ДОНЕЦьКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Шеремет Олексій Іванович

ДК [621.313-837:621.9]:004.4(048)1

ВДОСКОНАЛЕННЯ АВТОМАТИЗОВАНОЇ ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНОЇ СИСТЕМИ ДЛЯ ВІБРООБРОБКИ МЕТАЛЕВИХ ДЕТАЛЕЙ

Спеціальність 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА) Міністерства освіти і науки України, м. Краматорськ

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент,

Панкратов Анатолій Іванович,

Донбаська державна машинобудівна академія Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри електромеханічних систем автоматизації

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор,

Садовой Олександр Валентинович,

Дніпродзержинський державний технічний університет, проректор з наукової роботи, завідувач кафедри електрообладнання промислових підприємств

кандидат технічних наук, доцент,

Толочко Ольга Іванівна,

Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри електроприводу та автоматизації промислових установок

Провідна установа: | Дніпропетровський національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, кафедра електроприводу, м. Дніпропетровськ

Захист дисертації відбудеться “26” травня 2005 р. о “1330” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.02 Донецького національного технічного університету за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 8-й навчальний корпус, ауд. 8.704.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й навчальний корпус.

Автореферат розісланий “ 8 ” квітня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д11.052.02,

кандидат технічних наук, доцент А.М. Ларін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Короблення литих і зварних деталей пов’язано з залишковими внутрішніми напругами, що виникають у процесі нерівномірного охолодження. Короблення відбувається також у результаті накладення наявних внутрішніх напруг у виливках та конструкціях і напруг, що виникають при механічній обробці. Для зниження залишкових напруг і стабілізації геометричної форми металевих деталей у машинобудуванні застосовується традиційний метод – отжиг, що має ряд недоліків, головним з яких є висока вартість термообробки і низький ККД печей.

Для підвищення конкурентноздатності, поліпшення якості і зниження собівартості виробів, провідні машинобудівні підприємства України переходять на нові, енергозберігаючі технології. У цьому зв’язку, віброобробка є одним з найбільш ефективних, універсальних і економічних методів зниження залишкових напруг і стабілізації геометричних розмірів металевих деталей.

Відомі електромеханічні системи для віброобробки мають ряд істотних недоліків, що знижують її ефективність за рахунок непродуктивних енерговитрат. Крім того, удосконалення алгоритму керування електромеханічною системою для підвищення її ефективності, вимагає перетворення самої системи. Отже, актуальність удосконалення автоматизованої електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей викликана як необхідністю підвищення ефективності віброобробки, так і вимогою удосконалення алгоритмів керування електромеханічною системою для розширення її функціональних можливостей.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами. Робота виконана відповідно до плану держбюджетних робіт Донбаської державної машинобудівної академії по темі Дк-10-03 “Удосконалення систем автоматичного керування і діагностики електроприводів” (номер держреєстрації 0104U004409).

Мета роботи і задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи – підвищення ефективності, продуктивності і рівня автоматизації віброобробки металевих деталей за рахунок удосконалення електромеханічної системи для її реалізації.

Досягнення поставленої мети можливе при вирішенні наступних задач:

- дослідити ефективність віброобробки металевих деталей механічними діями різної форми;

- розробити оптимальний спосіб віброобробки металевих деталей, що дозволяє знизити витрати і підвищити її продуктивність;

- розробити і дослідити автоматизовану електромеханічну систему, що реалізує оптимальний спосіб віброобробки металевих деталей;

- створити алгоритм і систему автоматичного керування електромеханічною вібросистемою;

- випробувати розроблену електромеханічну систему для віброобробки металевих деталей і дати рекомендації з її використання у виробництві та навчальному процесі.

Об’єктом досліджень є процес перетворення електричної енергії в механічну при віброобробці металевих деталей.

Предметом досліджень є автоматизована електромеханічна система для віброобробки металевих деталей.

Методи досліджень. При розв’язанні поставлених задач використовувалися: положення теоретичної механіки і теорії опору матеріалів; чисельні методи прямого і зворотного перетворення Фур’є; метод Сімпсона для чисельного інтегрування; теорія аналогії між електричними і механічними величинами; метод Адамса зі змінним шагом для розв’язання систем диференціальних рівнянь; положення теорії автоматичного керування; метод кубічної інтерполяції; методи апроксимації експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше установлено взаємозв’язок між формою вібродії і ефективністю віброобробки металевих деталей, що дозволяє визначити відношення коефіцієнта динамічності віброобробки до енергії, спожитої при періодичній механічній дії будь-якої форми;

- вперше одержано залежності роботи, що виконується електромеханічною системою при віброобробці металевих деталей, від частотного спектру сигналу вібродії, що дозволяють визначити енергетично оптимальний спектральний склад сигналу віброобробки для деталі, яка має великий набір резонансних частот;

- вперше отримано рівняння енергетично оптимального закону керування електромеханічною системою для віброобробки металевих деталей, яке дало можливість розробити і програмно реалізувати алгоритм енергетично оптимального керування вдосконаленою електромеханічною системою;

- розроблено нову математичну модель електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей, яка відрізняється тим, що вона заснована на теорії електромеханічних аналогій та дозволяє встановити взаємозв’язок між механічними та електричними параметрами вдосконаленої системи;

- удосконалено відому структуру автоматизованої електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей шляхом введення нової підсистеми керування виконавчим органом.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і основних результатів роботи забезпечуються коректним використанням фундаментальних положень теоретичної механіки і теорії опору матеріалів, теорії аналогій між електричними і механічними величинами, теорії автоматичного керування та методами математичного аналізу, порівнянням отриманих результатів чисельного дослідження з експериментальними даними (розбіжність між результатами розрахунків і експериментальними дослідженнями не перевищує 5%).

