3.9 Построение логарифмической амплитудно частотной и

фазо-частотной характеристик системы и их анализ 67

3.10 Построение желаемой ЛАЧХ 68

4 Техническая эффективность и практическое применение.

Акт внедрения 73

5 Технико-экономическое обоснование 75

5.1 Маркетинговые исследования 76

5.2 Определение трудоемкости выполнения научно-

исследовательской работы 77

5.3 Определение плановой себестоимости проведения научно -

исследовательской работы 81

5.4 Оценка научной и научно-технической результативности 87

6 Безопасность жизнедеятельности 92

6.1 Охрана труда 92

6.2 Характеристика помещения 92

6.3 Чрезвычайные ситуации 107

Заключение 114

Список использованных источников 115

Приложение А 119

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АФЧХ – амплитудно фазочастотная характеристика

АЦП – аналогово – цифровой преобразователь

ЖЛАЧХ – желаемая логарифмическая амплитудно частотная характеристика

КПД – коэффициент полезного действия

ЛАЧХ – логарифмическая амплитудно частотная характеристика

ЛФЧХ – логарифмическая фазочастотная характеристика

МЖЗ – магнитожидкостая заслонка

МЖС – магнитожидкостный сенсор

НИР – научно-исследовательская работа

САР – система автоматического регулирования

ТНВД – топливный насос высокого давления

УЗО – устройство защитного отключения

ЧС – чрезвычайная ситуация

ЦАП – цифро – аналоговой преобразователь

ЭГУ – электрогидравлический усилитель

ЭГУМ - электрогидравлический усилитель мощности

ЭГУП – электрогидравлический усилитель – преобразователь

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время многие промышленные системы автоматического управления имеют в своей структуре элементы, принцип действия которых основаны на использовании основных законов гидравлики.

Центральным узлом различных гидравлических систем являются гидравлические усилители, выполняющие усиление сигналов и управление гидравлическими исполнительными механизмами.

Гидравлический усилитель представляет собой следящий силовой гидропривод, с помощью которого ведомому звену (исполнительному двигателю) сообщаются движения, согласованные с определенной точностью с перемещением входа (органа управления) при требуемом усилении выходной мощности (усилия или момента), получаемом путем использования энергии подаваемой жидкости.

Электрогидравлические усилители мощности (ЭГУМ) в электрогидравлических системах автоматического регулирования при помощи микропроцессора выполняют функции связующего звена между электронным управляющим устройством и исполнительным гидравлическим механизмом. В настоящее время наибольшее распространение в гидроприводе получили три схемы ЭГУМ: золотниковый, струйная трубка, сопло-заслонка.

В золотниковом ЭГУМ силовой поток энергии распределяется золотником на два направления. Управление осуществляется двумя электромагнитами с напряжениями U₁ и U₂, либо одним реверсивным магнитоэлектрическим соленоидом. В настоящее время золотниковые ЭГУМ практически не используются, но сам принцип распределения силового потока энергии посредством золотника в гидроусилителях занял доминирующее положение.

ЭГУМ со струйной трубкой распределяет силовой поток энергии путем радиального перемещения струйной трубки электромагнитами с напряжениями U₁ и U₂. Достоинством является низкая вероятность засорения гидравлического тракта, поскольку проходные сечения значительно превышают подобные величины у других усилителей.

ЭГУМ «сопло-заслонка» основан на перераспределении силового потока энергии между нагрузкой и дренажными гидравлическими сопротивлениями сопло-заслонка, управляемыми электромагнитами с напряжениями U₁ и U₂.

Из множества разнообразных усилителей одним из самых простых и надежных является электрогидроусилитель типа «сопло-магнитожидкостная заслонка». Существует много модификаций исполнительных устройств типа сопло-заслонка, которые в разных отраслях машиностроения отличаются не только техническими параметрами и назначением, но также конструктивными формами и способами исполнения.

В данной работе проводится исследование ЭГУ типа «сопло - магнитожидкостная заслонка» из-за сравнительной простоты изготовления конструкции и регулировки, высокой чувствительности, быстродействия и значительного ресурса работы в широком диапазоне давления и температур.

Разработанный электрогидавлический усилитель типа «сопло - магнитожид­кост­ная заслонка» может применяться как устройство, преобразующее управляющий сигнал в пропорциональный ему поток жидкости и усиливающее его по мощности для управления исполнительными механизмами.

Электрогидроусилитель типа "сопло – магнитожидкостная заслонка" можно применять в системах автоматиче­ского управления различ­ного назначения, в самых разнообраз­ных отраслях промышлен­ности, на железнодорожном и авто транспорте в авиации, связи и строитель­стве.

Целью работы дипломного проекта является разработка системы автоматического управления топливоподачи дизельного двигателя автомобиля КамАЗ с помощью электрогидроусилителя типа "сопло – магнитожидкостная заслонка", который отличается простотой конструкции, надежностью в работе и быстродействием, а также обеспечивает плотное прилегание магнитожидкостной заслонки к соплам за счет своей эластичной структуры. К нему можно подводить жидкость с большим давлением питания. В устройстве сопло–заслонка отсутствуют трущиеся пары, что обеспечивает его высокую чувствительность.

1 Сравнительный анализ современных систем автоматического регулирования

В зависимости от характера изменения управляющего воздействия (CАР) системы автоматического регулирования могут быть подразделены на следующие три основных класса: автоматической стабилизации, программного ре­гулирования и следящие системы.

В системах автоматической стабилизации, или собственно в си­стемах автоматического регулирования, управляющие воздействия представляют собой заданные постоянные величины.

В си­стемах программного регулирования задающие воздействия яв­ляются известными функциями времени (изменяются по программе);

В следящих системах задающие воздействия представляют собой заранее неизвестные функции времени.

Прямое и непрямое регулирование САР. Всякая система автоматического регулирования состоит из объекта регулирования и регулятора. Регу­лятор имеет чувствительный элемент, который измеряет отклонение регулируемой величины от требуемого закона изменения. Чувстви­тельный элемент воздействует на регулирующий орган, изменяющий параметр таким образом, чтобы значение регулируемой величины стало равно заданному. В простейших регуляторах чувствительный элемент непосредственно осуществляет перемещение регулирующего органа. Такие системы автоматического регулирования, где чувствительный элемент воздействует непо­средственно на изменение положения регулирующего органа, назы­ваются системами прямого регулирования, а регуляторы – регуля­торами прямого действия. В этих регуляторах энер­гия, необходимая для изменения положения регулирующего органа, поступает непосредственно от чувствительного элемента.

В системах непрямого регулирования для перемещения регули­рующего органа используются вспомогательные устройства, кото­рые работают от дополнительного источника энергии. При этом чув­ствительный элемент воздействует на управляющий орган вспомога­тельного устройства, а вспомогательное устройство осуществляет перемещение регулирующего органа.

Системы непрямого регулирования необходимо применять в тех случаях, когда мощность чувствительного элемента недостаточна для перемещения регулирующего органа и необходимо иметь высо­кую чувствительность измерительного элемента.

Одноконтурные и многоконтурные САР. Современные системы автоматического регулирования, помимо главных обратных связей, часто имеют местные обратные связи или параллельные корректирующие устройства. Системы автоматического регулирования с одной регулируемой величиной, имеющие только одну главную обратную связь и не имеющие местных обратных связей (системы с одним контуром регулирования), называют одноконтурными. В этих системах воздействие, приложенное к какой-либо точке системы, может обойти систему и вернуться в первоначальную точку, следуя только по одному пути обхода.

