О формировании нагрузочных устройств для мехатронных систем

Строительное, дорожное, горное, нефтегазодобывающее производства включают большой комплекс разнообразных работ и технологических процессов. Несмотря на их различия и сложившиеся проектные традиции часть модулей и систем можно считать типовыми, группируя их по функциональному или конструктивному принципу. В области станкои роботостроения выделение отдельных модулей (управляющих, энергетических и т. п.), их унификация и систематизация развиты достаточно полно. Разработкой обобщенных структурных схем и систематизацией функциональных механизмов в области технологических строительных и дорожных машин занимались Д. П. Волков, В. Я. Крикун, К. К. Шестопалов, В. И. Баловнев, В. И. Брауде, Л. А. Хмара и другие ученые. Аналогичные работы в области горного производства проводили В. И. Солод, А. О. Спиваковский, Л. И. Кантович, Г. Ш. Хазанович, А. Н. Дровников, Г. М. Водяник и другие. О. П. Гуджояном, В. И. Коноплянко и другими систематизированы тандемно-сочлененные агрегаты независимо от их технологического назначения.

Внедрение в структуру мехатронных систем механизмов с замкнутым кинематическим контуром требует их систематизации, обоснования области рационального применения, унификации основных модулей на основе структурной аналогии как устойчивой упорядоченности элементов и связей функциональных устройств. В инженерной практике используются различные системы представления структур, в том числе с замкнутыми контурами, например, в виде топологической сети, графовой модели, модифицированных структурных изображений, условных изображений и т. д. Оригинальная система обозначения систематизации в виде каталогов разработана К. Ротом. Непосредственно для строительных, дорожных, горных и других технологических машин А. Н. Дровниковым, В. С. Исаковым была предложена обобщенная модель [1,2], позволяющая разрабатывать функциональные механизмы с напряженным замкнутым контуром.

Отдельные блоки, соединенные между собой механическими, гидравлическими или иными связями обеспечивают вариативность и произвольное количество контуров наслоения. Разработанный на этой основе метод синтеза типовых структур позволяет получить принципиально новые технические решения. Однако вопрос о размещении нагрузочных устройств и их формировании в соответствии с характером технологического процесса рассматривался лишь частично.

Конструктивно замыкание контура можно производить силовым или геометрическим способом. Силовое замыкание может носить избирательный или временный характер, а также непрерывный или постоянный. Некоторые исследователи, например, С. Н. Кожевников, А. И. Соловьев, О. Г. Озол, А. Н. Дровников, С. Н. Кузнецов и другие отмечают структурные, кинематические и динамические связи, распространяя эти понятия на нагрузочные устройства. Нагружатель с фрикционными элементами управления для испытательных стендов, работающих по замкнутой схеме, рассмотрен Д. П. Волковым и А. Ф. Крайневым. В соответствии с целевой функцией предложенная ими классификация включает три группы нагружателей: обеспечивающие непрерывное нагружение, непрерывное реверсивное и переменное реверсивное. кинематический мехатронный контур модуль Принципиальные схемы нагрузочных элементов представлены в работах Э. А. Сухарева, Ш. Г. Гойхмана, Г. К. Трубина, М. М. Хрущева, В. Н. Кудрявцева и других авторов. В частности, рассмотрены механические, гидравлические, электромагнитные и пневматические нагрузочные элементы. Наиболее распространенными являются механические: зубчатые осевого и радиального смещения, муфтовые, рычажно-винтовые и т. д. Данные конструктивные решения могут быть использованы при синтезе вариантов, когда закон нагружения уже определен. Присутствие объекта обработки и изменение структуры механизма в ходе технологического процесса вносит вариативность в закон нагружения. Основываясь на методике синтеза типовых структур механизмов с замкнутым напряженным контуром [1] в схему можно внести следующие дополнения.

Источником энергии любой мехатронной системы или её функционального механизма является привод (электрический, гидравлический и т. д.), обозначенный на схеме ПРД_О. При этом предполагается возможная установка дополнительного привода для осуществления транспортного процесса ПРД_О. Учитывая, что многие технологические машины имеют дополнительные приводы, модель предполагает их установку внутри самого контура (ПРД₁; ПТД₁; ПРД₂; ПТД₂;…). Элементы А'; А''; …, В'; В'';… образовывают N групп элементов R (A); R (B); …; R (N), соединенных между собой соответствующими механическими, гидравлическими, либо иными связями (;;; …; ;;; …; ;…) и нагрузочными устройствами;. Замыкание кинематической цепи может происходить через объекты обработки (промежуточные тела), обозначенные на схеме Q и Z. Каждая группа R (A); R (B); …; R (N) может быть составлена из гомогенных элементов в рамках одного блока. Группы различных блоков могут включать гетерогенные элементы.

