Разработка электропривода системы дозирования связующего материала

 

 

 

 

Направление 140600.62

Кафедра РАПС 

К защите допустить:

Руководитель направления                                               Прокофьев Г.И.

 

ВЫПУСКНАЯ

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРА

 

Тема: Разработка электропривода системы дозирования связующего материала

 

 

 

Студент				/Сульдин И. Я.        /
Руководитель				/Прокофьев Г. И.   /
Зав. кафедрой				/Прокофьев Г.И.    /

 

 

 

Санкт-Петербург

2013   г.

Оглавление

 

Введение 2

1. Анализ системы дозирования связующего материала и разработка электропривода для этой системы 6

1.1. Структура и принцип функционирования системы дозирования 6

1.2. Перистальтический насос 8

1.3. Электропривод 13

1.3.1. Шаговый двигатель 16

1.3.2. Пьезоэлектрический двигатель 17

1.3.3. Расчет параметров электропривода, на основании предположительных данных 19

1.3.4. Допустимая модель шагового электрического привода 20

1.3.5. Допустимая модель пьезоэлектрического двигателя 23

1.3.6. Вывод по электроприводу 25

1.4. Система управления электроприводом 26

1.5. Вывод по анализу системы дозирования СМ 33

2. Экспериментальные  исследования 35

2.1. Описание  проблемы и задачи экспериментальных  исследований 35

2.3. Конструкция  экспериментальной установки 36

2.4. Сценарий  эксперимента 38

2.5. Обработка  результатов эксперимента 45

Заключение 47

Список используемой литературы 50

 

 

 

 

 

Введение

 

Система дозирования СМ – это подсистема рабочего органа (РО), задачей которого является равномерное нанесение заданного количества связующего материала на ленту, составленную из армирующего материала (на единицу массы, длины). Работа направлена на исследование системы дозирования СМ, а также анализ выбора электрического привода (ЭП) для исследуемой системы дозирования СМ. Чтобы поставить технические задачи перед электрическим приводом, необходимо поставить технологическую задачу перед всей системой дозирования СМ, а также определить требования к остальным подсистемам, так как все они взаимосвязаны между собой. Поэтому в работе будет проделан краткий анализ остальных подсистемы системы дозирования СМ.

На рисунке 1 изображен  рабочий орган и рука робота, которая  осуществляет перемещение в пространстве РО с целью формообразования конструкции посредством укладки лент на формообразующую поверхность и друг на друга.

Рисунок. 1. Робот-рука с рабочим органом.

Как уже отмечалось, задачей  РО является формирование в зоне пропитки армирующего материала (АМ) (армирующего  волокна, пропитанного связующим) и  выкладку его на формообразующую  поверхность в виде ленты. Изменение  положения и ориентации РО в пространстве будет осуществляться рукой робота (рис. 1), а система дозирования необходима для подачи СМ в зону пропитки армирующего волокна таким образом, чтобы выкладываемая из АМ лента содержала заданное массовое соотношение связующего и армирующего материала в заданном месте выкладки. Блок управления электроприводом, с помощью электропривода, будет регулировать подачу СМ за счет регулирования скорости вращения  ротора электропривода, а значит и дозатора, вращающаяся часть которого соединена с валом ЭП, в качестве которого выступает перистальтический насос[1].

Таким образом в процессе анализа системы дозирования СМ необходимо:

1. Рассмотреть общий принцип функционирования системы дозирования.
2. Сформулировать технологическую задачу системы дозирования. Опираясь на технологическую задачу, выявить и описать технические задачи каждой подсистемы системы дозирования СМ.
3. Рассмотреть подробно подсистему электрического привода, который является  объектом исследования данной работы. Четко поставить его технические задачи и способы решения этих задач. Рассмотреть подходящие варианты электрических приводов, опираясь на поставленные задачи перед электроприводом для системы дозирования, рассмотреть особенности, достоинства и недостатки рассмотренных вариантов, сделать вывод о целесообразности использования того или иного рассмотренного электропривода.
6. Сделать выводы по проделанной работе, описать трудности и неточности, проявившиеся в ходе исследований и способы их решения, объяснить, с чем они связаны.

