Symulacyjne badania wpływu zmian prędkości na wale wejściowym na proces regulacji prędkości obrotowej wału wyjściowego regulacji prędkości obrotowej wału wyjściowego

W niniejszym podrozdziale opisano przebieg i wyniki symulacji obrazującej proces regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego podczas zmian wartości prędkości

Rys. 5.23. Symulowany przebieg regulacji prędkości obrotowej przy stałym obciążeniu i zmiennej wartości n_pr

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 5 10 15 20 25

t [s]

n_pr [obr./min.]

n_we [obr./min.]

n_wy [obr./min.]

70 obrotowej wału wejściowego przekładni MR. Symulację przeprowadzono dla stałej wartości obciążenia równej 0,2 Nm. W trakcie symulacji, wartość zadanej prędkości obrotowej zmieniała się skokowo z 400 obr./min. na 600 obr./min., po czym pozostawała stała do końca symulacji. W trakcie symulacji i pracy układu zmieniano prędkość obrotową wału wejściowego tj. silnika napędzającego. Ponieważ jednak zmianie ulegała 𝑛_𝑤𝑒, to trzeba zauważyć, że zmieniał się również stosunek wartości 𝑛_𝑝𝑟 do 𝑛_𝑤𝑒 , co wpływało na proces regulacji.

Przebieg symulacji regulacji prędkości obrotowej wału wyjściowego przekładni MR przy zmieniającej się wartości 𝑛_𝑤𝑒 zaprezentowano na rys. 5.24. Wartość 𝑛_𝑤𝑒 ulegała zmianom w przedziale 680 – 1000 obr./min. według krzywej widocznej na wykresie (brązowa linia trapezowa). Pomimo stałej wartości zadanej 𝑛_𝑝𝑟 = 600 obr./min., stosunek 𝑛_𝑝𝑟 do 𝑛_𝑤𝑒 od pierwszej sekundy do końca symulacji zmieniała się w przedziale 0,6 – 0,88. Jak można zaobserwować na wykresie, w prezentowanym przedziale zmian rozbieżności pomiędzy 𝑛_𝑝𝑟 a 𝑛_𝑤𝑒, regulacja prędkości obrotowej wału wyjściowego przekładni MR przebiegała prawidłowo. Wartość 𝑛_𝑤𝑦 została utrzymana na stałym poziomie równym ok. 600 obr./min.

Niewielkie rozbieżności widoczne w trakcie stanów przejściowych (wzrostu lub spadku 𝑛_𝑤𝑒) wynoszą mniej niż 1% 𝑛_𝑝𝑟.

Rys. 5.24. Symulowany przebieg regulacji prędkości obrotowej 𝑛𝑤𝑦 przy zmiennej wartości prędkości obrotowej wału wejściowego przekładni MR

0 200 400 600 800 1000 1200

0 5 10 15 20 25

t [s]

n_pr [obr./min.]

n_we [obr./min.]

n_wy [obr./min.]

71 5.5. Wnioski

Badania teoretyczne i symulacyjne pracy przekładni magnetoreologicznej oraz możliwości regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego poprzez zastosowanie tej przekładni i układu regulacji przeprowadzono w oparciu o model zbudowany w środowisku MATLAB – SIMULINK. Na wstępie wykonano modele statyczny i dynamiczny pracy przekładni MR. Wykonano symulacje pracy samej przekładni MR, które potwierdziły możliwość płynnej zmiany wartości przenoszonego przez ten element momentu obrotowego.

Pozwoliło to przejść do dalszej części badań symulacyjnych związanych z regulacją pracy przekładni w układzie napęd – obciążenie. Zbudowano model układu wraz z regulatorem typu PID. W modelu tym uwzględniono bezwładność elementów wirujących po stronie wału wyjściowego przekładni oraz bezwładność wirnika napędu. Tak zbudowany model umożliwił wykonanie symulacji pracy oraz regulacji prędkości obrotowej przekładni MR pracującej w układzie napęd – obciążenie, przy pracy statycznej jak i dynamicznej.

Pierwsze symulacje oparte na kompletnym modelu wykonano w celu teoretycznego sprawdzenia możliwości zastosowania przekładni MR w roli mechanicznego bezpiecznika.

Symulacja pokazała, że zaproponowane zastosowanie przekładni MR spełnia postawiony cel zabezpieczając napęd przed niepożądanymi zakłóceniami czy nawet awariami po stronie obciążenia. Dodatkowo, możliwa jest nastawa, za pomocą sygnału elektrycznego, wartości maksymalnego momentu przenoszonego przez przekładnię. W sytuacji awaryjnej następuje stopniowe zatrzymanie wału wyjściowego przekładni MR, przy czym praca napędu nie jest zakłócona. Cały proces jest odwracalny i powtarzalny i nie wpływa negatywnie na pracę samej przekładni MR.