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено і програмно реалізовано новий алгоритм, що втілює оптимальний закон керування автоматизованою електромеханічною системою для віброобробки металевих деталей;

- створено і експериментально випробувано удосконалену автоматизовану електромеханічну систему для віброобробки металевих деталей;

- запропоновано рекомендації з практичного застосування автоматизованої електромеханічної системи, що реалізує енергетично оптимальний алгоритм для віброобробки металевих деталей.

Результати дисертаційної роботи прийняті до використання на машинобудівному підприємстві ВАТ “Енергомашспецсталь” (м. Краматорськ) для організації фінішної обробки великогабаритних металевих деталей. Основні результати роботи використовуються в навчальному процесі ДДМА при проведені лабораторних робіт по курсу “Автоматизований електропривод”.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Особисто здобувачем виконана постановка задач, досліджена ефективність віброобробки металевих деталей механічними діями різної форми, розроблений енергетично оптимальний спосіб віброобробки, розроблена автоматизована електромеханічна система, що реалізує оптимальний спосіб віброобробки, створений та програмно реалізований алгоритм і система автоматичного керування вдосконаленою електромеханічною системою, експериментально досліджена вдосконалена електромеханічна система для віброобробки металевих деталей і сформульовані рекомендації з її практичного використання.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на II міжнародній науково-технічній конференції аспірантів і студентів “Автоматизація технологічних об’єктів і процесів. Пошук молодих” у м. Донецьку, 2002; на другій міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології, методи обробки і зміцнення деталей енергетичних установок” у м. Запоріжжя, 2002 р.; на IX міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” у м. Хмельницькому, 2002 р.; на IV міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” у м. Львові, 2003 р.; на міжнародній науково-технічній конференції “Гірнича енергомеханіка та автоматика” у м. Донецьку, 2003 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 друкованих праць, з них: 1 – у науково-технічному журналі, 3 – у збірниках наукових праць, 3 – у матеріалах і тезах конференцій. Отримано 2 патенти України на винаходи.

Структура і склад дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і 3 додатків. Основний зміст роботи викладений на 129 сторінках, містить 67 рисунків, 8 таблиць, список використаних джерел з 100 найменувань. Загальний обсяг дисертації 170 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета і задачі досліджень, визначені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі наведений огляд вітчизняної та закордонної літератури, що стосується впливу залишкових механічних напруг на металеві деталі, методів релаксації залишкових напруг в металевих деталях, електромеханічних систем для віброобробки металевих деталей та способів керування ними.

Дослідженням процесу релаксації залишкових механічних напруг в металевих деталях та стабілізації їх геометричних розмірів присвячені роботи Ф.Ф. Вітмана, О.Ю. Коцюбинського, В.А. Вінокурова, Г.А. Адояна, Г.Н. Чернишова, А.Н. Скороходова, П.І. Кудрявцева, Я.І. Обермана, А.М. Герчикова та інших вчених.

Роботи Я.Б. Гозмана, Г.Я. Левінсона, Н.Н. Леонова, Ю.І. Харитонова, В.Г. Горенка, П.В. Русакова, В.А. Ізвекова, А.І. Панкратова, А.І. Дриги, К.М. Рагульскіса, Б.Б. Стульпінаса та інших вчених безпосередньо присвячені вивченню різних аспектів віброобробки металевих деталей для релаксації залишкових механічних напруг та стабілізації геометричних розмірів.

Вченими інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона було встановлено, що вартість віброобробки для релаксації залишкових механічних напруг та стабілізації геометричних розмірів деталі становить від 0,05 до 0,1 вартості термообробки. При цьому віброобробка є універсальним методом релаксації залишкових напруг, дозволяє вести обробку деталей різної форми, ваги та габаритних розмірів.

Проаналізувавши існуючі рішення в області віброобробки було вирішено, що вони не є оптимальними і сформульовано основні задачі оптимального способу віброобробки: зниження енерговитрат, скорочення часу обробки, підвищення якості стабілізації розмірів деталей, підвищення рівня автоматизації процесу віброобробки.

Реалізація цих задач висуває наступні вимоги до оптимального способу віброобробки: обробку необхідно проводити одночасно на всіх резонансних частотах деталі; механічна дія, що реалізує віброобробку, повинна динамічно змінюватись вслід за зсувом резонансних частот деталі у область низьких в процесі віброобробки; процес визначення резонансних частот повинен вестись по амплітудно-частотній характеристиці деталі, без використання будь-яких непрямих факторів; зняття амплітудно-частотної характеристики деталі та формування завдання на обробку в номінальному режимі повинні відбуватись при найменшій участі людини.