 

Таким образом, можно сказать, что система дозирования имеет  свою специфическую структуру, которую  необходимо предварительно исследовать  и  как одно целое, и как набор  подсистем, прежде чем рассмотреть  только одну ее подсистему - электрический  привод, который является объектом исследований этой работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Анализ  системы дозирования связующего материала и разработка электропривода для этой системы

1. Структура и принцип функционирования системы дозирования

 

Система дозирования - это  одна из основных составляющих разрабатываемого рабочего органа (РО), которая осуществляет и контролирует подачу связующего материала (СМ) в зону пропитки.

Разрабатываемую систему  дозирования можно рассмотреть, как набор взаимосвязанных между  собой подсистем. В общем случае можно представить 3 такие подсистемы:

1. Дозатор СМ;
2. Электрический привод;
3. Блок управления электроприводом;
4. Накопитель СМ.

 

Примечание: на основании теоретических исследований по достоинствам и недостаткам дозаторов, проведенных Радюш М.С. в НИР: «Исследование существующих способов дозирования и поиск средств реализации дозирования связующего материала» [1], можно предположить, что наилучшим устройством дозированной подачи СМ из накопителя СМ в зону пропитки является перистальтический насос (ПН), поэтому далее он используется в анализе системы дозирования СМ.

 

Рассмотрим технологический  процесс системы дозирования на основе взаимодействия этих подсистем:

 

 

 

 
Рисунок 2. Система дозирования с накопителем СМ.

 

На рис. 2 изображена условная конструкция системы дозирования с накопителем СМ, где 1-перистальтический насос, 2,3-корпус в котором находятся электропривод и блок управления электроприводом, 4-накопитель СМ, 5-поршни накопителей СМ.

 

Общий процесс функционирования системы дозирования СМ можно  описать следующим образом: из цилиндров, являющихся накопителями СМ, с помощью  нагнетания, предположим, воздуха  на поршни[1], связующий материал подается в трубку перистальтического насоса, чтобы уменьшить нагрузку на электрический  привод, уменьшив или же вовсе его избавив от развития необходимого момента. Далее блок управления электроприводом, согласно заранее разработанной и поступающей извне программы в него, подает соответствующие сигналы электроприводу, ротор электрического двигателя начинает вращаться с заданной скоростью, и, в свою очередь, приводит во вращение с той же скоростью вращающуюся часть перистальтического насоса, которая прикреплена к валу ЭП. Прижимные ролики ПН, пережимая его трубку и вращаясь , осуществляют перенос СМ по трубке перистальтического насоса. Так начинает осуществляться подача СМ по трубке перистальтического насоса в зону пропитки. Регулируя с помощью блока управления электроприводом скорость вращения ЭП, регулируется подача СМ в зону пропитки. Так осуществляется дозирование СМ.

Таким образом, рассматривая систему дозирования СМ с точки зрения технологического процесса, необходимо решить четыре основные задачи:

1. Доставить СМ из места хранения в зону пропитки к армирующему волокну, из которых и будет формироваться выкладываемая рабочим органом (РО) армирующая лента.
2. Осуществить точную и программную подачу СМ в зону пропитки, чтобы выкладываемая лента была однообразной, без формообразующих изъянов, и программируемой консистенции.
3. Обеспечить минимальную массу системы дозирования СМ, из-за ограниченной грузоподъемности руки робота (12кг) [4], и минимальные габаритны, т.к. конструкция РО подразумевает ограниченные размеры [5].
4. Система дозирования должна подстраиваться под скорость выкладки армирующего материала, т.е. должна быть регулируемой в процессе функционирования.

 

Чтобы решить задачи, поставленные перед всей системой пропитки СМ, необходимо определить и решить технические задачи перед каждой ее подсистемой в отдельности. Поэтому далее будет проведен краткий анализ всех элементов системы дозирования СМ и определены их основные задачи. В особенности это касается электрического привода, который является основным исследуемым объектом этой работы.

