ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Объемный гидропривод является одним из наиболее эффективных средств автоматизации производственных процессов в самых различных отраслях современного машиностроения. При этом современный объемный гидропривод рассматривается как комплексная функциональная система, включающая как исполнительную (гидроцилиндр), так и информационно-управляющую части (система датчиков, электронные устройства для приема и преобразования их сигналов, приборы функционального управления, микропроцессорные средства управления), т.е. интеллектуальную часть привода, функционирующую по соответствующим программам и законам управления.
Основные тенденции развития силовых гидроцилиндров направлены на разработку конструкций гидроцилиндров с интегрированными датчиками перемещения плунжера, что позволяет обеспечить встроенный контроль и реализовать требуемые законы управления. Сложность поставленной задачи обусловлена тем, что конструкция датчиков должна предусматривать возможность их интеграции непосредственно в гидравлический цилиндр без изменения его конструктивно-технологических и массогабаритных параметров. При этом обеспечение долговременной стабильности и точности датчиков существенно осложняется широким диапазоном изменения внешних влияющих факторов (температура, давление, вибрации, агрессивная среда) и отсутствием возможности настройки характеристик датчика в эксплуатационных условиях [21, 111].
Анализ технической и патентной литературы показал, что наибольшее распространение для этой цели получили электромагнитные датчики в силу присущих им достоинств, таких как высокая чувствительность, широкий температурный диапазон работы, простота схемотехнической реализации. Однако малый коэффициент использования (отношение диапазона измерений к длине датчика) ограничивает область их применения гидравлическими
цилиндрами с ходом плунжера порядка десятков миллиметров. Как правило, такие датчики устанавливаются вне гидравлического цилиндра, аксиально или параллельно его оси, а подвижный элемент механически соединяется с плунжером гидроцилиндра. Интеграция датчиков непосредственно в гидравлический цилиндр требует применения специальных защитных трубок, герметично разделяющих области обмоток датчика и его подвижный элемент, находящийся в зоне давления. В обеих случаях необходима хорошая центровка подвижного элемента датчика относительно его корпуса во избежании возникновения трущихся сопряжений, снижающих надежность работы датчика.
Для наиболее востребованного диапазона от 100 до 600 мм известные датчики не удовлетворяют всей совокупности требований, связанных со спецификой их применения в гидроцилиндрах.
Анализу и синтезу электромагнитных датчиков перемещения посвящены известные исследования отечественных и зарубежных ученых, среди которых следует отметить труды Агейкина Д.И., Туричина A.M., Куликовского Л.Ф., Зарипова М.Ф., Белого М.И., Конюхова Н.Е., Мартяшина А.Н., Урак-сеева М.А., Loos H.R, Haug A., Jiittemann H. Способы построения схем преобразования параметров электромагнитных датчиков в электрический сигнал (напряжение, ток, частота, фаза, цифровой эквивалент) подробно рассмотрены в работах Карандеева К.Б., Шляндина В.М., Скрипника Ю.А., Гутникова В.А., Шахова Э.К., Домрачева В.Г., и др.
Однако, несмотря на многочисленные работы, в которых рассмотрены различные аспекты построения электромагнитных датчиков перемещения существует необходимость дальнейшего их совершенствования прежде всего с точки зрения минимизации габаритов, унификации конструктивного исполнения и схемотехнических решений. Особого внимания требует разработка способов компенсации влияния температуры окружающей среды и ее градиента вдоль диапазона измерений.
С учетом вышесказанного разработка специализированных датчиков перемещения для гидравлических цилиндров является актуальной научно-технической задачей.
Цель и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является разработка и исследование электромагнитных датчиков перемещения плунжера в системах управления гидравлическим приводом, обеспечивающих конструктивную и информационную унификацию, обладающих повышенным коэффициентом использования, линейностью выходной характеристики, температурной стабильностью.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:
1. Сравнительный анализ известных методов построения электромагнитных датчиков перемещения для гидроцилиндров.
2. Разработка недифференциальных конструкций датчиков перемещений с подвижным элементом в виде протяженного проводящего экрана.
3. Построение математической модели электромагнитной системы датчика, учитывающей распределенный характер ее параметров и конструктивно-технологические особенности.
4. Определение условий достижения максимального коэффициента использования и температурной компенсации датчика.