Системы автоматического регулирования, которые помимо одного контура главной обратной связи имеют еще главные обратные связи или местные обратные связи, называют многоконтурными. В многоконтурных системах воздейст­вие, приложенное к какой-либо точке, может обойти систему и вер­нуться в эту точку, следуя по не­скольким различным путям обхода.

Системы несвязанного и свя­занного автоматического регули­рования. Системы с несколькими регулируемыми величинами подразделить на системы несвязанного и связанного регулирования. Системами несвязанного регу­лирования называют такие, в кото­рых регуляторы, предназначенные для регулирования различных величин, не связаны друг с другом и могут взаимодействовать через общий объект регулирования. Систе­мы несвязанного регулирования можно подразделить на зависимые и независимые.

В зависимых системах несвязанного регулирования на изменение одной из регулируемых величин влияют изменения остальных. Поэтому в таких системах процессы регулирования различных ре­гулируемых параметров нельзя рассматривать изолированно друг от друга.

Примером зависимой системы несвязанного регулирования яв­ляется самолет с автопилотом, который имеет самостоятельные ка­налы управления рулями. Предположим, что самолет отклонился от заданного курса. При этом автопилот вызовет отклонение руля поворота. При возвращении к заданному курсу угловые скорости обеих несущих поверхностей самолета, а следовательно, и действую­щие на них подъемные силы будут неодинаковыми. Это вызовет крен самолета. Автопилот отклонит элероны. В результате отклонения руля поворота и элеронов лобовое сопротивление самолета возрастает. Самолет начинает терять высоту и его продольная ось отклонится от горизонтали. При этом автопилот отклонит руль высоты. Таким об­разом, процессы регулирования трех регулируемых величин – курса, бокового крена и тангажа нельзя считать независимыми друг от друга, несмотря на наличие самостоятельных каналов управле­ния.

В независимых системах несвязанного регулирования изменение каждой из регулируемых величин не зависит от изменения остальных. Поэтому процессы регулирования различных величин можно рас­сматривать отдельно друг от друга.

В системах связанного регулирования регуляторы различных величин имеют друг с другом взаимные связи, которые осуществляют взаимодействие между ними вне объекта регулирования.

Статические и астатические САР. Системы автоматического регулирования подразделяются на статические и астатические в зависимости от того, имеют они или нет ошибку в установившемся состоянии при определенного рода воздействиях.

Характерные особенности статической системы регулирования: равновесие системы статического регулирования может быть при различных значениях регулируемой величины; каждому значению регулируемой величины соответствует един­ственное определенное значение регулирующего органа; контур регулирования системы должен состоять из статических звеньев.

Характерные особенности астатической системы регулирования:

– равновесие системы астатического регулирования имеет место при единственном значении регулируемой величины, равном задан­ному;

– регулирующий орган в астатической системе должен иметь воз­можность занимать различные положения при одном и том же зна­чении регулируемой величины.

В реальных астатических системах первое условие выполняется с некоторой погрешностью, так как чувствительный элемент обладает разрешающей способностью (нечувствительностью). Для осущест­вления указанной связи между чувствительным элементом и регулирующим органом в контур регулирования должно быть введено астатическое звено. В данном случае таким звеном является электро­двигатель. При отсутствии напряжения вал электродвигателя непо­движен в любом положении, при наличии напряжения он непрерывно вращается. Астатическое звено находится в состоянии безразлич­ного равновесия при отсутствии на него внешнего воздействия и выходит из равновесия при наличии воздействия.

Следует различать системы статические и астатические по отно­шению к возмущающему и управляющему воздействиям. В системах, статических по отношению к возмущающим воздействиям, не одина­ковым по постоянной величине, возмущающим воздействиям соот­ветствует различное значение регулируемой величины. В астати­ческих системах по отношению к возмущающим воздействиям зна­чение регулируемой величины не зависит от величины возмущающего воздействия. Значение регулируемой величины остается постоянным, равным заданному.

Линейные и нелинейные САР. Системы автоматического регулирования также подразделяют на линейные и нелинейные в зави­симости от того, какую математическую модель выбирают при их исследовании (в зависимости от уравнения, которые применяют при их математическом описа­нии).

Линейные и нелинейные в зависимости от прохождения и характера сигналов си­стемы автоматического регулирования могут подразделяться на непрерывные, дискретные, и дискретно-непрерывные. Непрерывные системы описываются дифференциальными уравне­ниями; дискретные – дифференциально-разностными, а дискретно – непрерывные – обоими видами уравнений. Каждый из этих трех классов подразделяют на подклассы:

– стационарные системы с сосредоточенными параметрами;

– стационарные системы с сосредоточенными и распределенными параметрами;

– нестационарные, или переменные, системы с сосредоточенными параметрами;

– нестационарные, или переменные, системы, с сосредоточенными нераспределенными параметрами.

Кроме того, системы каждого из классов и подклассов могут, подразделены на детерминирован­ные и статистические.

Математическую модель системы называют детерминированной, если приложенные к ней воздействия и параметры модели являются постоянными или детерминированными функциями переменных со­стояния и времени. Математическую модель системы называют ста­тистической, если приложенные к ней воздействия и параметры модели являются случайными функциями или случайными величи­нами.

В зависимости от прохождения и характера сигналов си­стемы автоматического регулирования могут подразделяться на непрерывные и дискретные, или прерывистые.

Если в процессе регулирования структура всех связей в системе остается неизменной, то такая система является системой непре­рывного регулирования. Сигналы на выходе элементов такой си­стемы являются непрерывными функциями воздействий и времени. Между элементами на входе и выходе системы существует непре­рывная функциональная связь.

Системы прерывистого регулирования отличаются тем, что в них через дискретные промежутки времени происходит размыкание или замыкание цепи воздействий.

Системы прерывистого действия подразделяют на импульсные и релейные. В импульсных системах размыкание цепи воздействий производится принудительно и периодически специальным преры­вающим устройством. В течение передачи импульсов процессы в этих системах протекают так же, как и в непрерывных САР. Импульсные системы содержат импульсные элементы и осуществляют квантова­ние сигнала по времени. В системах релейного действия размыкание или замыкание цепи воздействия производится одним из элементов системы при непрерывном значении входного воздействия. Размы­кание или замыкание осуществляется с помощью реле или элемента, имеющего релейную характеристику. Реле срабатывает при опреде­ленном значении воздействия на его чувствительный орган.

Релейные системы осуществляют квантование сигнала по уровню. Следует от­метить, что существуют релейно-импульсные, или кодово-импульсные системы, в которых происходит квантование как по времени, так и по уровню.

2 КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ГИДРОПРИВОДОВ

Жидкость гидропривода — его рабочий элемент, поэтому к ней предъявляются требования обеспечения прочности и долговечности. Она, как и всякий иной конструктивный элемент, подвержена меха­ническому и химическому разрушению (деструкции), имеет ограни­ченный срок службы, причем последний во многом зависит от типа жидкости, условий и режима эксплуатации. Помимо этого жидкость служит смазывающим материалом (должна обеспечивать смазку механизмов гидропривода), а также охлаждающей средой.

В качестве рабочих жидкостей в гидросистемах станков применяют минеральные масла, изготовленные на нефтяной основе как с присад­ками, так и без них, а также синтетические жидкости, основу которых составляют эфиры, кремний- и фтороуглеродистые полимеры. Иногда, в частности для гидроприводов кузнечно-прессовых машин, используют масляно-водные эмульсии.

Существуют два вида присадок для жидкости: а) изменяющие химические свойства основы — антиокислители и ингибиторы корро­зии; б) изменяющие физические свойства — вязкость, температуру застывания, смазочные способности и другие.

Контроль за состоянием жидкости в процессе эксплуатации ведут по стабильности химического состава и вязкости, по уровню загряз­нения.