Проаналізувавши дані, наведені в роботах Я.Б. Гозмана, П.В. Русакова, А.І. Панкратова, А.І. Дриги та інших вчених, стає зрозуміло, що дебалансні електромеханічні системи не мають можливості реалізувати оптимальний спосіб віброобробки. Відома електромеханічна система віброобробки потребує вдосконалення усіх своїх підсистем: виконавчої, керуючої та сполучної.

Згідно з викладеним вище з метою підвищення ефективності, продуктивності і рівня автоматизації віброобробки металевих деталей за рахунок удосконалення електромеханічної системи для її реалізації, сформульовані задачі дослідження.

У другому розділі проводяться теоретичні дослідження віброобробки імпульсами різної форми. Для кожної форми імпульсу визначається співвідношення якості обробки і її вартості, а також встановлюється область застосування. За результатами проведеного аналізу формулюється і досліджується оптимальний спосіб віброобробки металевих деталей.

При моделюванні процесу віброобробки в якості складної великогабаритної деталі був обраний прокатний валок, представлений у вигляді тримасової механічної системи. Оскільки віброобробка для зняття внутрішніх механічних напруг ведеться на резонансних частотах деталі, то сила, що здійснює цю обробку, повинна мати у своєму спектрі частоту, рівну резонансній. Кількість частот, що є присутньою в імпульсах віброобробки може змінюватися від одиниці до нескінченності. Виходячи з цього, найбільш доцільно було розглядати віброобробку трьома видами імпульсів: синусоїдальними, що мають у своєму спектрі тільки одну частоту; прямокутними знакозмінними, спектр яких представлений суцільною полосою частот; дзвіноподібними, які відзначаються тим, що форма імпульсу повторює форму частотного спектра.

Для імпульсів іншої форми результати можна узагальнити, оскільки по наповненню спектра вони займають проміжне положення між синусоїдальним впливом і прямокутними імпульсами.

В якості показника ефективності віброобробки обрано коефіцієнт динамічності , що являє собою відношення амплітуди реально отриманого відгуку до статичного переміщення.

Енерговитрати оцінювалися протягом 1с на кожний з трьох видів обробки виходячи з того, що варіація роботи електромеханічної системи дорівнює

, (1)

де - диференціал переміщення ;

- однокоординатна силова дія.

Після чисельних розрахунків на часовому відрізку с визначалася величина енерговитрат на віброобробку .

При використанні механічних дій різних форм однакової частоти й амплітуди встановлюється наступне відношення між коефіцієнтами динамічності (1 – синусоїдальні імпульси, 2 – прямокутні знакозмінні імпульси, 3 – дзвіноподібні імпульси), а між енерговитратами – . Відношення коефіцієнта динамічності до енерговитрат при кожному з видів обробки: .

Узагальнивши отримані шляхом експериментів з математичною моделлю тримасової деталі результати було визначено, що найбільш оптимальною формою впливу з позиції одержання найбільшого коефіцієнта динамічності при найменших енерговитратах є дзвіноподібна механічна дія. Найбільш енергоємною буде віброобробка прямокутними знакозмінними імпульсами, хоча при цьому і досягається найбільший коефіцієнт динамічності. Синусоїдальний вплив має середні енергетичні показники і коефіцієнт динамічності.

Великим недоліком впливу дзвіноподібними імпульсами є недоцільність застосування методу, якщо деталь має більше однієї резонансної частоти, оскільки при такій обробці максимум енергії імпульсу приходиться тільки на одну частоту, а оброблювані деталі бувають часто складної конструкції і мають кілька резонансних частот (до 20 і більше).

Найчастіше оброблювані деталі мають кілька резонансних частот, крім того, у процесі віброобробки зменшується коефіцієнт жорсткості, у зв’язку з чим власні частоти деталі ідуть в область низьких. Тому в процесі віброобробки постійно необхідно встановлювати значення власних частот. Традиційно віброобробка ведеться на всіх частотах послідовно, цей процес тривалий у часі і реалізувати його технічно досить важко . Тому виникає задача віброобробки одночасно на всіх частотах у частотному діапазоні

, (2)

де - максимально можлива власна частота деталі до віброобробки;

- мінімальна власна частота деталі після віброобробки.

Таким чином, вплив механічними імпульсами являє собою полігармонійну силу. Якщо коливальна система лінійна, то сумарний ефект від дії полігармонійної сили, представленої рядом Фур’є буде виражатися сумою часткових ефектів від дії кожної з гармонік:

, (3)

де - частота гармонік;

- частота першої гармоніки.

У загальному випадку енергетично оптимальний амплітудний спектр при одночасній віброобробці на всіх плаваючих власних частотах деталі може бути представлений у вигляді

, (4)

де - амплітуда всіх гармонік у частотній області .

Для одержання функції механічної дії , що має спектр (4), були застосовані зворотне перетворення Фур’є і відомі співвідношення між тригонометричними функціями і експоненціальною функцією.

. (5)

Отримана теоретична залежність є універсальною для віброобробки будь-якої деталі з будь-якими резонансними частотами.

Вважаючи, що ККД двигуна постійний, були визначені енерговитрати на віброобробку:

де - маса електромеханічної системи.

