Динамика нестационарных режимов движения клапана прецизионного дозатора жидких сред

'Г
СОДЕРЖАНИЕ
! ВВЕДЕНИЕ................................................... 5
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12 ;• . 1.1 Предмет и область применения прецизионных дозаторов.
Способы дозирования жидкостей........................... 12
1.2 Классификация систем дозирования жидкостей.............. 15
1.3 Импульсные методы дозирования жидкости.................. 22
1.4 Технологии дозирования.................................. 28
1.5 Понятие точности дозатора. Основные определения.
Параметры, влияющие на точность дозирования............. 33
1.6 Дозаторы двигателей внутреннего сгорания................ 38
1.7 Цели и задачи исследования............................... 43
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ПРЕТ {ИЗИОННОГО ДОЗАТОРА...................................... 45
2.1 Обобщенная расчетная схема прецизионного дозатора 45
2.2 Определение точности в электрогидро динамической
системе...........:..................................... 47
2.3 Определение пространства параметров системы, обеспечивающих периодическое движение исполнительного устройства золотникового типа................................ 48
2.3.1 Анализ динамических режимов движения................... 53
2.4 Описание электромагнитного дозатора с клапанным распределительным устройством................................ 61
2.5 Математическое моделирование движения исполнительного
устройства клапанного типа.............................. 71
2.5.1. Разработка алгоритма .численного интегрирования
нелинейных дифференциальных уравнений................ 77
2.5.2 Исследование влияния единичного управляющего импульса
2
на движение клапана электромагнитного дозатора с программным управлением..................... 81
2.5.3 Исследование многоимпульсного дозирования движения
исполнительного устройства прецизионного дозатора 95
2.6 Выводы по главе 2...................................... 101
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ПРЕЦИЗИОННОГО ДОЗАТОРА................................................ 103
3.1 Исследование нестационарного движения жидкости в цилиндрическом канале электромагнитного дозатора 105
3.2 Моделирование процесса формирования порции дозируемой жидкости................................................... 109
3.2.1 Исследование движения жидкости в момент открытия клапана.................................................... 112
3.2.2 Исследование движения жидкости в момент закрытия клапана.................................................... 117
3.3 Динамический синтез закона управляющего напряжения прецизионного дозатора..................................... 124
3.4 Пути повышения точности дозирования за счет применения системы управления движением клапана электромагнитного дозатора с управлением по перемещению...................... 128
3.5 Выводы по главе 3...................................... 137
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДОЗИРОВАНИЯ......................................... 139
4.1 Разработка программы проведения экспериментальных исследований и методики измерения контролируемых параметров................................................. 139
4.2 Разработка лабораторного стенда для экспериментального изучения управляемого движения исполнительного устройства на основе электромагнитного дозатора жидкости 140
4.3 Сборка и отладка экспериментальной установки............. 147
4.4 Экспериментальные исследования........................... 149
4.4.1 Исследования управляющего импульса на гидравлические процессы, возникающие в дозаторе............................. 149
4.4.2 Исследование прецизионности дозатора и влияние контролируемых параметров на выходные характеристики 153
4.4.3 Метод определения коэффициента гидравлического сопротивления прецизионного дозатора......................... 158
4.4.4 Алгоритм нахождения коэффициента гидравлического сопротивления дозатора....................................... 160
4.5 Программное управление движением исполнительного устройства клапана прецизионного дозатора.............. 162
4.6 Анализ гидродинамических процессов, возникающих в дозаторе при мгновенном закрытии клапана..................... 164
4.7 Использование результатов НИР для диагностики форсунок по спектральному анализу временных зависимостей
давления в топливной магистрали........................ 166
4.8 Выводы по главе 4........................................ 173
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ....................... 174
БИБЛИОГРАФИ11ЕСК14Й СПИСОК.................................... 177
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Результаты экспериментальных исследований... 189
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Копии актов об использовании результатов диссертационной работы и копии патентов на полезную модель 194
4
ВВЕДЕНИЕ
. Актуальность темы.
В настоящее время в технике широкое: распространение: получили1 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, А.М1. Гуськова,. В Л. Крупенина, Я.Г. Пановко, М.З. Коловского, Ю.И. Неймарка,
5
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.
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 электрогидромсханических 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. Установлено, 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 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 ттх 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:
9
> 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 УН-1Х 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).
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.
11
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Предмет и область применения прецизионных дозаторов. Способы
дозирования жидкостей
Развитие способов дозирования жидкостей непосредственно связано с развитием и совершенствованием технологии производства, с повышением требований к точности, надежности, быстродействию аппаратуры.
При наличии возможности решить поставленную задачу несколькими способами на первое место выдвигается критерий оптимальности, увязывающий экономические (минимальной стоимости), надежностные (максимальной надежности) и показатели, решающие задачи: отмеривания малых количеств жидкостей; поддержания (стабилизации) мгновенного или среднего расхода при заданном значении; изменения расхода по определенному закону (программе) либо в зависимости от изменения какого-либо параметра технологического процесса или объекта [21,28, 29, 40; 49; 55, 72, 103, 108, 109].