Стабильность состава характеризуется постоянством содержания водорастворимых кислот, осадков, соответствующим кислотным чис­лом. Под кислотным числом подразумевают количество КОН (едкого калия) в миллиграммах, необходимое для нейтрализации свободных кислот в одном грамме масла. Само по себе кислотное число о пригод­ности жидкости к дальнейшей эксплуатации не свидетельствует. Чтобы оценить работоспособность жидкости, надо знать величину, на которую оно изменилось. В свежем минеральном масле, например, кислотное число составляет 0,1...0,2 мг КОН. Жидкость считается непригод­ной к эксплуатации, если кислотное число достигнет значений 4... ...5 мг КОН.

Окисление масел кислородом воздуха, молекулярно-структурные изменения в них от воздействия меняющихся давлений и температур, электрогальванические процессы, возникающие из-за различия элек­трических зарядов на смачиваемых поверхностях деталей, изготовлен­ных из разнородных материалов, и ряд других факторов являются причинами старения жидкости. Этот процесс сопровождается изме­нением вязкости и однородности жидкости, ухудшением ее смазываю­щей способности, образованием осадков, а также усиливает коррозион­ные процессы деталей элементов гидропривода. В практике принято заменять рабочую жидкость в гидросистеме, если ее вязкость в процес­се эксплуатации изменилась по сравнению с первоначальной на 20... ...25%.

Загрязнение масла частицами органического и неорганического происхождения размерами более 200 мкм не допускается.

В гидроприводах машин, предназначенных для работы в ста­бильных температурных условиях, обычно применяют рабочие жид­кости минерального происхождения, а именно: трансформаторное, веретенное АУ, индустриальное, тур­бинное и другие масла. Применение ме­нее вязких жидкостей приводит к уве­личению утечек, а более вязких — к увеличению гидравлических потерь.

Для работы в условиях наиболее широкого температурного диапазона от 333 до 213 К (±60 °С) применяют специаль­ные смеси минеральных масел. Этим требованиям отвечает масляная смесь АМГ-10.

Для работы при температурах около 450—500 К (180—230 °С) применяют синтетические жидкости на кремнийорганической основе. Последние годы из-за увеличивающегося дефицита нефтепродуктов " и стремления к использованию негорючих материалов все более широкое применение в гидросистемах находят водомасляные эмульсии и синтетические негорючие жидкости на водяной основе. Используя такие материалы, надо учитывать их повышенную склонность к де­струкции, коррозионную и кавитационную активность. При этом следует снижать рабочие давления и частоту вра­щения гидромашин в 1,5—2 раза.

В практике часто используют понятия относительный удельный вес и относитель­ная плотность, являющиеся безразмерными величинами. Первая характеризует отношение удельного веса жидкости, взятой при определенной температуре, к удельному весу ди­стиллированной воды при температуре около 4 °С и нормальном атмос­ферном давлении, вторая — отношение плотностей исследуемой жи­дкости и дистиллированной воды.

Плотность часто называют характеристикой инерционности жи­дкости, поскольку она определяет значения ударных явлений в замк­нутых объемах, а также сопротивления перемещению жидкости с раз­личными ускорениями.

Вязкость жидкостей. Силы поверхностного натяжения жидкостей. При движении реальных жидкостей различные слои потока имеют раз­ные скорости перемещений. Динамическая вязкость равна силе трения, приходя­щейся на единицу поверхности соприкасающихся слоев жидкости, градиент скорости которых равен единице. Числовое значение коэф­фициента вязкости выражается в паскаль-секундах (Па·с).

Изучая характер движения жидкости, принимают во внимание, наряду с вязкостью, и ее инерционность. Отношение динамической вяз­кости к плотности жидкости называют кинематической вязкостью. В СИ кинематическую вязкость измеряют в квадратных метрах в секун­ду (м²/с). Известно из опыта, что на поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать объ­ему жидкости сферическую формуй вызывающие некоторое дополни­тельное давление в объеме. Заметно это давление лишь в малых объ­емах (каплях) жидкости. Это дополнительное давление вызывает подъем жидкости в трубах малого диаметра.

Влияние температуры и давления на характеристики рабочих жи­дкостей. В процессе эксплуатации гидросистем жидкость подвергает­ся воздействию нагрева и охлаждения, меняющихся давлений. Это существенно изменяет ее характеристики.

Влияние температуры. Повышение температуры уве­личивает объем большинства рабочих жидкостей. Эта зависимость ха­рактеризуется температурным коэффициентом объемного расшире­ния, который равен отношению относительного изменения иссле­дуемого объема к изменению температуры при постоянном давлении.

Практика показывает, что температурный коэффициент объемно­го расширения зависит от природы жидкости и ее исходной плот­ности. Нагревание жидкости, находящейся в закрытой жест­кой емкости (резервуаре, силовом цилиндре и так далее), может привести к возникновению недопустимо высоких давлений. Для предотвращения таких аварийных ситуаций в гидросистемах устанавливают гидро­аппараты управления давлением жидкости.

С повышением температуры уменьшается вязкость капельных жидкостей. Обычно эта зависимость выражается эмпирическими фор­мулами, используя которые, можно получить близкие к эксперимен­тальным значения коэффициентов вязкости. Считается, что жидкость пригодна для эксплуатации, если ее вяз­кость в диапазоне температур ±50 °С изменяется не более чем в 100 раз.

Влияние давления. Реальные рабочие жидкости (ка­пельные) в отличие от «идеальных» с увеличением давления умень­шают первоначально занимаемые ими объемы. Для объемного гидро­привода эффект сжимаемости жидкости — явление, как правило, от­рицательное, так как не позволяет реально использовать энергию, затраченную на ее сжатие.

Степень сжатия жидкости зависит от ее природы. Так, у воды она незначительна, а у жидкостей, являющихся продуктами перегонки нефти или полученных синтезом, достигает весьма больших зна­чений.

Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объем­ного сжатия, равного отношению относительного изменения ее объ­ема к изменению давления при постоянной температуре.

Величину, обратную коэффициенту объемного сжатия, называют объемным модулем упругости жидкости.

Объемный модуль упругости жидкости зависит от ее физической природы, температуры, давления и количества растворенного возду­ха, что вызывает трудности при аналитическом определении значений. Особенно сказываются на значениях объемного модуля упругости тепловые условия, при которых происходит сжатие. В связи с этим находят изотермиче­ский и адиабатический модули упругости.

Поскольку в объемных гидроприводах тепловое процессы проте­кают значительно медленнее, чем процессы изменений давлений, то под объемным модулем упругости, как правило, подразумевают адиа­батический модуль упругости. Значение его определяют эксперимен­тально.

С увеличением давления коэффициент объемного сжатия жи­дкостей уменьшается, а модуль упругости повышается. Отмечается при этом неравномерность изменения упомянутых характеристик с возрастанием давления. Наиболее интенсивно объемный мо­дуль упругости повышается при сравнительно низких давлениях — до 100...120 МПа. В общем случае для маловязких жидкостей объемный модуль упругости при атмосферном давлении и 20 °С составляет не более 135 МПа, вязких — 170 МПа.

Увеличение давления изменяет вязкость жидкости, что особенно заметно при высоких давлениях. Так, при росте давления от 0 до 150 МПа вязкость повышается в среднем в 15 раз, а при росте его от 0 до 200 МПа — в 50... 1000 раз. Большинство минеральных масел затвердевает при давлениях около 2500 МПа и температуре 20 °С, вода — при 840 Мпа.

Газы в жидкостях. Кавитация. Рабочие жидкости, применяемые в гидравлическом приводе, обладают способностью растворять в себе газы, в том числе и воздух.