Подвійний інтеграл (6) розв’язувався чисельними методами, у результаті чого отримана залежність роботи, що виконується електромеханічною системою при віброобробці металевих деталей, від частотного спектру сигналу вібродії (рис. 1).

При дії на деталь періодичними механічними імпульсами з частотним спектром, що містить як резонансні, так і нерезонансні частоти деталі, гармоніки, частоти яких не відносяться до резонансних, у процесі зняття внутрішніх напруг не використовуються, тому що ефективно віброобробка ведеться тільки на резонансних частотах.

Рис. 1. Залежність енерговитрат від (тривалість імпульсу – 1 с)

адачею оптимального способу віброобробки металевих деталей є зниження непродуктивних енерговитрат на віброобробку при збереженні всіх переваг обробки сигналом із суцільною полосою частот.

Оптимальний спосіб віброобробки полягає у впливі періодичними механічними сигналами з рівними максимальними амплітудами гармонік з частотним спектром, обмеженим максимальною і мінімальною резонансними частотами деталі. Виконується безперервний контроль зсуву резонансних частот і припинення впливу при зникненні їхнього зсуву, додатково безперервно контролюється значення резонансних частот , а вплив здійснюється сигналами, амплітуди яких залежать від часу і дорівнюють . Спосіб вимагає постійного відстеження зсуву резонансних частот для формування оптимальної вібродії.

У найпростішому випадку оптимальний сигнал віброобробки для деталі, що має кілька власних частот, являє собою полігармонійний вплив з рівними амплітудами на її резонансних частотах.

У третьому розділі проводиться розробка структурної схеми й алгоритму роботи автоматизованої електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей. На базі структурної схеми будується математична модель вібросистеми, у загальному вигляді визначаються передатні функції її компонентів. Досліджується створена математична модель для з’ясування функціональних можливостей удосконаленої електромеханічної системи.

Основною задачею удосконаленої автоматизованої електромеханічної системи віброзбудження є реалізація запропонованого оптимального способу віброобробки, тобто ведення віброобробки одночасно на всіх резонансних частотах деталі, що поліпшує енергетичні показники процесу віброобробки. Крім того, вдосконалена система дозволяє цілком автоматизувати процес віброобробки і дає можливість моніторингу і протоколювання результатів.

Вдосконалена автоматизована електромеханічна система віброобробки (рис. 2) включає комп’ютер 1, що має перший і другий зовнішні порти. Перший порт комп’ютера 1 підключений до виходу аналого-цифрового перетворювача 2, вхід якого з’єднаний з виходом вібродатчика 3, установленим безпосередньо на оброблюваній деталі 4. Другий зовнішній порт комп’ютера підключений до входу цифро-аналогового перетворювача 5, вихід якого з’єднаний зі входом підсилювача потужності 6. Вихід підсилювача потужності зв’язаний з електродинамічним лінійним двигуном зворотно-поступального руху 7, що виконує віброобробку деталі 4.

Рис. 2. Структурна схема вдосконаленої автоматизованої електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей

Оптимальний спосіб керування електромеханічною системою віброобробки реалізується наступним чином. Спочатку на деталь впливають тестовими періодичними механічними сигналами виду

, (7)

де – частота, що перестроюється у частотному діапазоні, обмеженому максимальною і мінімальною резонансними частотами деталі.

За результатами тестування визначаються резонансні частоти деталі . Далі на деталь впливають періодичним сигналом, що має вигляд

, (8)

де – i-а резонансна частота деталі.

Час впливу сигналом (8) визначається періодом складного гармонійного сигналу віброобробки.

, (9)

де – перша (найменша) резонансна частота деталі.

Після виконання вібродії сигналом виду (8) впродовж часу повторюється операція тестування, результатом якої є дані про зсув значень резонансних частот в область низьких. Вібродія періодичним сигналом виду (8) з новими значеннями і тестування повторюється послідовно доти, поки не припиниться зсув резонансних частот в область низьких.

Наведений алгоритм керування електромеханічною системою був представлений у вигляді блок-схеми та реалізований програмним шляхом.

Одним із ключових елементів вдосконаленої електромеханічної системи є двигун, що створює вібрації. Для розглянутої електромеханічної системи був прийнятий електродинамічний лінійний двигун зворотно-поступальної дії. Основною перевагою такого двигуна є широкі функціональні можливості, оскільки його принцип роботи заснований на взаємодії струму, що протікає по рухомому провіднику, з постійним магнітним полем, причому створюване зусилля пропорційне струму, що підводиться до рухомого провідника, і цілком повторює його за формою.

Механічна частина електромеханічної системи (рис. 3) містить у собі наступні елементи: m – маса рухливої котушки лінійного двигуна разом із кріпленням та направляючими; M – маса оброблюваної деталі і частини лінійного двигуна зворотно-поступального руху, що закріплюється на ній; – жорсткість кріплення і деталі (у процесі віброобробки змінюється); – жорсткість пружини, установленої між закріплюваною і рухливою частиною лінійного двигуна зворотно-поступального руху; – зусилля, що створюється електричною частиною лінійного двигуна зворотно-поступального руху; – переміщення рухливої частини котушки; – переміщення деталі разом із установлюваною частиною двигуна.