Интерес к процессам точного дозирования жидкостей и титрования
появился в 40-х-50-х годах XX в., хотя первые приборы микродозирования
были предложены еще в 1914 г. Зигелем, и получили дальнейшее развитие в
установках Хикмана и Санфорда, в 1933 г [93]. Решению проблем
повышения эффективности, т.е. точности и быстродействия работы
различных дозаторов, посвящены работы М.В. Соколова, А.Л. Гуревича,
Виденеева, В.Г. Цейтлина и др. [27, 28, 84, 93, 94, 96]. В работах таких
зарубежных и российских ученых, как С.Л.Цыфанского, В.И.Бересневича,
Я.А.Виба, И.И.Блехмана, Р.Ф.Ганиева, Д.М.Диментберга, К.В.Фролова,
Я.Г.Пановко, Г.Я.Пановко, С.Ф.Яцуна и ряда других авторов- [23', 65-68,
115], представлены результаты исследований динамических систем и
нелинейных эффектов, возникающих в различных колебательных системах.
Исследованию динамики различных устройств с электромагнитным
12
приводом посвящены работы авторов: Р.А.Агронянца, Э.Г.Гудушаури, М;А. Любчика, В.А. Повидайло, Н.П. Ряшенцева, А.И. Смелягина, М.В.Хвингии, К.Ш.Ходжаева и многих других [52, 56, 71, 81, 82, 98], в которых разработаны математические модели электромагнитных приводов с различным конструктивным исполнением, проведено сравнение экспериментальных данных и теоретических расчетов, показавшие хорошую сходимость, что позволяет применять разработанные математические модели электромагнитных приводов при исследовании динамики таких параметров как скорость и ускорение движения исполнительного устройства, которые могут быть значительными и влиять на точность и стабильность дозирования Эти работы легли в основу построения математического аппарата, применяемого при проектировании современных электромагнитных дозаторов.
В последние годы, в связи с широким распространением прецизионных дозаторов, возникает необходимость их расчета с учетом динамических эффектов и свойств привода, обеспечивающего движение исполнительного (запорного) элемента. Особенно это актуально для систем микродозирования, так как в ряде стран сегодня ведутся разработки и исследования микродозаторов с объемом дозы порядка КГ9 м ' и менее [32, 33].
Размер капли (дозы) зависит от массогабаритных характеристик дозатора, вязкости дозируемого материала, давления в момент подачи, времени открытия и закрытия дозирующего отверстия [10, 11-17, 25, 27, 28, 43, 44, 46, 49-52, 56].
Очевидно, что разработка и создание методов расчета таких систем дозирования должна быть основана на комплексном подходе, когда в модели дозатора учитываются свойства как электромеханической, так и гидравлической систем. При этом, важным моментом является обеспечение заданного закона движения исполнительного устройства при применении управляемого привода ограниченной мощности.
13
«Микродозироваиие» - это. комплексное решение задач регулирования и управления сверхмалыми объемами жидкостей: Микродозирование широко применяется в клинической диагностике, ДНК-синтезе, медицинской технике и технологиях высокопроизводительных автоматических лаборатории, анализаторах, а также технологиях, связанных с высокоточным дозированием при смешивании, распределении и подготовке образцов к исследованиям, когда расходы жидкостей колеблются'от долей микролитра до нескольких микролитров в минуту [59, 61, 84, 85] .
В настоящее время актуальной становится задача получения* пищевых продуктов: сахара—песка, хлебобулочных изделий и др. с заданными свойствами, определяемыми медицинскими показателями [60]. Одной из современных тенденций развития медицины является внедрение лекарственных добавок в рацион лечебного питания больных [59, 84], а также для массового профилактического использования среди населения. Это может быть- достигнуто с помощью нанесения различных биологически— активных добавок на поверхность сырья, используемого в приготовлении продуктов питания [9, 84].
Типографские струйные принтеры, оборудование по производству оптических носителей, информации, системы дозирования смазочных и склеивающих материалов, автомобильные установки и хозяйственно-
бытовые машины — во всех отраслях растут требования к микродозирующим устройствам [46,81 ].