Как показывает практика, пузырьки газа (пара) размером менее 10 мкм на поверхность не всплывают, а задерживаются в толще жидкости, оседают на стенках каналов, заполняют микротрещины де­талей гидросистемы. Когда давление меняется, количество пузырьков также изменяется, одновременно происходит их деформация, сопро­вождающаяся локальным выделением тепла и, следовательно, местным в микрообъеме повышением температуры жидкости.

Явление, связанное с выделением газа (пара) из жидкости в зонах низкого давления и последующим разрушением (конденсацией) этих пузырьков при повышении давления, то есть образование в жидкости полостей с газом (паром), называют кавитацией. Кавитационные яв­ления, характеризующиеся гидравлическими микроударами и локаль­ными повышениями температуры, становятся причиной разрушения элементов гидроагрегатов. Такие разрушения носят форму эрозионных раковин, рыхлостей поверхностей трубопроводов и других устройств гидравлических систем. Кавитация, механизм ее действия и в настоя­щее время детально изучаются.

Теплоемкость и теплопроводность жидкостей. Рабочие жидкости, как и другие физические тела, характеризуются удельной теплоемко­стью и теплопроводностью, которые определяют интенсивность про­цесса поглощения и отвода от них избыточного тепла.

В практике расчетов гидравлических объемных систем наиболее часто используют удельную теплоемкость, с помощью которой опре­деляют количество теплоты, затрачиваемой на нагревание на 1°С одного килограмма жидкости. Для рабочих жидкостей, применяемых в гидросистемах станков

Под теплопроводностью понимают процесс переноса энергии теп­лового движения частиц от более нагретых частей тела (жидкости) к менее нагретым, вследствие чего температура всей массы тела вырав­нивается. Скорость передачи тепла внутри тела характеризуется ко­эффициентом теплопроводности X. В практике станкостроения максимальные температуры нагрева рабочих жидкостей допускаются не выше 70 °С.

Рекомендации по выбору рабочих жидкостей для объемных гидро­приводов. Жидкость в объемных гидроприводах выполняет функ­цию не только энергоносителя. Она должна также: эффективно сма­зывать трущиеся поверхности, защищать детали гидравлических агре­гатов от коррозии (и, тем более, не оказывать разрушающего воздей­ствия на них), быть нетоксичной, пожаро- и взрывобезопасной, де­шевой.

3 ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

3.1 Описание структуры системы и её узлов

МПБ – микропроцессорный блок; ЭГУП – электрогидроусислитель-преобразователь "сопло – магнитожидкостная заслонка; Гц – гидроцилиндр; Рейка ТНВД – рейка топливного насоса высокого давления; ДП – датчик перемещения рейки.

Рисунок 1 – Схема системы управления положением рейки ТНВД дизельного двигателя автомобиля КамАЗ

Электронный регулятор имеет электрогидравлический исполнительный привод, который включает в себя двухкаскадный усилитель типа "сопло - магнитожидкостная заслонка". Заслонка приводится в движение при подаче на одну из катушек индуктивности электрического сигнала, подаваемого из блока управления через цифро-аналоговый преобразователь. ЭГУП приводит в движение гидроцилиндр, шток которого связан с рейками ТНВД и с возвратной пружиной. Обратную связь обеспечивает датчик положения рейки ТНВД. Питание усилителя, возможно, обеспечить автономным питанием от шестеренчатого насоса, в виде рабочей жидкости в системе применять масло АМГ-10

Микропроцессор вычисляет разницу между заранее заданным (запрограммированным) значением напряжения и измеренным датчиком и выдаёт электрический сигнал рассогласования. Для управления устройствами в данной системе установлен процессор АТ89С51.

Электрогидроусислитель-преобразователь типа "сопло – магнитожидкостная заслонка, регулирует подачу давления в гидросистему и изменения направления потока жидкости и реверсирования движения поршня гидроцилиндра;

Гидроцилиндр, осуществляющий преобразование силы давления в перемещение поршня.

Датчик перемещения, контролирует величину перемещения поршня гидроцилиндра;

3.2 Описание работы системы топливоподачи дизельного двигателя автомобиля КамАЗ

Электрогидроусилитель мощности типа "сопло – магнитожидкостная заслонка" может применяться для управления топливоподачей дизельного двигателя автомобиля КамАЗ.

Основное отличие дизеля от карбюраторного двигателя заключается в способе образования и воспламенения рабочей смеси. В карбюраторном двигателе при такте впуска в цилиндры поступает образующаяся в карбюраторе из паров бензина и воздуха горючая смесь, а в дизеле – только чистый воздух. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе смесь воспламеняется от искры, а в дизеле в цилиндр со сжатым воздухом впрыскивается дизельное топливо, которое в мелкораспыленном состоянии перемешивается с воздухом, испаряется, образуя рабочую смесь, и самовоспламеняется. На автомобилях КамАЗ установлен четырехтактный восьмицилиндровый двигатель, продольный разрез которого представлен на рисунке 2.

Система питания дизеля обеспечивает его работу при изменяющейся частоте вращения коленчатого вала и различных нагрузках. В соответствии с рабоч- им циклом дизеля приборы системы питания осуществляют: впрыскивание топлива в цилиндры двигателя в конце такта сжатия; распыливание топлива в объеме камеры сгорания и образование рабочей смеси при испарении и перемешивании его с воздухом; регулирование водителем количества впрыскиваемого топлива; автоматическое изменение угла опережения впрыскивания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя; изменение дозировки впрыскиваемого топлива в соответствии с изменившейся нагрузкой.

На двигателях КамАЗ применена система питания топливом разделенного типа, состоящая из топливного насоса высокого давления 4, форсунок, фильтров грубой и тонкой очистки 8, топливоподкачивающего насоса низкого давления 2, топливопроводов низкого и высокого давлений, топливных баков, электромагнитного клапана и факельных свечей электрофакельного пускового устройства.

Система питания двигателя КамАЗ, представлена на рисунке 3.

Топливо из бака 15 через фильтр 18 грубой очистки засасывается топливоподкачивающим насосом и через фильтр 11 тонкой очистки по топливопроводам 16, 21, 4, 12 низкого давления подается к топ­ливному насосу высокого давления; соглас­но порядку работы цилиндров двигателя на­сос распределяет топливо по трубопроводам 1 высокого давления к форсункам 20. Фор­сунки распыляют и впрыскивают топливо в камеры сгорания. Избыточное топливо, а вмес­те с ним и попавший в систему воздух через перепускной клапан топливного насоса высо­кого давления и клапан-жиклер фильтра тон­кой очистки по дренажным топливопрово­дам 10, 13 отводится в топливный бак. Топ­ливо, просочившееся через зазор между корпусом распылителя и иглой, сливается в бак через сливные топливопроводы 8, 14, 19.

3.3 Описание работы топливного насоса высокого давления

Для точного дозирования топ­лива и подачи его в определенный момент под высоким давлением к форсункам применяется топливный насос высокого давления.

По расположению секций насосы делятся на рядные и V-образные. Каждая секция топливного насоса обеспечивает работу одного из ци­линдров дизеля, поэтому число сек­ций топливного насоса определяется числом его цилиндров. В ниж­ней части корпуса 1 насоса на двух шарико­подшипниках 20, уплотненных само­поджимными сальниками, установ­лен кулачковый вал 12 с шестер­ней 11.

