Экспериментальный комплект оборудования для изучения автоколебательных систем

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКТ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Ушаков Л.С., Юрьев ДА., Кравченко В.А.

Орловский государственный технический университет

Работа большего класса механических систем характеризуется колеба­ тельными движениями функциональных элементов, среди которых распро­ страненными являются автоколебательные системы.

В качестве примеров автоколебаний в механических системах можно от­ метить движение поршня в паровой машине или в двигателе внутреннего сгорания, колебания рабочих органов в пневмоинструментах, колебания ма­ ятника в часах, колебания резцов, фрикционные колебания и др.

Свойство автоколебаний - независимость амплитуды от начальных усло­ вийявляется весьма характерным их признаком.. Другая типичная черта ав­ токолебаний заключается в следующем: во всякой автоколебательной систе­ ме происходит компенсация потерь за счет какого-то источника энергии, и поэтому в автоколебательной системе непременно должен существовать та­ кой источник энергии, причем, так как мы рассматриваем случай автономной системы, т.е. системы, на которую не действуют силы, явно зависящие от времени, то и источник энергии должен создавать силу, которая сама по себе не является заданной функцией времени, а определяется самой системой. Та­ ким образом, автоколебательная система представляет собой устройство, ко­ торое из постоянного источника энергии периодически черпает известные порции энергии, т.е. за счет непериодического источника энергии создает периодический процесс. С точки зрения этого определения сразу видно, что, например, паровая машина является автоколебательной системой [1].

Способ компенсации расхода энергии является наиболее характерным свойством автоколебательной системы, по которому большей частью и рас-

. познаются эти системы в отличие от систем диссипативных, или систем, со­ вершающих вынужденные колебания под действием периодических возму­ щающих сил. Таким же характерным свойством автоколебательной системы является наличие в ее конструктивной схеме следующих четырех частей:

-постоянный (неколебательный) источник энергии;

-колебательная система;

-устройство, регулирующее поступления в колебательную систему энергии из источника энергии;

-обратная связь между колебательной системой и регулирующим уст­ ройством, осуществляющая управление дозировкой подачи энергии в колеба­ тельную систему [2].

210

Автоколебательные процессы используются во многих типах машин, где часть энергии элемента конструкции, совершающего возвратнопоступательные движения, передается в процессе удара промежуточному или исполнительному устройству, так как в этом случае виброударные движения являются единственно возможными по условиям технологического процесса. Таковы, например, всевозможные молоты, виброотбойный инструмент, пневмоударники, машины для виброударных испытаний системы так назы­ ваемой циклической автоматики и т.п., используемые в строительной, горной, металлургической и других отраслях промышленности.

В последние годы к числу автоколебательных отнесены системы (устрой­ ства) преобразующие непрерывный поток рабочей жидкости в возвратнопоступательные движения функциональных элементов, которые в конце хода соударяются с различными ограничителями (буфером, волноводом, хвосто­ виком породоразрушающего инструмента и др.). На основе использования таких гидравлических импульсных систем созданы машины ударного дейст­ вия для разрушения крепких горных пород, прочных конструкционных мате­ риалов, рыхления мерзлых и тяжелых грунтов, обработки заготовок и т.д.[3].

Исходя из актуальности проблемы применения в отечественной промыш­ ленности машин ударного действия и другой техники, использующей в своих функциональных устройствавх автоколебательные системы, возникает по­ требность в профессиональном ориентировании системы подготовки специа­ листов с высшим, средним техническим и профессиональным образованием на обслуживание этой проблемы. Изучение в высших и средних технических учебных заведениях автоколебательных систем ограничивается, в основном, рассмотрением теоретических аспектов проблемы, в то время как промыш­ ленность, нуждается в специалистах, способных не только рассчитывать, но и проектировать, изготавливать, эксплуатировать и обслуживать такие систе­ мы. В России, на сегодняшний день, отсутствуют учебные комплекты обору­ дования, позволяющие демонстрировать принцип действия гидравлических автоколебательных систем с ударными взаимодействиями функциональных элементов и проводить лабораторные работы с использованием современных средств визуализации информации.