Большое распространение в автомобильной промышленности
получили дозирующие устройства на основе электромагнитной форсунки (ЭМФ). Форсунка представляет собой устройство, позволяющее осуществлять дозирование и распыление жидкости, работает в импульсном режиме при частоте срабатывания от 1 до 200 Гц. В системе впрыска они являются основным исполнительным устройством, которое выдает
определенную микро дозу топлива (в зависимости от сигналов с контроллера управления двигателем) и распыляет его на мелкие частицы вблизи
14
впускного клапана каждого цилиндра двигателя. Отметим три основных параметра, которые очень важны в реальных условиях эксплуатации: производительность форсунки (пропускная способность в открытом состоянии при рабочем давлении в см /мин), факел распыления, характеризующийся углом распыления в градусах и дисперсностью* частиц топлива, герметичность.сопряжения седло - клапан. Установлено, что когда топливо распыляется на частицы диаметром*менее 15мкм, то его смешивание с воздухом происходит на молекулярном уровне, топливо - воздушная смесь получается однородной- и наиболее полно сгорает в цилиндрах двигателя, обеспечивая ему максимальную мощность и крутящий момент [35, 53, 78, 81, 87, 105, 107, 114].
1.2. Классификация систем дозирования жидкостей
Способы дозирования по общности характерных признаков можно разделить на несколько групп [86]:
1) в зависимости от выбранного эталона — весовые (массовые), в основу которых положено действие законов гравитации, инерции или упругой деформации, и объемные, характеризующиеся жесткими трехмерными границами;
2) в зависимости от режима движения жидкости — непрерывные, обеспечивающие постоянство расхода без разрыва подтока; дискретнонепрерывные, формирующие постоянный средний расход за счет выделения из непрерывного потока отдельных порций, и непрерывно-дискретные, обеспечивающие деление непрерывного потока на отдельные постоянные порции;
3) в зависимости от модуляции потока или дозы — амплитудно-модулироваиные, поддерживающие постоянство расхода или дозы за счет ограничения регламентирующих параметров (напора, сопротивления потоку,
объема); частотно-модулированньте, обеспечивающие среднее значение расхода за счет подачи порций жидкости с определенной частотой, и шнротно-модулированные, в которых стабилизированный непрерывный поток жидкости прерывается с определенной частотой на постоянное время;
4) в зависимости от возможности создавать давление или использовать запас потенциальной энергии жидкости — насосные, когда исполнительные устройства (ИУ) способны всасывать и нагнетать жидкость, вытесняя ее из ограниченного объема; истечения, использующие для подачи жидкости запас потенциальной энергии, и комбинированные, в основу которых положены оба принципа, например заполнение объема под действием столба жидкости и вытеснение жидкости за счет использования дополнительного источника энергии;
5) в зависимости от способа построения (структуры), обеспечивающего самоконтроль, — замкнутые, способные контролировать номинальное значение стабилизируемого параметра и реагировать на его отклонения, и разомкнутые, осуществляющие стабилизацию или модуляцию параметра по жесткой программе независимо от значения формируемого параметра (расхода или дозы).
Классификационная схема способов (методов) регламентации расходов представлена на рисунке 1.1.
16
Рисунок 1.1. Классификация способов регламентации расходов
Многообразие структурных и конструктивных решений, связанных с требованиями конкретных технологических процессов, предопределило развитие определенных классов систем автоматического дозирования, из которых, наибольшее развитие получили [27, 28]:
1) дозёр-дозатор непрерывного действия со свободным сливом жидкости;
2) насос-дозатор — устройство, обеспечивающее всасывание, отмеривание и вытеснение жидкости из насосной головки с созданием давления на выходе;
3) дозировочный нагнетатель — устройство, мерная камера которого заполняется под определенным напором дозируемой среды, а затем выдавливается, создавая избыточное давление на выходе;
17
4) дозатор напорного истечения — устройство, мерная камера которого заполняется- под напором* дозируемой среды, которым обеспечивается и выдача дозы;
5) дозатор свободного истечения — устройство, мерная камера которого заполняется под напором дозируемой жидкости с последующим свободным сливом, послед ней;
6) дискретный дозировочный питатель — устройство, поддерживающее средний расход за счет подачи отдельных порций жидкости;
7) порционный дозатор — устройство, обеспечивающее отмеривание единичных порции жидкости;
8) счетно-дозирующее устройство — дозатор, обеспечивающий за счет интегрирования расхода или отдельных порций отмеривание больших объемов жидкости;
9) автоматическая бюретка — микродозатор, обеспечивающий непрерывную подачу жидкости под давлением в ограниченном интервале времени;
10) дозатор соотношения — устройство, обеспечивающее подачу двух или нескольких компонентов в определенном соотношении;
11) дозировочный агрегат — устройство, имеющее несколько дозировочных головок, связанных с общим управляемым приводом.
Наибольшее распространение среди систем автоматического дозирования вследствие большого набора технических возможностей получили насосы-дозаторы.
Многообразие решений систем дозирования затрудняет их классификацию, поэтому при построении общей классификационной схемы систем дозирования авторы подходят к ней с различных позиций. Так в основу классификационной схемы С. М. Финкельштейном [93] положен конструктивный признак. Ю. Д. Видинеев [27] строит классификацию дозаторов непрерывного действия с позиций автоматического регулирования, а для насосов-дозаторов приводит отдельную
18