1 - генератор; 2 - топливный насос низкого давления; 3 - ручной топливоподкачивающий насос; 4 – топливный насос высокого давления; 5 - автоматическая муфта опережения впрыска топлива; 6 – ведущая полумуфта привода топливного насоса высокого давления; 7 – соединительный патрубок впускных воздухопроводов; 8 – фильтр тонкой очистки топлива;

9 – датчик тахометра; 10 – маховик; 11 – картер маховика; 12 – масляный картер; 13 – сливная пробка; 14 – крышка коренной опоры коленчатого вала; 15 – масляный насос; 16 – валик привода ведущих частей гидромуфты; 17 – шкив привода генератора; 18 - крыльчатка вентилятора

Рисунок 2 – Продольный разрез двигателя КамАЗ

1- топливопровод высокого давления; 2 – ручной топливоподкачивающий насос; 3 – топливоподкачивающий насос низкого давления; 4- топливопровод к фильтру тонкой очистки; 5- топливный насос высокого давления; 6-топливопровод к электромагнитному клапану; 7- электромагнитный клапан; 8- сливной дренажный топливопровод форсунок правого ряда; 9- факельная свеча; 10- дренажный топливопровод насоса высокого давления; 11- фильтр тонкой очистки топлива; 12- подводящий топливопровод к насосу высокого давления; 13- дренажный топливопровод фильтра тонкой очистки топлива; 14-сливной топливопровод; 15- топливный бак; 16- топливопровод к фильтру грубой очистки; 17- тройник; 18- фильтр грубой очистки топлива; 19- сливной дренажный топливопровод форсунок левого ряда; 20- форсунка; 21-подводящий топливопровод к насосу низкого давления

Рисунок 3 – Схема системы питания двигателя топливом

На кулачковом валу имеются про­филированные кулачки 19 для каж­дой насосной секции и эксцентрик 14 для приведения в движение насоса низкого давления, который крепится к привалочной плоскости 13 насоса высокого давления.

В перегородке корпуса против каждого кулачка установлены роли­ковые толкатели 18. Оси роликов 15 своими концами входят в пазы корпуса насоса, предотвращая про­ворачивание толкателей.

Насосные секции установлены в верхней части корпуса и крепятся винтами. Основной частью каж­дой насосной секции является плун­жерная пара, состоящая из плун­жера 6 и гильзы.

При вращении кулачкового вала 12 насоса выступ кулачка 19 набе­гает на роликовый толкатель 18, который через болт воздействует на плунжер 6 и перемещает его вверх. Когда выступ кулачка выходит из-под ролика толкателя, пружина, упирающаяся в тарелки 28, возвращает плунжер в первоначаль­ное положение. Рейка 3 входит в зацепление с зубчатым венцом 4 поворотной втулки 16, надетой на гильзу, а в вертикальные пазы нижней части втулки входят вы­ступы 17 плунжера.

При перемещении рейки 3 вдоль ее оси втулка 16 поворачивается на гильзе и, действуя на выступы 17 плунжера, поворачивает его, в результате чего изменяется количест­во топлива, подаваемого к форсун­кам. Ход рейки ограничивается сто­порным винтом, входящим в ее продольный паз. Задний конец рейки соединен с тягой 10 регулятора частоты вращения коленчатого вала, установленного в корпусе 9.

Выступающий из насоса передний конец рейки закрыт запломбирован­ным колпачком, в который ввернут винт 2 ограничения мощности дви­гателя при обкатке автомобиля.

Для опережения впрыскивания топлива в цилиндры дизеля в зави­симости от частоты вращения его коленчатого вала в передней части насоса установлена центробежная муфта. Она состоит из ведущей 23 и ведомой 26 полумуфт. На ведомой полумуфте закреплены две оси 27 с установленными на них центробеж­ными грузами 25, в вырезах кото­рых размещены пружины 22, опи­рающиеся с одной стороны на оси 27, а с другой — на опорные пальцы 21 ведущей полумуфты 23. Меха­низм муфты в сборе закрыт крышкой 24, которая навернута на резьбу ведомой муфты.

1 – корпус; 2 – винт ограничения мощности; 3 – рейка; 4 – зацепление с зубчатым венцом; 5 – перепускной клапан; 6 – плунжер; 7 – штуцер;

8 – пробка; 9 – корпус; 10 – тяга регулятора частоты вращения коленчатого вала; 11 – шестерня; 12 – кулачковый вал; 13 – привалочная плоскость насоса высокого давления; 14 – эксцентрик; 15 – ролики; 16 – втулка;

17 – выступ плунжера; 18 – роликовый толкатель; 19 – выступ кулачка;

20 - радиально-упорные шарикоподшипники; 21 – опорные пальцы;

22 - пружина; 23 – ведущая полумуфта; 24 – крышка; 25 – центробежные грузы; 26 – ведомая полумуфта; 27 – ось.

Рисунок 4 – Топливный насос высокого давления

Работа насоса высокого давления плунжерного типа, установленного на дизелях КамАЗ, состоит из наполнения надплунжерного пространства топ­ливом с частичным его перепуском, подачи топлива под высоким давле­нием к форсункам, отсечки и пере­пуска его в сливной топливопровод. При работе двигателя рейка топлив­ного насоса перемещается в соот­ветствии с изменением подачи топли­ва, при этом одновременно пово­рачиваются плунжеры всех сек­ций.

Чтобы изменить количество подаваемого топлива плунжер 6 поворачивается относительно гильзы при помощи рейки 3 насоса, которая связана с поворотной втул­кой 16. Управление подачей топлива осу­ществляется из кабины водителя педалью, воздействующей с помощью тяг и рычага и тяг на всережимный регулятор частоты вращения коленчатого вала, расположенный в развале топливного насоса. На крышке регулятора закреплен топливный насос низкого давления и насос ручной подкачки топлива.

1 – плунжер; 2 – продольный паз; 3 – выпускное отверстие; 4 – сливной канал; 5 – пружина; 6 – нагнетательный клапан; 7 – разгрузочный поясок; 8 – надплунжерное пространство; 9 – впускное отверстие; 10 - подводящий канал; 11 – корпус; 12 – внутреннее пространство гильзы; 13 - винтовая кромка.

а – впуск (всасывание); б – начало подачи; в – конец подачи

Рисунок 5 – Схема работы секции насоса высокого давления

В виду того что все секции ра­ботают одинаково, рассмотрим ра­боту насоса на примере одной из секций, схема работы которой изображена на рисунке 5. При движении плунжера 1 вниз, как показано на рисунке 5, а, внутреннее пространст­во гильзы 12 наполняется топливом, и одновременно оно подается насо­сом низкого давления в подводящий канал 10 корпуса 11 насоса. При этом открывается впускное отверстие 9, и топливо поступает в надплунжерное пространство 8. Затем под действием кулачка плунжер начи­нает подниматься вверх (рисунок 5, б), перепуская топливо обратно в под­водящий канал 10 до тех пор, пока верхняя кромка плунжера не пере­кроет впускное отверстие 9 гильзы. После перекрытия этого отверстия давление топлива резко возрастает и при 1,2—1,8 МПа топливо, пре­одолевая усилие пружины 5, подни­мает нагнетательный клапан 6 и по­ступает в топливопровод.

Дальнейшее перемещение плунже­ра вверх вызывает повышение давле­ния до 16,5 МПа, превышающее давление, создаваемое пружиной форсунки, в результате чего игла форсунки приподнимается и проис­ходит впрыскивание топлива в каме­ру сгорания. Подача топлива про­должается до тех пор, пока винто­вая кромка 13 (рисунок 5, в) плунже­ра не откроет выпускное отверстие 3 в гильзе, в результате чего давление над плунжером резко па­дает, нагнетательный клапан 6 под действием пружины закрывается и надплунжерное пространство разъе­диняется с топливопроводом высо­кого давления. При дальнейшем дви­жении плунжера вверх топливо пере­текает в сливной канал 4 через продольный паз 2 и винтовую кромку 13 плунжера.