ис. 3. Схема механічної частини вдосконаленої електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей

Для встановлення взаємозв’язків між механічними й електричними параметрами системи побудована повна електрична еквівалентна схема електромеханічної системи для релаксації механічних напруг у металевих деталях (рис. 4). Ця схема представляє як електричну, так і механічну частини системи.

ис. 4. Електрична еквівалентна схема електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей

На схемі (рис. 4) введені наступні позначення: – ЕРС джерела живлення (підсилювача, що входить до складу підсистеми сполучення) – тут і далі p – оператор Лапласа; – проти - ЕРС, що виникає в обмотці рухливої котушки двигуна при її русі в магнітному полі котушки підмагнічування і протидіє зміні основного магнітного потоку; – внутрішній електричний опір підсилювача; – струм, що протікає через обмотку рухливої котушки двигуна; – напруга на затискачах рухливої котушки двигуна; – індуктивність обмотки рухливої котушки двигуна; – електричний опір рухливої котушки двигуна; – робочий струм, швидкість зміни якого еквівалентна силі, що діє на рухливу котушку з боку електричної частини; ЕМП – електромеханічний перетворювач, що сполучає між собою електричну і механічну частини еквівалентної схеми (у найпростішому випадку це підсилювальна ланка); m, M – відповідно маси рухливої котушки разом із кріпленням і направляючими, а також оброблюваної деталі і частини двигуна, що закріплюється на ній - еквіваленти електричної ємності; , – відповідно жорсткість кріплення і деталі, а також жорсткість пружини, установленої між закріплюваною і рухливою частиною лінійного двигуна – еквіваленти інверсної індуктивності.

Передатна функція ЕМП

, (10)

де B – магнітна індукція; – довжина одного витка рухливої котушки; w – кількість витків рухливої котушки.

Структурна схема електромеханічної системи віброобробки, що включає в себе підсистему сполучення і виконавчий орган, у якості якого виступає електродинамічний лінійний двигун зворотно-поступальної дії, приведена на рис. 5. Підсистема керування має представлення у вигляді керуючої програми і на рис. 5 виступає задатчиком .

ис. 5. Структурна схема автоматизованої електромеханічної системи віброобробки з представленням компонентів у вигляді передатних функцій

Повна передатна функція по керуючій дії електромеханічної системи для віброобробки з електродинамічним двигуном зворотно-поступальної дії в якості виконавчого органа отримана після перетворень структурної схеми

, (11)

де

втоматизована електромеханічна система використовує цифрову систему керування. При цьому комп’ютер виконує наступні задачі: здійснює керування процесом віброобробки за допомогою програмних регуляторів віброприскорення і струму; виступає в ролі задатчика складного полігармонійного чи майже періодичного керуючого сигналу.

Проведені дослідження показали, що вдосконалена електромеханічна система з електродинамічним лінійним двигуном зворотно-поступального руху і цифровою системою керування здатна повторювати форму керуючого впливу по електричній напрузі, перетворюючи його в механічні коливання і реалізовувати оптимальний спосіб віброобробки.

У четвертому розділі розробляється методика проведення експериментальних досліджень вдосконаленої автоматизованої електромеханічної системи для реалізації оптимального способу віброобробки. Приводяться результати експериментальних досліджень відповідно до розробленої методики. Перевіряється адекватність розробленої математичної моделі.

Після того, як було отримано експериментальну амплітудно-частотну характеристику електромеханічної системи, вона порівнювалася з теоретичною амплітудно-частотною характеристикою, побудованою за передатними функціями (11), (12). Відносна похибка математичної моделі не виходила за межі зони 5%. Отже, математична модель електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей є адекватною.

Для оцінки ефективності зняття залишкових напруг у зварних деталях при їх віброобробці автоматизованою електромеханічною системою, що реалізує оптимальний спосіб керування, здійснений ряд експериментів. Усі проведені експерименти можуть бути розбиті на дві групи: експерименти, пов’язані з віброобробкою простих зварних деталей гармонійним сигналом на одній резонансній частоті; експерименти, пов’язані з віброобробкою складних зварних деталей полігармонійним чи майже періодичним сигналом на декількох резонансних частотах одночасно.

Експериментальні дослідження процесу зняття залишкових напруг під дією гармонійного сигналу проводилися на спеціальних трубчастих зразках, виготовлених за таким способом: від досить старої труби діаметром 90 мм і товщиною стінки 6 мм, залишкові механічні напруги після виготовлення якої цілком зняті, відрізалася ділянка довжиною 100 мм; за допомогою електрозварювання на рівні середини висоти зразка по кільцю наварювався шов, створюючи механічні напруги в трубі; трубчастий зразок розрізався уздовж і його краї розходилися під впливом залишкових напруг, створених зварним швом.

