Трансмембранный перенос

Рисунок 3.4.1 - Окно программы КОМПАС для подбора пружины

Результаты расчета пружины приводятся в окне программы изображенного на рис. 3.4.2.

Рисунок 3.4.2 - Окно результата подбора пружины

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	35

3.5. Расчет направляющих

Согласно расчетной схеме установка совершает перемещения по одной координате (вертикально), однако переменная сила инерции, возникающая при вращении дебаланса, действует также горизонтальном направлении. Для ограничения перемещения рабочего органа установки в боковых направлениях, были предложены направляющие. Направляющими называют устройства, обеспечивающие заданное относительное движение элементов механизма. В данном случае будет использоваться направляющие для поступательного движения. К рассчитываемым направляющим предъявляют следующие требования: обеспечение плавности перемещения,

незначительность силы трения, большой ресурс работы, износостойкость,

способность к перемещению при резких перепадах температуры.

В зависимости от вида трения различают направляющие с трением скольжения и качения. Вследствие значительных скоростей перемещения подвижных частей установки при процессе колебания целесообразно использовать направляющие с трением скольжения закрытого типа (Рис.

3.5.1).

1

2

3

4

Рисунок 3.5.1 - Вид сопряжения: 1 – шпилька-ползун; 2 – пружина;

3 - направляющая; подвижная часть устройства

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	36

Направляющая 3 жестко связана с подвижной платформой 4, на которой установлен двигатель с дебалансом, под действие переменной силы инерции платформа, подвешенная на пружинах 2, начинает перемещаться вдоль неподвижных шпилек 1. В качестве материала для направляющей примем бронзу (БрОФ10-1), шпильки изготовим из стали 40.

При конструировании направляющих возможно появление перекоса,

который зависит от длины L между направляющими и плеча h приложения движущей силы F и ее направления, что приводит к заклиниванию. Если сила F приложена к ползуну на плече h параллельно направлению перемещения, то она создает момент M = Fh, уравновешиваемый моментом пары сил, образованных реакциями Fr в опорах (Рис 3.5.2):

Рисунок 3.5.2 - Расчетная схема сопряжения Уравнение равновесия ползуна имеет вид:

Fh Fr L , [6]

Откуда реакции в опорах равны:

Fr FhL .

Полная сила трения равна:

	Fr	2FTP	2Fr f	2Fhf	,
				L

ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

Лист

37

1 , 2

где FTP — сила трения в одной направляющей; f — коэффициент трения скольжения.

Заклинивания не будет при условии FT F , т.е.

hfL 12 .

Однако, для обеспечения плавности хода, малого износа рабочих поверхностей и отсутствия заклинивания необходимо выполнять следующие рекомендации для направляющих цилиндрической формы:

hfL 0.25 .

Подставив значения (h=58 мм, f=0.10 (для сопряжения сталь-бронза))

определим минимально-допустимую длину направляющей:

L	hf		58 0.1	23.2
min	0.25	0.25

Примем длину равную 24 мм.

Для обеспечения относительного перемещения шпильки и направляющей назначим посадку с гарантированным зазором H7/e8.

Для проверки правильности выбора посадки и класса точности сопрягаемых деталей направляющих проводят проверочный расчет по формуле:

D1 (1 1 (t t0 )) D2 (1 2 (t t0 )) [6]

где — минимальный зазор при данной температуре, мм;

D1 - наименьший при данном допуске диаметр охватывающей детали, (6

мм);

D2 — наибольший при данном допуске диаметр (или линейный размер)

охватываемой детали,(5.975 мм); to и t — соответственно начальная и конечная температура(20°С и 50°С), град; — - коэффициенты линейного расширения материалов сопрягаемых деталей(18.10-6 – для бронзы, 12.10-6 - для стали). Подставим значения:

6(1 18 10 6 (50 20)) 5.975(1 12 10 6 (50 20)) ;

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	38

0.02609 0

Так как 0 то посадка считается допустимой [6]

Рабочие поверхности направляющих проверяют на ограничение

давления:

P FAr P ,

где Fr — нормальная сила в точке соприкосновения трущихся поверхностей, Н; А — площадь соприкосновения, мм2; [Р] — допускаемое давление [Р] = З..4 МПа. Нормальную силу определим по формуле:

F 2F		2F f	2Fhf		2 3 58 0.1	1.45 H
r	TP	r	L	24

Определим площадь соприкосновения:

A 2b d 2 1.5 6 56.5 мм2

Тогда:

P 1.4556.5 0.026 P .

Все условия выполняются, следовательно, расчет направляющих

произведен верно.

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	39

4. Система автоматического управления электроприводом установки

4.1 Функциональная схема САУ

Функциональная схема САУ приведена на рис. 4.1.