Расширение возможностей по установке нагрузочных устройств по сравнению с ранее предложенными моделями позволяет синтезировать принципиально новые схемы функциональных механизмов. Если для исполнительных механизмов технологических машин достаточно иметь дискретно регулируемые нагрузочные устройства, то для энергосберегающих и энергонакопительных модулей характерны жесткие (индифферентные) нагружатели, фрикционные (предельной нагрузки), саморегулируемые (адаптивные), мехатронные (управляемые и интеллектуальные).

Синтез функциональных механизмов с нагружателями первых двух типов уже описан авторами в работах [3,4].

В качестве группы R (A) использована цепная передача с винтовой стяжкой и дополнительным гидравлическим приводом ПРД₁.

Одно из колес зубчатого зацепления R (B) жестко соединено с ножом, который воздействует на объект обработки Z, закрепленный на колесе В''. В период саморегулирования напряжение в контуре А'-В'-В''-А''-А' отсутствует. При включении привода ПРД_О крутящий момент через звездочку А', фрикционную муфту, колесо В' передается на нож. По другой ветви — через звездочку А', цепь со стяжкой, звездочку А'' - на колесо В'' с объектом обработки Z.

В зависимости от величины крутящего момента, необходимого для первой резки, муфта включает промежуточный привод ПРД₁, который в свою очередь затягивает винтовую стяжку. Таким образом, по окончании процесса саморегулирования в контуре А'-В'-В''-А''-А' создается предварительное натяжение, пропорциональное усилию резания. В дальнейшем, например при затуплении ножа, муфта может повторно включить привод ПРД₁ с целью увеличения предварительного напряжения замкнутого контура.

В период основной работы на холостом ходу, т. е. объект Z отсутствует, происходит замыкание контура А'-В'-В''-А''-А'. При соприкосновении ножа с объектом обработки возникает дополнительный контур А'-В'—Z-В''-А''-А'. Связь х_вв ослабевает и постепенно заменяется связями х_вz и x_zв. Наибольший эффект от использования предварительно напряженного замкнутого контура достигается, когда при максимальном усилии резания связь х_ВВ полностью разъединяется, т. е. усилие между зубьями колес В' и В'' равно нулю. В этом случае все предварительное напряжение контура передается через нож и объект обработки Z. При окончании резания связи х_вz и x_zв разрываются. Замкнутость контура обеспечивает связь х_вв, величина предварительного напряжения внутри контура остается постоянной.

Апробация разработанной схемы осуществлена на экспериментальном стенде. При исследовании установлено, что рациональная величина предварительного напряжения контура не является постоянной для материалов с различными физическими свойствами.

Поэтому при формировании нагрузочных устройств должна быть предусмотрена возможность саморегулирования или адаптации напряжения в контуре в соответствии с объектом обработки. Предложенная структурная модель позволяет осуществить последовательный синтез различных функциональных механизмов с напряженным замкнутым контуром и нагрузочных устройств, начиная со структурной и кинематической схем и заканчивая конструктивным решением. Кроме этого, позволяет перейти к созданию каталога структурных, кинематических и принципиальных схем нагружателей для мехатронных технологических систем.

• 1. Механизмы с силовым замыканием контура / В. С. Исаков, А. Н. Дровников, С. А. Кузнецов и др. Новочерк.политехн.ин-т. — Новочеркасск, 1991. — 141 с. — Деп. в ВИНИТИ 24.06.91. № 2621-В91.
• 2. Исаков В. С. О формировании структур замкнутых напряженных гидромеханических контуров // Изв. вузов Сев.-Кавк.регион. Спец. Вып. Актуальные проблемы машиностроения. -2006. — С.81−88.
• 3. Энергосберегающие и энергонакопительные тормозные системы горных, строительных и подъемно-транспортных машин и использованием замкнутых кинематических контуров / А. Н. Дровников, В. С. Исаков, В. Д. Ерейский и др. // Горное оборудование и электромеханика. № 10 — 2007. — С.29−35.
• 4. Исаков В. С. Об использовании напряженных замкнутых кинематических контуров в строительном оборудовании // Тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Интерстроймех — 2001». — СПб: Изд-во СПбГТУ, 2001. — С.291−293.