Залежність, за якою відбувалася зміна зазору з часом володіє такими властивостями: величина зазору постійно зменшується; зменшення зазору відбувається нелінійно: спочатку воно відбувається значно швидше, ніж наприкінці віброобробки; величина зазору наприкінці процесу віброобробки стабілізується на одному рівні і подальші механічні дії на деталь на неї не впливають. Така поведінка деталі під час віброобробки призвела до використання експоненціальної лінії регресії для апроксимації експериментальних точок:

, (13)

де – величина зазору; t – час; – емпіричні коефіцієнти, значення яких забезпечують мінімізацію суми квадратів відхилень експериментальних значень від регресійної моделі.

На комп’ютері формувалися двовимірні масиви, кожний з яких містив у собі дані про протікання процесу віброобробки: у першому стовпці записувалася тривалість віброобробки, а в другому – виміряне за допомогою вимірювальної головки часового типу значення зазору. За допомогою математичного пакета Mathcad здійснювалася апроксимація даних кожного масиву експоненціальною регресійною функцією (13). Процес віброобробки для різних деталей тривав від 60 до 140 хвилин. При цьому спостерігалося зменшення зазору у 1,07 - 1,29 рази.

Експериментальні дослідження ефективності віброобробки полігармонійним сигналом проводилися на трубчастих зразках, виготовлених за таким способом: від досить старої труби діаметром 90 мм і товщиною стінки 6 мм, залишкові механічні напруги після виготовлення якої цілком зняті, відрізалися ділянки довжиною 100 мм, 150 мм, 200 мм; трубчастий зразок розрізався уздовж; за допомогою електрозварювання на рівні середини висоти зразка по кільцю наварювався шов, що створював механічні напруги, розтягуючи трубу. Процес віброобробки для різних деталей тривав від 90 до 130 хвилин. При цьому спостерігалося зменшення зазору для різних деталей у 1,05 - 1,21 рази. Для апроксимації експериментальних даних використовувалися експоненціальні регресійні функції виду (13).

Віброобробка деталі на практиці приводить до стабілізації її розмірів, а відповідно і до зниження залишкових напруг, що утворилися в результаті нерівномірності нагрівання й охолодження. Одночасний вплив на n резонансних частотах складної деталі приводить до скорочення тривалості обробки в n раз у порівнянні з дебалансними електромеханічними системами, що, у свою чергу, веде до зниження витрат енергії.

У п’ятому розділі надаються рекомендації щодо практичного застосування результатів дисертаційної роботи:

1. Розроблена електромеханічна система може бути застосована в машинобудуванні і приладобудуванні для віброобробки як великогабаритних і масивних, так і дрібних металевих деталей, з метою стабілізації їхніх геометричних розмірів і зниження залишкових напруг.

2. Удосконалена електромеханічна система для віброобробки металевих деталей володіє сукупністю технічних, технологічних і антропологічних переваг у порівнянні з базовою електромеханічною дебалансною вібросистемою. Ці переваги на практиці приводять до скорочення тривалості віброобробки і зниження її вартості.

3. При проектуванні електромеханічної вібросистеми варто враховувати ряд особливостей, втілення яких на практиці необхідне для реалізації оптимального способу керування процесом віброобробки.

У додатках наведена методика розрахунку двигуна зворотно-поступальної дії, текст керуючої програми та документи про використання та впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення ефективності, продуктивності і рівня автоматизації віброобробки металевих деталей за рахунок удосконалення електромеханічної системи для її реалізації.

Основні наукові і практичні висновки роботи полягають у наступному:

1. Досліджено ефективність віброобробки металевих деталей силовими діями різної форми. При цьому встановлено співвідношення між коефіцієнтом динамічності й енерговитратами для синусоїдального, прямокутного і дзвіноподібного впливів відповідно . З цього співвідношення випливає, що найбільш оптимальною формою впливу з позиції одержання найбільшого коефіцієнта динамічності при найменших енерговитратах є дзвіноподібна дія. Найбільш енергоємною буде віброобробка прямокутними знакозмінними імпульсами, хоча при цьому і досягається найбільший коефіцієнт динамічності. Синусоїдальний вплив має середні енергетичні показники і коефіцієнт динамічності.

2. Отримано залежність роботи, що виконується електромеханічною системою при віброобробці металевих деталей, від діапазону частот, що є у спектрі сигналу віброобробки. Дослідження цієї залежності привело до розробки енергетично оптимального способу керування електромеханічною системою для віброобробки металевих деталей, що дозволяє знизити витрати на обробку і підвищити її продуктивність. Суть способу полягає у віброобробці деталі одночасно на всіх резонансних частотах з постійним контролем їхнього зсуву в область низьких з метою корекції діючого сигналу.

3. Розроблено нову математичну модель електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей, засновану на теорії електромеханічних аналогій. Модель дозволяє по основних параметрах конкретної системи дати аналітичну оцінку її динамічних властивостей, що особливо важливо при реалізації режиму обробки з “відходом” від резонансу привода, тобто такого інтелектуального режиму роботи привода, при якому він, ведучи обробку на резонансній частоті деталі при її зсуві в область низьких, ніколи не повинен виходити на свою резонансну частоту, щоб не привести до руйнування вібросистеми чи деталі.

4. На базі оптимального способу віброобробки був розроблений і практично реалізований у програмі Vibro алгоритм енергетично оптимального керування електромеханічною системою для віброобробки металевих деталей.