В Государственном общеобразовательном стандарте высшего и среднего специального образования по специальностям энергетического, машино­ строительного, горного, металлургического, строительно-дорожного и др. профилей предусмотрено изучение принципов действия, методов расчета, проектирования и эксплуатации гидравлических и пневматических машин. Число вузов, в которых изучаются вышеперечисленные дисциплины, насчи­ тывается свыше 50, число техникумов — свыше 100. Приборы же и установ­ ки, включенные в существующий отечественный перечень учебной техники, позволяют изучать только отдельные аспекты функционирования гидропнев-

211

матических импульсных приводов, причем без учета энергетических факто­ ров и эффектов, связанных с циклическим характером работы, ударным взаимодействием подвижных элементов, сопутствующим действием волно­ вых процессов, и вибрации т.е. тех процессов, которые имеют место в широ­ ко применяемых на практике машинах и оборудовании и значительно влияют на их работоспособность.

Вышеизложенное обуславливает актуальность и практическую необходи­ мость включения в выше упомянутые учебные курсы соответствующих лабо­ раторных работ по изучению ударных автоколебательных систем с различ­ ными принципами и схемами автоматического управления и контроля. Такой лабораторный практикум может быть рекомендован к использованию при

., изучении дисциплин: "Динамика машин", "Гидропневмопривод и автомати­ ка", "Расчет и конструирование машин ударного действия", "Горные маши­ ны", "Строительно-дорожные машины", "Экспериментальная механика", "Механика разрушения" и др. Для профильных вузов также является акту­ альной задача обеспечения кадрового сопровождения процесса широкого внедрения в промышленности машин, работа которых основывается на ис­ пользовании автоколебательных систем (в т.ч. гидравлических ударных).

Разработанный в ОрелГТУ учебный автоматизированный комплект обо­ рудования ДПМ-1 состоит из следующих функциональных подсистем: энер­ гетической, механической, гидравлической, управляющей, диагностики и визуализации информации посредством ЭВМ. Комплект оборудования имеет напольно-настольное исполнение, соответствует требованиям, предъявляе­ мым к учебному оборудованию.

Комплект оборудования предназначен для изучения, с применением со­ временных средств диагностики и визуализации информации, автоколеба­ тельных систем, принцип действия которых основан на преобразовании не­ прерывного потока гидравлической энергии в возвратно-поступательные движения функциональных элементов. Комплект может также использовать­ ся для проведения научно-исследовательских работ в области динамики ма­ шин, изучения автоколебательных процессов, гидравлических приводов и механизмов ударного действия.

Комплект оборудования эксплуатируется в помещении при температуре от +10°С до +35°С, относительной влажности воздуха до 80% при температу­

212

Внешний вид стенда представлен на рисунке 1.

Рис.1. Стенд для изучения автоколебательных процессов ДПМ-1.

Комплект оборудования выполнен в напольном исполнении и представля­ ет собой разборную конструкцию, которая состоит из двух секций: силовой и измерительно-регистрирующей.

Силовая секция состоит из сварного каркаса 9 с закрепленной на нем па­ нелью управления 6. На верхней части каркаса расположена панель с закреп-

213

ленными на ней гидроцилиндром подачи 8 и генератором автоколебаний (устройством ударного действия) 4. Генератор автоколебаний 4 волноводом 7 упирается в шток гидроцилиндра подачи 8. Внутри рабочей секции располо­ жена насосная станция (на рисунке не показана). Генератор автоколебатель­ ных процессов 4 и цилиндр подачи 8 соединены с насосной станцией посред­ ством рукавов высокого давления (РВД). На панели управления 6 расположе­ на гидроаппаратура, необходимая для проведения экспериментов (распреде­ литель, напорный клапан, редукционный клапан, манометр, дроссели и т.д.).

Измерительно-регистрирующая секция 1 состоит из несущего сварного каркаса и размещенного в нем контрольно-измерительного блока 2 на базе ЭВМ. Измерение давления рабочей жидкости в гидросистеме осуществляется датчиками 5 типа КРТ, соединенными с рабочими полостями генератора ав­ токолебаний, поршневой полостью цилиндра подачи, а также с напорной и сливной магистралями. Информация об изменении давления в силовой им­ пульсной системе передается в контрольно-измерительный блок.

Генератор автоколебательных процессов представляет собой поршневую гидравлическую машину ударного действия с плунжер'но-золотниковым рас­ пределителем.

На рис. 2 представлена характерная осциллограмма процесса (изменение давления в напорной магистрали) при работе генератора автоколебаний.

X

Рис.2. Осциллограмма процесса

Стенд для изучения автоколебательных процессов ДПМ-1 демонстриро­ вался на Всероссийской выставке "Современная образовательная среда" про­ ходящей в Москве на ВВЦ с 1 по 4 ноября 2002 года. Стенд отмечен дипло­ мом ВВЦ.

2 1 4