Перемещение плунжера во втулке с момента закрытия впускного от­верстия до момента открытия вы­пускного отверстия называется активным ходом плунжера, который в основном и определяет количество подаваемого топлива за цикл работы топливной секции.

Изменение количества топлива, подаваемого секцией за один цикл, происходит в результате поворота плунжера 1 зубчатой рейкой. При различных углах поворота плунжера благодаря винтовой кромке смеща­ются моменты открытия выпускного отверстия. При этом чем позднее открывается выпускное отверстие, тем большее количество топлива мо­жет быть подано к форсункам.

1 – плунжер; 2 – выпускное отверстие; 3 – продольный паз; 4 – входное отверстие; 5 – винтовая кромка

Рисунок 6 – Схема изменения подачи топлива

На рисунке 6 показаны следующие положения винтовой кромки плунже­ра за цикл работы топливной секции:

положение А — максимальная по­дача топлива и наибольший актив­ный ход плунжера 1. В этом случае расстояние h от винтовой кромки 5 плунжера до выпускного отверстия 2 будет наибольшим;

положение Б — промежуточная подача, так как при повороте плунжера по часовой стрелке рассто­яние h уменьшается и выпускное отверстие открывается раньше;

положение В — нулевая подача топлива. Плунжер повернут так, что его продольный паз 3 расположен против выпускного отверстия 2 (h = 0), в результате чего при пере­мещении плунжера вверх топливо вытесняется в сливной канал, пода­ча топлива прекращается и двига­тель останавливается.

3.4 Регулятор частоты вращения коленчатого вала

Нормальная работа дизельного двигателя происходит в определенных пределах частоты вращения коленчатого вала. При слишком малой частоте вращения двигатель работает неустойчиво и может легко заглохнуть, при слишком высокой двигатель может пойти "вразнос", и тогда появится опасность его разрушения.

Для каждого дизельного двигателя существует своя оптимальная частота вращения коленчатого вала, при которой он работает с наибольшей экономичностью и минимальным дымлением. Чтобы поддерживать эту частоту вращения при изменяющихся нагрузках двигателя во время движения автомобиля, регулятор должен обеспечивать соответствующую подачу топлива, воздействуя на топливный насос высокого давления.

На современных автомобильных дизельных двигателях устанавливают в большинстве случаев всережимные регуляторы центробежного типа.

Основным элементом регулятора являются грузы, закрепленные на державке, приводимой в действие шестеренчатой передачей от кулачкового вала насоса. При вращении державки грузы под действием центробежных сил расходятся и давят на муфту, которая через систему рычагов воздействует на зубчатые рейки поворота плунжеров нагнетательных секций. Работает регулятор следующим образом. При нажатии на рычаг управления регулятором через пружину и промежуточный рычаг передается усилие на рейки поворота плунжеров, которые пе­ремещают их в сторону увеличения подачи. Частота вращения коленчатого вала двига­теля возрастает до тех пор, пока центро­бежные силы грузов не уравновесят силу натяжения пружины и не установится за­данный скоростной режим.

Каждому положению рычага управления соответ­ствует определенная частота вращения ко­ленчатого вала. Если нагрузка на двига­тель при заданном положении рычага уп­равления будет падать, то частота враще­ния коленчатого вала увеличивается, и воз­растают центробежные силы грузов регуля­тора. Они становятся больше усилия натя­жения пружины и перемещают рейки в сто­рону уменьшения подачи — в результате восстанавливается частота вращения вала, заданная рычагом управления. При увеличении нагрузки частота вра­щения коленчатого вала двигателя и центробежные силы грузов падают, что вызывает под действием относительно возросшего усилия пружины перемещение реек в сто­рону увеличения подачи. Таким образом, поддерживается заданный режим скорости при изменении нагрузки. Чтобы изменить частоту вращения вала двигателя, необходимо нажать на педаль управления подачей топлива, через систему тяг и рычагов.

Так как целью дипломного проекта является модернизация системы управления топливоподачей дизельного двигателя КамАЗ, то установим на двигатель электрогидравлический регулятор, воздействующий на рейки ТНВД.

3.5 Описание конструкции электрогидравлического усилителя

Схема электрогидроусилителя – преобразователя типа "сопло – магнитожидкостная заслонка" представлена на рисунке 7

1 – заслонка; 2 – золотник; 3, 4 – катушки; 5 – сопло; 6,7 – дроссели;

8,9 – синхронизирующие пружины; 10 – регулировочный винт

Рисунок 7 – Конструкция электрогидравлического усилителя мощности

типа «сопло–магнитожидкостная заслонка»

Гидроусислитель – преобразователь типа "сопло – магнитожидкостная заслонка" вместе с управляющим золотником составляет гидравлическое исполнительное устройство с дроссельным регулированием.

Золотник представляет гидравлическое исполнительное устройство с дроссельным регулированием второго каскада усиления. Входными переменными второго каскада будут смещение управляющего золотника, а выходными – расход через дросселирующие выходные щели золотника.

Стабильность и линейность характеристики обеспечиваются не только значением давления питания, но и соответствующими геометрическими формами

рабочих органов гидроусилителя.

Электрогидроусилитель состоит из двух каскадов усиления первый каскад усиления, состоит из расходной камеры, двух сопел 5 и заслонки 1 выполненной в виде тонкостенной оболочки из эластичной маслостойкой резины, заполненной магнитной жидкостью. Второй каскад включает золотник 2 с синхронизирующими пружинами 8, 9, которые при отсутствии управляющего сигнала удерживают золотник в нейтральном положении.

Электрогидроусилитель содержит постоянные дроссели 6, 7 для снижения давления в соплах. Для регулировки центрального положения золотника используется регулировочный винт 10. Для управления заслонкой используются катушки индуктивности с Ш образным магнитопроводом, которые подключаются к источнику управляющего напряжения.

Поток рабочей жидкости подается в электрогидроусилитель мощности через два канала. В один канал в усилитель подается управляющий поток рабочей жидкости к элементу "сопло–магнитожидкостная заслонка" через постоянные дроссели 6 и 7.

При подаче на одну из катушек индуктивности управляющего напряжения возникает электромагнитное поле, которое воздействует на магнитожидкостную заслонку, которая, притягиваясь к торцевой части сопла, изменяет тем самым рабочий зазор между заслонкой и соплом. В результате этого эффекта возникает перепад давлений в междроссельных камерах и на торцах золотника, что приводит к его перемещению относительно центрального положения. Золотник перемещаясь, открывает канал, из которого поступает давление нагрузки и направляет его в один из двух выходных каналов. Расход рабочей жидкости в усилителе постоянный, жидкость выходит из электрогидроусилителя мощности через сливные каналы на управляемый золотниковый двигатель.

4 ВЫБОР И РАСЧЕТ УСТРОЙСТВ СИСТЕМЫ

4.1 Выбор и расчёт передаточной функции микроконтроллера

Микропроцессор в системе должен выполнять функцию обработки сигнала, поступающего с датчика, и выдавать соответствующее значение на выработку управляющего сигнала. То есть с датчика системы поступает сигнал на микропроцессор, микропроцессор «оценивает» ситуацию и через электронный преобразователь подает импульс на левую или правую катушку. Те, в свою очередь, вырабатывают электромагнитное поле, вследствие чего заслонка перемещается вправо или влево, на определенное расстояние.

В разрабатываемой системе будет установлен микроконтроллер AT89C51 в силу наличия у него всех требуемых компонентов и достаточной производительности работы.