5. Экспериментальное исследование опытных образцов датчиков перемещения.
Методы исследований, представленные в диссертационной работе, базируются на основе теории электрических цепей и сигналов, электромагнитных систем с распределенными параметрами, переходных процессов, операционного исчисления, теории погрешностей. Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных и эксплуатационных условиях. Исследования проводились на
кафедре электротехники СГАУ и в лаборатории измерительной техники фирмы Micro-Epsilon Messtechnik (Германия).
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена математическая модель электромагнитной системы датчика, схема замещения которой представлена в виде каскадного соединения двух электрических линий переменой длины, соответствующих открытой и экранированной частям обмотки. Параметры этих линий рассчитывались с учетом электромагнитного взаимодействия элементов конструкции датчика.
2. На основе полученного выражения для импеданса измерительной обмотки найдена функция преобразования датчика в аналитическом виде, позволившая оценить степень нелинейности выходной характеристики и дополнительные погрешности датчика.
3. Получена зависимость коэффициента использования от параметров сердечника, геометрических размеров и характера экранирования обмотки, теоретически обоснован выбор их значений для обеспечения максимального коэффициента использования.
4. Выявлены условия эффективной температурной компенсации датчика, основанной на использовании распределенной компенсационной обмотки, соединенной с измерительной обмоткой по логометрической схеме.
Практическую ценность работы представляют:
1. Базовая конструкция датчика перемещения с интегрированным электронным модулем, обладающая высоким коэффициентом использования, линейностью выходной характеристики, температурной стабильностью.
2. Созданный ряд датчиков перемещения с диапазонами измерения от 100 до 600 мм, унифицированный по информационным, метрологическим и конструктивным характеристикам.
8
3. Разработанная схема включения обмоток датчика, обеспечивающая линейное преобразование изменения импеданса измерительной обмотки в выходной сигнал и компенсацию влияния температуры.
4. Рекомендации по выбору конструктивно-технологических параметров датчиков, на основе которых организовано их серийное производство фирмой «Micro-Epsilon Messtechnik» (Германия).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель электромагнитной системы датчика учитывающая распределенный характер ее параметров и особенности конструктивно-технологического исполнения.
2. Расчетные соотношения для определения коэффициента использования длины датчика с учетом параметров его электромагнитной системы и требуемой линейности выходной характеристики.
3. Функция преобразования, полученная с использованием уравнения для входного импеданса эквивалентной электрической линии.
4. Схемотехническая реализация, обеспечивающая высокую степень линейности выходной характеристики датчика, компенсацию влияния температуры и ее градиента.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на X научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (г. Гурзуф, 1998г.); на XI конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2001г.); на XII конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2002г.); на III Международной конференции молодых ученых и студентов, (г. Самара 2002г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ в научных журналах, научных сборниках, тезисы докладов, получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 167 страницах, содержит 67 рисунков и 10 таблиц.
10
ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
ПЛУНЖЕРА ГИДРОЦИЛИНДРА
1.1. Гидросистемы как объект автоматизации
Постоянно повышающийся уровень автоматизации машиностроительного оборудования в условиях производств, работающих при ограниченном участии обслуживающего персонала, а также опережающее развитие микропроцессорной техники открывает новые перспективы перед объемным гидроприводом. За сравнительно небольшой срок существования объемный гидропривод активно внедрился в различные отрасли промышленности и сельского хозяйства. Гидропривод широко используется в металлорежущих станках, в станах холодной прокатки труб, ножницах, роликовых конвейерах, волочильных станах, машинах для отделки и сортировки проката, сталелитейном и доменном оборудовании, в транспортных и сельскохозяйственных, строительных и дорожных машинах, в шагающих экскаваторах, кранах, дробилках, кузнечно-прессовом оборудовании, испытательных машинах и стендах [21,22].
Объемный гидропривод, по сравнению с механическим, пневматическим и электрическим приводами, имеет существенные преимущества по массога-баритным показателям при заданной мощности, по плавности управления скоростью исполнительных устройств с возможностью реверсирования, по простоте преобразования энергии жидкости под давлением в механическую энергию при любых видах перемещений, по хорошей защищенности от перегрузок и разрушения [10].
