. — 480 с.

50. Ким А.Х. Некоторые вопросы реологии вязко-пластичныхдисперсных систем. Минск: РедиздатБПИ, 1960. — 81 с.

51. Киселев П.Г. Гидравлика: Основы механики жидкости. Учеб. пособие для вузов. М.: Энергия, 1980. - 360 с.

52. Крупенин В.Л., Бабицкий В. И. Колебания в.сильно нелинейных " системах. М.: Наука. 1985. 320 с.

53. Лагода В.И.// Приборы и системы управления.- 1981.- № 1. С.26.

54. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа.-М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1987.-840 с.

55. Львович А.Ю. Основы теории электромеханических систем. Изд-во Ленингр. Ун-та, 1973, 1-196 с.

56. Любчик М.А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. -М.: Энергия, 1974. -392 с.

57. Губин М.М., Азметова Г.В. Особенности технологии производства новой лекарственной формы Каметон-спрейУ/Ремедиум. -2007. - № 3-4.

58. Мартыненко, Ю.Г. Аналитическая динамика электромеханических систем /Ю.Г.Мартыненко. -М. МЭИ, 1984.64 с.

59. Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Инженерная реология пищевых материалов. М.: Лёгкая и пищевая пром-сть, 1981. — 216 с.

60. Мейз Дж.Э. Теория и задачи механики сплошных сред М.: Мир, 1974-320 с.

61. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. ч. I и II. М.: Наука, 1987.

62. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978.-336 с.

63. Пановко Г. Я. Динамика вибрационных технологических процессов Издательства: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", Институт компьютерных исследований, 2006 г. -176 с.

64. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. — М.: Наука 1991 г.

65. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем: Современные концепции, парадоксы и ошибки. Изд.6 2007. 352 с.

66. Пановко, Г.Я. Вибрационные транспортно- технологические процессы в системах с разрывным некулоновым трением / Г.Я. Пановко. Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук. Рига, 1988. - 32 с.

67. Петренко Ю.Н. Системы автоматизированного управления электроприводами. - Минск, ООО «Новое знание», 2004 . - 384 с.

68. Прагер В. Введение в механику сплошных сред / Перевод с англ. —1. М.: ИЛ, 1963.-510 с.

69. Раппопорт Р.И., Смирнов П.Ф., Еремин В.Г. и др.// Унифицированные исполнительные устройства СИУ ГСП.- М., 1969.

70. Рейнер М. Деформация и течение. М.: Гостоптехиздат, 1963. — 381 с.75. .Рейнер М. Реология. Ш.: Наука. 1965. - 223 с.

71. Реология. Теория и практика. Под ред. Ф. Эйриха. Перевод с англ. Под общей ред. Ю.Н. Работнова и П.А. Ребиндера. М.: Иностранная литература. 1962. - 824 с.

72. Росс Твег. Системы впрыска топлива автомобилей ВАЗ. Серия «Автомеханик» М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2006.- 184 с.

73. Сабанин В.Г., Смирнов Н.И., Репин А.И. Модифицированный генетический алгоритм для задач оптимизации в управлении. Методы, Алгоритмы, Программы. №3-4(7-8) 2004 г.

74. Самарский A.A., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. М.: Наука, 1980. 352 с.

75. Системы впрыска легковых автомобилей: эксплуатация, диагностика./ В.И.Ерохов.-М.: ООО «Издательство Астрель», 2003.- 159 с.

76. Смелягин А.И. Максимальный КПД электромагнита//Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.- 1982. -N4.- С.119-122.

77. Смелягин А.И., Мисюк Ю.П. Выбор возвратного элемента по заданному времени и постоянному усилию однокатушечного электромагнитного двигателя//Электрические импульсные системы.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1976.- С.66-72.

78. Соколов М.В., Цынбал М.Н., Гуревич А.Л. и др. Микодозаторбиологически активных сред // Средства контроля и регулирования. -Л.: Химия, 1974.- С. 142. *

79. Соколов М.В., Цынбал М.Н., Капустина Н.В.// Системы . и средства автоматизации потенциально опасных процессов химической технологии: межвуз. сб. науч. тр. — Л.: Изд-во ЛТИ им.Ленсовета, 1983.— С.И1-115.

80. Соколов, М. В. Автоматическое дозирование жидких сред Текст. / М. В. Соколов, А. Л. Гуревич. Л.: Химия, 1987. 400 с.

81. Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля: Учебное пособие.-М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005.368 с.

82. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. -Наука, 1967.444 с.

83. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. — М.: Мир, 1964. -216 с.

84. Фейгин, М. И. Вынужденные колебания систем с разрывными нелинейностями Текст. / М. И. Фейгин. М.: Наука, 1994. 288 с.

85. Фейгин, М. И. Удвоение периода' колебаний при С-бифуркациях в кусочно-непрерывных системах Текст. / М. И. Фейгин // Прикладная математика и механика. 1970. Т. 34, вып. 5. С. 861869.

86. Филиппов, А. Ф. Дифференциальные уравнения с разрывной правой частью Текст. / А. Ф. Филиппов. М.: Наука, 1985. 224 с.

87. Финкелынтейн С.М. Автоматические дозаторы для жидкостей// Автоматизация производственных процессов. Вып. 4. —М.: Наука, 1964.-С.68-107.

88. Френкель Б.А. Автоматизация экспериментальных установок. М.: Химия, 1980.-368 с.

89. Христанович С.А. Механика сплошной среды. — М.: Наука, 1981.- 484 с.

90. Цейтлин, В. Г. Расходоизмерительная техника Текст. / В. Г. Цейтлин. М.: Изд-во стандартов, 1977. 240 с.

91. Чаплыгин С.А. Избранные труды. Механика жидкости и газа. Математика. Общая механика. М.; "Наука", 1976. 496 с.

92. Черных И.В. SIMJULINK: среда создания инженерных приложений. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003.

93. Чуешов В.И. и др., Промышленная технология лекарств, изд. НФАУ Харьков, 2002. - с.639 - 640.

94. Чиликин М.Г., Сандлер A.C. Общий курс электропривода М.: Энергоиздат, 1981. -576 с.

95. Яцун С.Ф. Теория и синтез вибрационных технологических процессов и вибромашин для переработки сыпучих материалов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Курск. 1989 г. С.378.

96. Яцун С.Ф., Емельянова О.В. Динамический расчет параметров привода электромагнитной форсунки. Основы проектирования и детали машин-XXI век: материалы Всероссийской научно-методической конференции. Орел. ОрелГТУ, 2007. С.372-378.

97. Яцун С.Ф., Емельянова О.В. Моделирование движения клапана форсунки методом крупных частиц. Известия Курского государственного технического университета. 2007. №3 (20). С.8-14.

98. Яцун С.Ф., Емельянова О.В. Моделирование динамического процесса движения клапана форсунки ДВС // Вибрационные машины и технологии: в 2 ч. 4.1: сб. науч.тр. Курск, гос. техн. унт. Курск, 2005. 208 с.

99. Яцун С.Ф., Емельянова О.В. Электромагнитные форсунки впрыска топлива. Материалы и упрочняющие технологии -2004:сборник материалов XI Российской науч.-техн. конф., Курск, 2004.-С.239-242.

100. Яцун С.Ф., Емельянова О.В., Политов E.H. Моделирование движения жидкости в прецизионном дозаторе. Известия Самарского научного центра Российской академии наук Президиум СНЦ РАН,т.11, №5(2). 2009.- С.373-377.

101. Яцун С.Ф., Жусубалиев Ж.Т., Титов B.C., Емельянова О.В., Чевычелов С.Ю. Анализ динамики поршня прецизионного дозатора жидких сред. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2010. № 1.1. С. 70-75.

102. Яцун С.Ф., Жусубалиев Ж.Т., Титов B.C., Чевычелов С.Ю. Динамические режимы движения клапана прецизионного дозатора жидких сред // Известия ВУЗов Машиностроение№ 8. 2008 г. с.37-48

103. Яцун С.Ф., Лушников Б.В., Емельянова О.В. Исследование влияния параметров импульсного управления на характер движения иглы прецизионного дозатора // Известия Самарского научного центра Российской академии наук Президиум СНЦ РАН, с. 155-159. 2009 г.

104. Яцун С.Ф., Лушников Б.В., Емельянова О.В. Управление движением иглы клапана прецизионного дозатора. Управление динамическими системами: тезисы докладов Международной конференции. -М.:ИПМех РАН, 2009.- С.45.

105. Яцун С.Ф., Расчет электромагнитного привода клапана ДВС./ С.Ф.Яцун, С.А.Нижников, О.В.Емельянова;-М.: Известия ВУЗов «Машиностроение», №2, 2007. С.28-38.

106. Яцун С.Ф., Сафаров Д.И., Мищенко В.Я., Локтионова О.Г. «Вибрационные машины и технологии». Баку «ЭЛМ», 2004, 408 с.