AT89C51 – это высокопроизводительный, 8–битный микроконтроллер с низким потреблением энергии. AT89C51 имеет 4 Кб внутренней Flash памяти, 128 байт оперативной памяти, 5 векторную 2 уровневую систему прерываний, часы реального времени и работает на частоте до 24МГц.

Программа обслуживания модуля записывается в энергонезависимую память программ процессора объёмом. Модуль имеет внутреннюю 8-битную шину данных, к которой подсоединены 8 – канальный, 12 – разрядный АЦП (аналогово цифровой преобразователь) АD7859 с временем преобразования 5 мкс и 10 – разрядный 4– канальный ЦАП AD7805.

Запуск АЦП осуществляется либо по прерыванию от внутреннего таймера, либо отрицательным внешним импульсом. Цифровой выход АЦП в данной конструкции работает в 8 – битном режиме, так что чтение показаний проводится в 2 этапа. АЦП работает с внутренним опорным напряжением. Диапазон преобразования напряжения 0 – 2,5 В. Каждый выход АЦП должен быть защищён от перенапряжения. Эту функцию выполняют диоды, подключённые к аналоговой земле и к источнику питания. Обращение к ЦАП (цифровой аналоговой преобразователь) происходит в 3 этапа. Сначала в два этапа по внутренней 8 – битной шине записывается 10 – битное слово данных во внутренний регистр канала. Два младших бита слова данных отображены на адресном пространстве. ЦАП работает с внутренним напряжением и имеет диапазон выходных сигналов 0 – 2,5В.

Возможности данного устройства позволяют решать такие задачи по автоматизации измерений, контролю и управлению, которых не требуется высокая производительность. Средняя скорость измерения в секунду 300 – 400 измерений в секунду. Такая производительность вполне достаточна для решения широкого круга задач.

Таблица 1 – Характеристики МКАТ89С51

Параметр	Значения
Номинальная мощность потребления	750 мВт
Напряжение питания	15 В
Частота тактовых импульсов	2,5 Мгц
Число тактовых входов	2
Время пересылки в память	4 мкс
Время пересылки память - память	20 мкс
Разрядность адреса	16
Разрядность данных	12
Внутренний буфер	128 байт
Память программ процессора	4 Кбайт
Такт квантования	2 мкс

Таблица 2 – Характеристики АЦП AD7859 и ЦАП AD7805

Параметр	Характеристики АЦП AD7859	Характеристики ЦАП AD7805
Число разрядов	12	10
Максимальное быстродействие	5 мкс	4 мкс
Ток питания	30 мА	0,1 мА
Напряжение питания	15 В	5–15 В
Напряжение выходных сигналов	0–2,5 В	0–2,5 В
Частота тактовых импульсов	153,6 кГц	153,6 кГц
Период дискретизации	6,5·10-6 1/Гц	6,5·10-6 1/Гц
Число тактовых входов	2	2
Число рабочих каналов	8	4

При расчете линейной части системы принимаем передаточную функцию микропроцессора принимаемой равной единице:

(1)

4.2 Выбор и расчёт передаточной функции датчика перемещений

В качестве датчика обратной связи может быть использован резистивный датчик. Однако резистивные датчики не обладают достаточной точностью, погрешности измерений резистивного датчика могут быть вызваны в частности жесткими температурными условиями работы. Оптоэлектронные датчики лишены таких недостатков, их показания не зависят от изменения температуры и вибрационных нагрузок. Абсолютный оптоэлектронный датчик линейных перемещений ДЛП-120Ц-005 предназначен для непрерывного преобразования значений координаты в унифицированный электрический сигнал в системах контроля и управления. Датчик ДЛП-120Ц-005 измеряет, линейные перемещения и преобразует их в пропорциональный электрический сигнал.

Технические характеристики датчика:

- диапазон изменения выходного сигнала

постоянного тока, (мА) 0÷5;

- основная погрешность, % от диапазона

измерения 1,0;

- пульсация выходного тока, (%) 0,2;

- постоянная времени, не более (сек) 0,2;

- потребляемая мощность, не более (Вт) 10.

Датчик линейных перемещений ДЛП-120Ц-005 имеет передаточную функцию вида:

(2)

где k_дп - коэффициент передачи датчика k_дп=0,05;

Т_д – постоянная времени датчика, Т_д=0,06(с)

Получим передаточную функцию вида:

(3)

4.3 Выбор гидроцилиндра и расчёт его передаточной функции

Гидроцилиндры являются простейшими гидродвигателями, которые применяются в качестве исполнительных механизмов гидроприводов различных и механизмов с поступательным движением выходного звена. По принципу действия и конструкции гидроцилиндры весьма разнообразны, и применение того или иного типа гидроцилиндра диктуется конкретными условиями работы, назначением и конструкцией той машины, в которой он используется.

В гидроцилиндрах одностороннего действия движение выходного звена под действием потока рабочей жидкости осуществляется только в одном направлении. Движение в обратном направлении происходит под действием внешних сил, например под действием веса поднимаемого груза, или пружины.

В гидроцилиндрах двустороннего действия движение выходного звена в обоих направлениях осуществляется под действием потока рабочей жидкости. Поскольку для регулирования давления необходимо движение штока гидроцилиндра в обе стороны, выбираем гидроцилиндр двустороннего действия.

Технические параметры гидроцилиндра :

– Рабочее давление, р(МПа) 1,5;

– диаметр поршня гидроцилиндра D(мм) 40;

–диаметр штока, d (мм) 12;

– масса штока m (кг) 1,3;

– перемещение штока, (мм) 100;

– скорость выходного штока (м/c) 5;

– механический КПД η 0,7;

– объёмный КПД 0,55.

В качестве рабочей жидкости в гидроцилиндре применяется минеральное масло АМГ-10 ГОСТ 6794-53, так как оно обладает достаточно большими температурными вспышками и воспламенения, низкой температурой застывания, достаточной вязкостью. Его сжимаемостью можно пренебречь.

Характеристики минерального масла АМГ-10 ГОСТ 6794-53:

– плотность, (кг/м³) 850;

– объёмный модуль упругости, (Н/см²) 16·10⁴;

– температура вспышки, (⁰К) 365–390;

– температура воспламенения, (⁰К) 500;

– температура застывания, ( ⁰К) –70;

– коэффициент вязкого трения, (м²/с) 54;

– рабочая температура, (⁰С) –40…+60.

Если учесть, что в гидроцилиндре имеется только центрирующая поршень пружина и можно пренебречь сжимаемостью жидкости, то прямоходный гидроцилиндр имеет передаточную функцию вида:

(4)

где k_гц – коэффициент передачи;

Т_гц – постоянная времени гидроцилиндра, с;

Т_пр - вторая постоянная времени с;

Коэффициент передачи гидроцилиндра k_ГЦ определяется из соотношения мощностей:

, (5)

где - отклонение входной мощности, кВт;

- отклонение выходной мощности, кВт.

Выходная мощность определяется по формуле:

где N_вых = P · η = 0,1 · 0,7 = 0,07 (кВт), (6)

где Р – номинальная мощность гидроцилиндра, кВт;

η – механический КПД гидроцилиндра.

Коэффициент передачи гидроцилиндра примет вид:

(7)

Постоянная времени гидроцилиндра определяется из соотношения:

(8)

где m – масса штока, (кг);

S – площадь поршня гидроцилиндра, (м²);

r_Д – коэффициент, характеризующий перетечки жидкости;

f – коэффициент вязкого трения (для АМГ – 10 f = 5,2 сСт).