Наиболее распространенным элементом автоматизированного объемного гидропривода является силовой гидроцилиндр — гидродвигатель прямолинейного возвратно-поступательного движения. Современные гидродвигатели компактны, позволяют создать достаточно большие усилия, обладают легкостью программного управления движения штока, безопасны в обращении и
11
наиболее полно отвечают особым требованиям, предъявляемым к современному оборудованию по условиям эксплуатации, ограничению массы и габаритных размеров.
Номенклатура серийно выпускаемых гидроцилиндров в промышленно развитых странах огромна. Только в Европе более 120 фирм изготавливают различные по конструкции и параметрам силовые гидроцилиндры.
Несмотря на обилие типоразмеров, и вариантов конструктивного исполнения стандартизованных и унифицированных силовых гидроцилиндров и их узлов, и технологические сложности их изготовления, разработчики гидроприводов занимаются проектированием новых конструкций силовых гидроцилиндров для повышения технико-экономических показателей своей продукции.
Одной из наиболее ярко выраженных тенденций развития объемного гидропривода является интенсивное «сращивание» гидравлики и электроники: создание комплектных узлов, интегрированных с механическими и электронными устройствами контроля и управления (средствами диагностики, датчиками обратной связи и т.п.) [21, 111, 114]. Применение в системах управления гидроприводом микропроцессорных устройств позволяет реализовать сложные законы управления, обеспечить встроенный контроль системы и гибкость законов управления за счет вариации программного обеспечения, получить динамическую точность и уровень помехозащищенности, недостижимые в аналоговом гидроприводе. Вследствие интеграции цифровой электроники, датчиков и гидравлики, а также современной техники управления, гидравлический привод достиг такой точности и динамики, которые ранее были не достижимы. Типичным примером этого может служить так называемое гидроформирование деталей для автомобилей, обеспечивающее высокоточное производство частей сложной конфигурации в одном цикле. В испытательной технике благодаря этому возможно достижение максимальной мощности гидропривода в широком частотном диапазоне.
Система регулирования
drdr
Пропорциональные клапана
drdr
Объект испытаний
Датчик положения Силовой гидроцилиндр
Датчик силы
Рис 1.1. Структурная схема гидравлического испытательного стенда
13
На рис. 1.1 показана типовая структура системы управления гидравлического испытательного стенда. В состав испытательного стенда входит силовой гидроцилиндр, на одной оси с плунжером которого смонтированы датчик положения и датчик силы. Управление гидроцилиндром осуществляется через пропорциональные клапана с помощью системы регулирования, а программа испытаний (частота нагружения, амплитуда и величина силы и др.) задаются с помощью микрокомпьютера, который обрабатывает также результаты измерений.
На рис. 1.2. изображена наиболее распространенная конструкция гидравлического цилиндра с указанием его основных характеристик.
Номинальное рабочее давление Бар 300
Максимальное рабочее давление Бар 400
Максимальная скорость м/с 0,5
Максимальный ход мм от 100 до 1500
Диаметр цилиндра мм от 50 до 200
Диапазон температур жидкости "С -20...+80
Рис 1.2. Типовая конструкция гидравлического цилиндра
14
Автоматизация современного технологического оборудования потребовала создания специальных конструкций силовых гидроцилиндров со встроенными датчиками положения плунжера. Конструкции таких гидравлических цилиндров схематично показаны на рис.1.3(а,б). Гидроцилиндр, изображенный на рис. 1.3а, содержит стальной корпус 1 внутри которого перемещается поршень 2, имеющий осевое отверстие, в которое запрессован чувствительный элемент б датчика, представляющий собой проводящую трубку. Крепление корпуса датчика 7, имеющего уплотнительное кольцо 8, осуществляется через осевое отверстие фланца 3. При перемещении плунжера 5 чувствительный элемент 6 бесконтактно охватывает корпус датчика 7, вызывая изменение импеданса его измерительной обмотки.
В конструкции гидроцилиндра рис. 1.36 чувствительный элемент б датчика крепится к плунжеру 5 с помощью резьбового соединения 9. В отличие от конструкции рис. 1.2а здесь чувствительный элемент 6 перемещается внутри корпуса датчика 7.
В обеих случаях специфическими условиями эксплуатации являются наличие давления гидравлической жидкости, а также влияние агрессивной среды (гидравлическое масло) непосредственно на корпус датчика.