ИП Х*

Вход

4

У	Регулят	выход
		U	1
M			2
	ω		3
	m

cy by

Рисунок 4.1 - Схема САУ: 1 – электродвигатель; 2 – дебаланс; 3 – корпус установки; 4 – датчик обратной связи.

В данной системе автоматического управления регулируемой величиной является частота вращения дебаланса, а задающим воздействием напряжение питания. САУ имеет следующий алгоритм работы: управляющий сигнал X*

от источника питания поступает на дифференциальный усилитель(У). На его выходе формируется напряжение питания, которое корректируется блоком регулятора и поступает на клеммы электродвигателя постоянного тока. В

результате вал электродвигателя 1 начинает вращаться с угловой скоростью. Цифровой датчик Холла 4 формирует импульсное напряжение,

характеризующее частоту вращения дебаланса 2. Далее это напряжение подается на дифференциальный усилитель, осуществляя таким образом отрицательную обратную связь (ООС). Дифференциальный усилитель представляет собой компаратор, в котором реализуется операция

U (X UOC ) K , где К – коэффициент усиления данного усилителя.

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	40

4.2 Структурная схема САУ

Структурная схема представлена на рис. 4.2.

W3 W4 W1

W2

Рисунок 4.2 - Структурная схема системы управления

W1 – передаточная функция объекта управления - электродвигателя постоянного тока;

W2 – передаточная функция чувствительного элемента;

W3 – передаточная функция усилителя;

W4 – передаточная функция регулятора.

	Лист
ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	41
Изм. Лист № докум. Подпись Дата

и CM -

4.3 Определение передаточных функций САУ

Определим передаточную функцию электродвигателя.

Динамика двигателя постоянного тока описывается двумя дифференциальными уравнениями, определяющими равновесие э.д.с. в цепи якоря:

L dtdi Ri CE u ,

И равновесие моментов на валу двигателя:

CM i J d M . dt

В этих уравнениях: u – напряжение питания якоря, CE

коэффициенты пропорциональности между обратной э.д.с. и скоростью вращения и между вращающим моментом и током якоря i , J -

приведенный к оси двигателя суммарный момент инерции, L и R –

индуктивность и сопротивление цепи якоря.

Переходя в обоих уравнениях к операторной форме записи и решая их совместно, получим передаточную функцию двигателя постоянного тока при управлении напряжением якоря как отношение изображений скорости

двигателя и напряжения якоря:

W ( p)

1

1

, [1]

C

E

1 T

р Т

Я

Т

M

р2

M

где

JR

0

-

электромеханическая постоянная времени

Т M

СE См

J M 0

двигателя, Т Я

R

- электромагнитная постоянная времени якорной цепи,

0

L

и M 0 - скорость холостого хода и пусковой момент двигателя.

Для данного двигателя значения постоянных времени:

Тм = 0,35; Tя = 10-3 Се = 2

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	42

С учетом приведенных значений передаточная функция электродвигателя
примет вид:
W ( p) 1				1		,
1	2	1 0.35 р 35 10 5 р2
Передаточную функцию чувствительного элемента примем равную единице:
W2 ( p) k1 1.
Передаточная функция дифференциального усилителя:
W3 ( p) k2 2 .
Тогда передаточная функция разомкнутой системы:
W0 ( p) W1 ( p) W2 ( p) W3					( p)		1		.
					0.0035 р2 0.35 р				1
Передаточная функция замкнутой системы:
W0 ( p)		Wpc ( p)					1	.
		W		( p)W ( p)
	1		pc		0.0035 p2 0.35 p 2
				oc
				Рисунок 4.3.1 - Структурная схема САУ в MATLAB
									1
									2
	Рисунок 4.3.2 - Переходная функция САУ: 1 – входное воздействие; 2 -
							переходная функция
	Полученная переходная функция не удовлетворяет условиям, заданным
в техническом задании, т. к. статическая ошибка составляет 50%										поэтому
необходимо				использовать			ПИД-регулятор, коэффициенты			которого
подбираются экспериментальным методом.
											Лист
Изм. Лист	№ докум.			Подпись Дата			ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ				43

4.4 Корректировка САУ

С использованием NCD блока (дополнительная функция MATLAB)

подберем коэффициенты PID регулятора, тем самым добьемся необходимых параметров переходной характеристики системы.

Рисунок 4.4.1 - Структурная схема разомкнутой системы с PID-регулятором.

Рисунок 4.4.2 - Переходная функция разомкнутой системы в NCD блоке.

Найденные коэффициенты PI-регулятора: kp =3,46

ki =10

Рисунок 4.4.3 - Структурная схема САУ с ПИ-регулятором.

		Лист
Изм. Лист № докум. Подпись Дата	ВКР- 220200-08.КИТП-0.00.00.ПЗ	44