Площадь поршня можно найти из соотношения:

, (9)

где мм = 0,035 м – радиус поршня гидроцилиндра; (10)

Тогда S = 3,14·0,035² = 0,00122 (м²)

Коэффициент r_Д определяется через объёмный КПД:

(11)

где η_V – объёмный КПД;

V_max – максимальный объём жидкости в гидроцилиндре, м³;

p_н – перепад давлений в полостях гидроцилиндра, МПа.

Перепад давлений определяется из соотношения:

, (12)

где F – усилие при выдвигающемся штоке, Н

(13)

Тогда:

Тогда передаточная функция гидравлической системы запишется в виде:

(14)

3.6 Выбор электрогидроусилителя "сопло – магнитожидкостная заслонка" и расчёт её передаточной функции

В системе используется разработанный на кафедре УИТ электрогидроусилитель – преобразователь "сопло – магнитожидкостная заслонка".

Передаточная функция электрогидроусилителя-преобразователя типа "сопло – магнитожидкостная заслонка" имеет вид:

(15)

4.4 Анализ способов решения задач синтеза дискретных САР

В настоящее время наибольшее распространение получили два способа ре-

шения задач синтеза дискретных САР. Первый способ основан на применении билинейного преобразования и построении желаемых логарифмических амплитудных и фазовых характеристик относительно псевдочастоты с последующим нахождением программ коррекции. По второму способу сначала определяют положения полюсов и нулей характеристического уравнения замкнутой САР, а уже по ним строят желаемые формы корневых годографов с последующим нахождением условий их взаимной компенсации. Кроме того, можно вычислить типы и параметры обратных связей по состоянию системы и ее выходному сигналу в виде динамических звеньев. Теоретической основой второго способа является векторно-матричный аппарат, позволяющий решать задачу синтеза, как при полном, так и неполном измерении фазовых координат. При этом необходимо выполнить проверку управляемости и наблюдаемости.

Первый способ обычно применяют при синтезе последовательных и параллельных корректирующих устройств, а второй – при синтезе устройств параллельной коррекции. Возможно объединение обоих способов; тогда выбор векторно-матричного уравнения желаемой САР осуществляют с помощью билинейного преобразования с последующим выбором нулей и полюсов замкнутой системы, а программу коррекции определяют в виде обратных связей. Данную задачу можно решить достаточно просто лишь при наличии одних полюсов. Если в характеристическое уравнение входят нули, то процедура синтеза усложняется.

Постановка задачи синтеза данной системы по своей форме не отличаются от синтеза линейных непрерывных систем. В процессе ее решения также необходимо найти такую структуру и параметры системы, при которых обеспечивалось бы получение заданных техническими условиями запасов устойчивости, показателей качества и характеристик точности.

Синтез, основанный на построении желаемой логарифмической амплитудой и фазовой характеристик состоит в следующем:

- по требованиям точности строят низкочастотную часть желаемой ЛАЧХ

- с помощью номограмм Солодовникова по показателям качества _м и t_р определяют частоту среза, через которую проводят ЛАЧХ с наклоном–20 дб/дек;

- высокочастотную часть желаемой ЛАЧХ выбирают аналогично ЛАЧХ неизменяемой части;

- по точкам излома вычисляют желаемую ЛФЧХ и определяют запасы ус-

тойчивости по фазе и по модулю.

Техническое задание: необходимо разработать систему с заданными, показателями качества и характеристик точности:

- перерегулирование   30 – 40 %;

• время переходного процесса t_р  10 с;

• колебательность М  2;

• запас устойчивости по фазе более 70°;

• запас устойчивости по амплитуде более 40дБ.

4.5 Расчет передаточной функции системы автоматического

регулирования. Определение устойчивости системы автоматического

регулирования

Структурную схему на основе передаточных функций полученных ранее.

Рисунок 15 – Функциональная схема

Передаточная функция микропроцессора имеет вид:

Передаточная функция электрогидроусилителя типа "сопло–магнитожид­костная заслонка" имеет вид

Передаточная функция гидроцилиндра имеет вид:

Передаточная функция датчика перемещения имеет вид:

Выделим в функциональной схеме изменяемую и неизменяемую части. Изменяемая часть состоит из микропроцессора, АЦП и ЦАП. Неизменяемая часть состоит из гидроцилиндра W_ГЦ, электрогидроусилителя сопло–магнитожидкосная заслонки W_ЭГУ и датчика перемещения W_ДП.

Передаточная функция замкнутой системы имеет вид:

Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

Оценим устойчивость системы по критерию Найквиста. Для этого рассмотрим разомкнутую систему. Для того, чтобы система была устойчивой в замкнутом состоянии, необходимо и достаточно, чтобы кривая АФЧХ разомкнутой системы при изменении частоты ω от 0 до  не охватывала точку (-1, j0).

Заменим в передаточной функции разомкнутой системы р на jω.

Найдем мнимую и действительную части:

Тогда АФЧХ представлена на рисунке 8 .

Рисунок 8 – АФЧХ разомкнутой системы

Условие устойчивости Найквиста выполняется (кривая не охватывает точку (-1, j0)), следовательно, система устойчива.

Для наглядного отображения свойств рассматриваемой системы построим переходный процесс, воспользовавшись обратным преобразованием Лапласа от передаточной функции замкнутой системы.

Рисунок 8 – Переходный процесс нескорректированной системы

По графику переходного процесса (рисунок 8) определим показатели качества системы:

а) Время регулирования (время переходного процесса) - время, за которое система приходит к установившемуся значению с некоторой долей погрешности. Обычно она составляет 5% (пятипроцентная трубка). Приблизительно время регулирования составляет 2,9·10⁴ (с). t_p = 2,9·10⁴

б) Перерегулирование отражает в процентах максимальное отклонение от установившегося значения.

Максимальное значение отсутствует, тогда перерегулирование:

По характеру переходного процесса можно судить об устойчивости системы: характеристика устойчивая монотонно возрастающая.

4.6 Построение логарифмической амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик системы и их анализ

Исследование системы следует проводить по предельной системе, это объясняется тем, что такт работы МП, равный 0,2мс, много меньше постоянной времени объекта управления (0,06-1,5 с).

Рисунок 9 – ЛАЧХ системы

Рисунок 10 – ЛФЧХ системы

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) и логарифмическая фазо–частотная характеристика (ЛФЧХ) определяются по передаточной функции разомкнутой системы следующим образом:

где U(ω), V(ω) – действительные и мнимые части передаточной функции.

Для найденных раннее выражений имеем ЛАЧХ и ЛФЧХ, представленные на рисунках 9 и 10 соответственно.

По построенным характеристикам определим запасы по фазе и амплитуде. Запас по амплитуде определяется следующим образом. Находится частота при которой ЛФЧХ первый раз пересекает прямую со значением -180⁰, в этой частоте проводится вертикальная прямая до пересечения с ЛАЧХ. Расстояние от этой точки пересечения до оси составляет запас устойчивости по амплитуде в децибелах. В нашем случае он составляет 1. Кроме этого можно сделать вывод об устойчивости системы. ЛАЧХ в этой точке пересечения должна находиться ниже оси. Если она находится выше, то система неустойчива, пересекает ось в этой точке – на границе устойчивости.

Запас устойчивости по фазе определяется следующим образом. Определяется частота при которой ЛАЧХ пересекает ось (0 децибел). При этой частоте проводится вертикальная прямая вниз до пересечения с ЛФЧХ. Расстояние от точки пересечения до прямой -180⁰ составит запас по фазе в градусах. В нашем случае ЛАЧХ не пересекает ось 0, следовательно, запас по фазе составляет 360°.

Так как время переходного процесса не соответствует требуемому, то системе требуется коррекция.