5. Шляхом удосконалення базової структури дебалансної вібросистеми, використовуючи розроблену математичну модель, була розроблена автоматизована електромеханічна система, здатна працювати під керуванням програми Vibro. Як виконавчий орган був обраний електродинамічний лінійний двигун зворотно-поступального руху, а система керування виконана на базі комп'ютера з архітектурою x86, що працює під керуванням операційної системи Microsoft Windows 95 OSR2. Проведені дослідження показали, що така електромеханічна система здатна повторювати форму керуючого впливу по електричній напрузі, перетворюючи його в механічні коливання. У зв’язку з застосуванням нового алгоритму, час тестування деталі був зменшений до 10-20 секунд. Завдяки одночасній обробці деталі, що має n резонансних частот, на всіх резонансних частотах одночасно, тривалість віброобробки скоротилася в n раз у порівнянні з базовим варіантом електромеханічної системи. Відповідним чином скоротилися й енерговитрати. Завдяки постійному контролю за зсувом резонансних частот в область низьких, віброобробка ведеться тільки на резонансних частотах, що зводить непродуктивні витрати на обробку до мінімуму.

6. Система автоматичного керування електромеханічною вібросистемою використовує комп’ютер як у ролі задатчика керуючої дії, так і в ролі комплексу програмних регуляторів. Реалізовано можливість моніторингу процесу віброобробки, протоколювання результатів, ведення активного діалогу з користувачем, у програмі Vibro передбачений ряд захистів по максимальному струмові і віброприскоренню, що дозволяє підняти процес віброобробки на якісно новий рівень автоматизації.

7. Проведено три групи експериментальних іспитів удосконаленої автоматизованої електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей:

- для перевірки адекватності математичної моделі по збігу теоретичної й експериментальної ЛАЧХ електромеханічної системи; при цьому відносна похибка математичної моделі не перевищила ;

- для оцінки процесу віброобробки простих зварних деталей, виконаних у вигляді трубчастих зразків з кільцевим зварним швом і поздовжнім розрізом, гармонійним впливом; у результаті віброобробки розріз сходився на величину від 0,2 до 0,7 мм для різних деталей, що свідчить про зниження залишкових напруг; час обробки склав від 60 до 140 хвилин;

- для оцінки процесу віброобробки складних зварних деталей, виконаних у вигляді партій із трьох трубчастих зразків різної довжини з кільцевим зварним швом і поздовжнім розрізом, полігармонійним впливом; у результаті віброобробки розріз сходився на величину від 0,25 до 0,85 мм для різних партій, що свідчить про зниження залишкових напруг; час обробки склав від 90 до 130 хвилин.

Таким чином, проведені експериментальні дослідження підтвердили адекватність математичної моделі електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей; підтвердили факт зниження залишкових напруг при віброобробці удосконаленою електромеханічною системою; довели переваги удосконаленої електромеханічної системи по скороченню тривалості віброобробки і зниженню її вартості: тривалість обробки складної деталі на всіх резонансних частотах одночасно і простої – на одній резонансній частоті виявилася практично однаковою.

8. Дані рекомендації з практичного застосування, а також по особливостях проектування автоматизованої електромеханічної системи, що реалізує енергетично оптимальний алгоритм, для віброобробки металевих деталей.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦії

1. анкратов А.И., Шеремет А.И. Метод виброобработки поковок для снижения внутренних напряжений // Тематич. зб. наук. пр. Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. – Краматорськ: ДДМА, 2002. – . 214-217.

2. Панкратов А.І., Шеремет О.І. Автоматичний контроль процесу імпульсної віброобробки деталей. // Збірник наукових праць “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. – Т 2. – Хмельницький: Технологічний університет Поділля, 2002. – С. 136-139.

3. еремет А.И., Панкратов А.И. Оценка эффективности вибровоздействия в зависимости от формы сигнала при снятии остаточных напряжений прокатных валков // Сборник научных трудов “Перспективные задачи инженерной науки”. – Выпуск 4. – Днепропетровск: Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры; Приднепровский центр Международной инженерной академии; GAUDEAMUS, 2002. – С. 24-30.

4. Шеремет А.И., Панкратов А.И. К оценке формы сигнала вибровоздействия при снятии остаточных напряжений в деталях с распределенными параметрами // Вісник двигунобудування. – 2003. - №1. - С. 104-108.

5. Пат. 56421 А Україна, МПК C21D1/04. Спосіб автоматичної віброобробки металевих деталей / А.І. Панкратов, О.І. Шеремет (Україна). – №2002043116; Заявлено 16.04.2002; Опубл.15.05.2003, Бюл. № 5. – 3 с.

6. Пат. 63094 А Україна, МПК C21D1/04, C21D10/00. Спосіб автоматичної віброобробки металевих деталей та автоматизована електромеханічна система для його здійснення / А.І. Панкратов, О.І. Шеремет (Україна). – №2002119296; Заявлено 22.11.2002; Опубл.15.01.2004, Бюл. № 1. – 5 с.

7. анкратов А.И., Шеремет А.И. Оценка эффективности вибровоздействия в зависимости от формы сигнала при снятии остаточных напряжений прокатных валков // Зб. матеріалів IV Міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми економії енергії”. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2003. – С. 243-247.