Наиболее часто в качестве рабочих жидкостей используются специальные гидравлические масла, а также водомасляные эмульсионные и другие рабочие жидкости. Гидравлические масла обеспечивают не только передачу гидравлической энергии, но и выполняют смазку и охлаждение деталей гидропривода. Основными показателями качества гидравлических масел служат вязкостно-температурные свойства, химическая и физическая стабильность, антикоррозионные свойства, агрессивность по отношению к уплотнительным элементам, смазочная способность, теплофизические свойства и вспенивае-мость, несжимаемость, а также огнестойкость и температура застывания.
Для работы гидравлических систем очень важна чистота масла, т.к. более 70 % поломок вызваны наличием в них загрязнений.
15
6 5
а) с подвижным экраном
б) с подвижным сердечником
Рис.1.3(а,б). Типовые конструкции гидравлического цилиндра с интегрированным датчиком перемещения плунжера
1 - корпус цилиндра, 2 - поршень, 3 - фланцы,
4 - отверстие для подачи давления,
5 - подвижный элемент,
6 - корпус датчик
16
1.2. Основные требования к датчикам перемещения плунжера гидроцилиндра
Применение электромагнитных датчиков в гидравлических цилиндрах сопряжено с удовлетворением ряда противоречивых требований, определяющих функциональный состав и конструкцию устройства.
Условно технические требования, предъявляемые к датчикам в гидроцилиндрах, можно разделить на следующие группы: функционально-точностные, конструктивно-технологические и эксплуатационные [50].
Первую группу составляют функционально-точностные требования, к которым относятся требования к диапазону измеряемых величин, полосе частот, быстродействию, соотношению уровней полезного сигнала и помех, точности. Наиболее важными являются точностные требования, лимитирующие погрешности датчика в заданных условиях эксплуатации. Сюда относятся: статические погрешности функции преобразования датчика, дополнительные погрешности, вызванные влиянием дестабилизирующих факторов, случайные и динамические погрешности.
Группа конструктивно-технологических требований включает в себя: регламентацию габаритно-весовых показателей устройства, посадочные размеры, использование в максимальном объеме унифицированных узлов, упрощении технологии изготовления. Эксплуатационные требования призваны обеспечить высокую надежность работы датчика в системе, упрощение профилактического контроля параметров устройства, безопасность и низкую стоимость эксплуатации.
В качестве примера рассмотрим основные параметры гидроцилиндров являющихся составной частью исполнительных механизмов сельскохозяйственных машин. В этом случае необходимо контролировать перемещение поршня гидроцилиндра в диапазоне порядка сотен миллиметров, частотный диапазон перемещений лежит в пределах 0-100 Гц, а необходимый класс точности измерений составляет 0,2 — 0,5 %. Аппаратура эксплуатируется при
17
температуре окружающей среды -40 +85°С, относительной влажности 30 — 100%, уровне солнечной радиации до 4*10 Дж/м ч. Датчики должны быть устойчивы к вибрациям с амплитудой до 1 мм в диапазоне частот 0,1 —10 Гц, ускорениям до 2,5 см/с2 при частоте 0,1 — 90 Гц, к тряскам (ударам) с ускорением до 50 м/ с2 частотой до 2 Гц [49].
На основе проведенных исследований обобщены параметры датчиков перемещения, обусловливающие возможность их применения в гидравлических цилиндрах:
1. Широкий динамический диапазон измерений, лежащий в пределах от десятков до тысяч миллиметров
2. Коэффициент использования (отношение диапазона измерения к длине) 0,8-0,9
3. Нелинейность статической характеристики - +/-0,2—1%
4. Разрешающая способность +/-0,05% от диапазона измерения
5. Частотный диапазон (от статики до сотен герц)
6. Работа в условиях статических и динамических давлений (до 400-600 Атм.)
7. Температурный диапазон - 40 -г- + 85 °С
8. Работа в условиях агрессивных сред
9. Наличие протяженной линии связи (датчик - устройство управления) до 200 м
10. Легкость встраивания в цилиндр
11. Отсутствие трущихся сопряжений
12. Надежность
1.3 Обзор электромагнитных датчиков перемещения плунжера гидроцилиндра
Электромагнитные датчики, используемые в настоящее время для определения положения плунжера гидроцилиндра, отличаются между собой конст- |