2. Перистальтический насос

 

Перистальтический насос  – дозатор, в котором  в качестве дозирующего элемента используются эластичные трубки.

 

Рисунок 3. Конструкция перистальтического насоса.

Ролики подпружинены, и  их давление на трубку регулируется. Когда  второй валик подходит к концу  паза, первый ролик прижимает трубку и отсекает дозу. Подача (расход) жидкости зависит от внутреннего диаметра трубки, от числа оборотов и от давления роликов. На дозаторе нет клапанов и кранов. Жидкость соприкасается только с материалом трубки. Для правильной эксплуатации большое значение имеет выбор зазора между роликами и корпусом, который должен равняться двукратной толщине стенки эластичного шланга. Если зазор больше, то падает производительность насоса, если зазор мал, то быстро изнашивается шланг [2]. Зазор в нашем случае регулируется перемещением роликов на вращающейся части перистальтического насоса.

Основным недостатком перистальтических насосов является низкий ресурс работы эластичного шланга, который подвергается многократным циклическим деформациям со стороны выжимных элементов при работе насоса. Ресурс работы шланга определяется стойкостью его материала к воздействию выжимных элементов и перекачиваемой среды, а также условиями его нагрузки, которые зависят от конструкции насоса. На рынке существует огромное многообразие шлангов, для выбора устраивающего нас шланга необходимо определить наиболее важные характеристики (гибкость, прочность, рабочее давление, температура и даже прозрачность).

Поэтому для компенсации  этого недостатка в конструкции  перистальтического насоса должна быть возможность простой замены эластичного  шланга.

При этом перистальтический  насос имеет ряд преимуществ перед другими типами насосов:

• Простота конструкции и обслуживания;
• Герметичность;
• Отсутствие клапанов, отсутствие контакта перекачиваемого вещества с движущимися частями насоса;
• Стабильная работа с высоковязкими средами;
• Возможность реверсивной работы, в том числе с целью самоочистки [3].

Под точностью перистальтического насоса понимается подача заданного  объема связующего материала в зону пропитки на каждом интервале времени (по длине ленты). Точность ПН определяется количеством роликов, толщиной трубки. Чем больше роликов и тоньше трубка, тем точнее подача СМ, т.к. объем подаваемого материала определяется объемом материала в трубке насоса между роликами, таким образом, чем меньше этот объем, тем точнее подача, а этот объем тем меньше чем больше роликов и тоньше трубка, однако уменьшается объем подаваемого связующего материала (рис. 3) [3].

Под равномерностью понимают подачу заданного объема СМ в каждый момент времени из трубки перистальтического насоса. Чем больше роликов, тем менее равномерный поток СМ (рис. 3) [3].

 

Рисунок 3. Графики зависимости коэффициента неравномерности (правый) и подачи насоса от количества роликов.

 

Где, δ_н-коэффициент неравномерности, Q-подача (объем подаваемой СМ в единицу времени), n_рол-количество роликов.

 

Таким образом, чтобы выполнить  задачи, поставленные перед системой дозирования СМ, необходимо сформулировать и рассмотреть возможные варианты решения задач перед перистальтическим насосом и выбрать из них оптимальный вариант. А задачи, стоящие перед дозатором СМ следующие:

• В объемах, определяемых следящей системой, заложенной в блоке управления, и регулируемых с помощью электропривода, подавать СМ в зону пропитки.
• Добиться высокого ресурса всех элементов перистальтического насоса, в особенности его слабого места – эластичного шланга. Найти или разработать конструкцию с простой заменой его элементов по мере износа.
• Добиться габаритов перистальтического насоса, подходящих для отведенного ему пространства в РО.
• Разработать надежную конструкцию перистальтического насоса, предусматривающую контроль изоляции трубок перистальтического насоса, т.к. утечка СМ может привести и поломке всего РО.