8. еремет А.И., Панкратов А.И. К оценке формы сигнала вибровоздействия при снятии остаточных напряжений в деталях с распределенными параметрами // Тез. докл. Второй международной научно-технической конференции “Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок”. – Запорожье: ЗНТУ, 2002. – С. 32-34.

9. анкратов А.И., Шеремет А.И. Автоматизация процесса релаксационной виброобработки деталей горных машин // Сб. трудов Международной НТК “Горная энергомеханика и автоматика”. – Донецк: ДонНТУ, 2003. – С. 152-157.

Особистий внесок: [1] – запропоновано метод віброобробки поковок для зниження залишкових напруг; [2] – розроблено систему автоматичного керування на базі контролера SIMATIC S7-300 фірми SIEMENS, а також блок-схему алгоритму керування контролером; [3,4,7,8] – розроблено математичну модель процесу віброобробки великогабаритної деталі складної форми, на базі якої встановлено взаємозв’язок між формою вібродії і ефективністю віброобробки; [5] – отримано залежності роботи, що виконується при віброобробці металевих деталей, від частотного спектра сигналу впливу, на основі яких розроблений енергетично оптимальний алгоритм керування електромеханічною системою; [6,9] – розроблена структурна схема та описані основні підсистеми удосконаленої автоматизованої електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей.

АНОТАЦIЯ

Шеремет О.І. Вдосконалення автоматизованої електромеханічної системи для віброобробки металевих деталей. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – електротехнiчнi комплекси та системи. – Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2005.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності, продуктивності і рівня автоматизації віброобробки металевих деталей для релаксації залишкових механічних напруг за рахунок вдосконалення електромеханічної системи для її реалізації.

Розроблена автоматизована електромеханічна система здатна повторювати форму керуючого впливу по електричній напрузі, перетворюючи його в механічні коливання. У зв’язку з застосуванням нового алгоритму, час тестування деталі на наявні резонансні частоти був зменшений. Завдяки одночасній обробці деталі, що має n резонансних частот, на всіх резонансних частотах одночасно, тривалість віброобробки скоротилася в n раз у порівнянні з базовим варіантом електромеханічної системи. Відповідним чином скоротилися й енерговитрати. Завдяки постійному контролю за зсувом резонансних частот в область низьких, віброобробка ведеться тільки на резонансних частотах, що зводить непродуктивні витрати на обробку до мінімуму. Ефективність запропонованого способу віброобробки та переваги електромеханічної системи для його реалізації обґрунтовані теоретично і підтверджені практично. Основні результати роботи впроваджені на машинобудівному підприємстві.

Ключові слова: електромеханічна система, лінійний двигун зворотно-поступальної дії, віброобробка, експеримент, математична модель, резонанс, частотний спектр, механічні напруги.

Аннотация

Шеремет А.И. Совершенствование автоматизированной электромеханической системы для виброобработки металлических деталей. – Рукопись.

иссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы. – Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2005.

Диссертация посвящена повышению эффективности, производительности и уровня автоматизации виброобработки металлических деталей за счет совершенствования электромеханической системы для ее реализации.

Коробление литых и сварных деталей связано с остаточными внутренними напряжениями, возникающими в процессе неравномерного их остывания. Для снижения остаточных напряжений и стабилизации геометрической формы металлических деталей в машиностроении применяется традиционный метод – отжиг, имеющий ряд недостатков, главным из которых является высокая стоимость термообработки и низкий КПД печей.

Для повышения конкурентоспособности, улучшения качества и снижения себестоимости изделий, ведущие машиностроительные предприятия Украины переходят на новые, энергосберегающие технологии. В этой связи, виброобработка является одним из наиболее эффективных, универсальных и экономичных методов снижения остаточных напряжений и стабилизации геометрических размеров металлических деталей.

Известные электромеханические системы для виброобработки обладают рядом существенных недостатков, которые снижают ее эффективность за счет непроизводительных энергозатрат. Кроме того, совершенствование алгоритма управления электромеханической системой для повышения ее эффективности, требует преобразования самой системы.

В процессе выполнения работы решены следующие задачи:

1. Исследована эффективность виброобработки металлических деталей силовыми воздействиями различной формы. Установлено, что наиболее оптимальной формой воздействия с позиции получения наибольшего коэффициента динамичности при наименьших энергозатратах является колоколообразное знакопостоянное воздействие. Наиболее энергоемкой будет виброобработка прямоугольными знакопеременными импульсами, хотя при этом и достигается наибольший коэффициент динамичности. Синусоидальное воздействие имеет средние энергетические показатели и коэффициент динамичности.

2. олучена зависимость работы, совершаемой электромеханической системой при виброобработке металлических деталей, от диапазона частот, присутствующего в спектре сигнала виброобработки. Исследование этой зависимости привело к разработке энергетически оптимального способа управления электромеханической системой для виброобработки металлических деталей, позволяющего снизить затраты на обработку и повысить ее производительность. Суть способа заключается в виброобработке детали одновременно на всех резонансных частотах с постоянным контролем их смещения в область низких с целью коррекции сигнала воздействия.

3. На базе оптимального способа виброобработки был разработан и практически реализован