Kolejny etap badań symulacyjnych dotyczył określenia możliwości regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego poprzez zmiany sygnału sterującego przekładnią MR. Symulacje wykonano dla różnych warunków pracy. W pierwszej kolejności przeprowadzono serię badań, w których układ miał za zadanie utrzymać stałą wartość prędkości obrotowej wału wyjściowego przekładni MR 𝑛_𝑤𝑦, która była mniejsza od wartości prędkości obrotowej wału wejściowego 𝑛_𝑤𝑒. Wykonano to dla trzech różnych wartości zadanej prędkości wyjściowej 𝑛_𝑝𝑟 odpowiednio 500 obr./min., 550 obr./min., oraz 600 obr./min. wobec prędkości wału wejściowego 𝑛_𝑤𝑒 będącej na poziomie 700 obr./min.

Obciążenie podczas każdej z symulacji pozostawało niezmienne. Układ we wszystkich przypadkach poprawnie regulował wartość prędkości na wyjściu przekładni MR utrzymując ją na poziomie 𝑛_𝑝𝑟. Po skokowej zmianie wartości 𝑛_𝑝𝑟 na początku każdej symulacji układ

72 powodował uzyskanie żądanej wartości prędkości obrotowej wału wyjściowego przekładni w czasie poniżej 0,2 s.

Kolejnym etapem badań symulacyjnych było sprawdzenie wpływu zmian wartości obciążenia na proces regulacji prędkości obrotowej zespołu napędowego. Badanie wykazało wpływ zmian obciążenia na proces regulacji prędkości 𝑛_𝑤𝑦 w stanach przejściowych (wzrost lub spadek wartości obciążenia). Powodowało to ok. 5% rozbieżności pomiędzy 𝑛_𝑤𝑦 a 𝑛_𝑝𝑟. W stanach ustalonych, pomimo szerokiego zakresu zmian obciążenia (0,2 – 0,4 Nm), regulacja wartości prędkości obrotowej wału wyjściowego przekładni MR przebiegała zgodnie z oczekiwaniami.

Ostatnim etapem badań symulacyjnych było określenie pływu zmiany różnicy (𝑛_𝑝𝑟− 𝑛_𝑤𝑒) na proces regulacji 𝑛_𝑤𝑦. Wykonano to w dwóch etapach. W pierwszym, zmianie ulegała wartość 𝑛_𝑝𝑟 w szerokim zakresie 𝑛_𝑝𝑟 = (22 − 86)% ∙ 𝑛_𝑤𝑒. Zachowano przy tym 𝑛_𝑤𝑒 na poziomie ok. 700 obr./min. oraz stałe obciążenie równe 0,2 Nm. Drugi etap polegał na utrzymaniu stałej wartości 𝑛_𝑝𝑟 podczas gdy 𝑛_𝑤𝑒 ulegało zmianom. Procentowo był to jednak mniejszy zakres zmian w stosunku do 𝑛_𝑝𝑟 i wynosił 𝑛_𝑝𝑟 = (60 − 88)% ∙ 𝑛_𝑤𝑒. Podczas symulacji stwierdzono, iż układ jest w stanie poprawnie regulować prędkość obrotową w szerokim zakresie zmian różnicy (𝑛_𝑝𝑟− 𝑛_𝑤𝑒).

Przeprowadzone badania symulacyjne wykazały nie tylko możliwość regulacji wartości prędkości obrotowej zespołu napędowego poprzez przekładnię MR ale również możliwość płynnej zmiany wartości prędkości obrotowej wału wyjściowego przekładni MR w szerokim zakresie. Podczas symulacji zakres ten wynosił (22 – 86)% wartości 𝑛_𝑤𝑒. Można wobec tego stwierdzić, że urządzenie obrotowe z cieczą MR może pracować jako przekładnia, która umożliwia ustawienie wartości prędkości na wyjściu urządzenia na zadanym poziomie zapewniając płynną regulację. Ze względu na specyfikę pracy tego urządzenia oraz użycie cieczy magnetoreologicznej jako medium umożliwiającego płynną regulacje parametrów pracy, a w szczególności stosunku 𝒏_𝒘𝒚/𝒏_𝒘𝒆, badane urządzenie z cieczą MR może być nazywane przekładnią magnetoreologiczną lub przekładnią MR.

Należy zaznaczyć, że rozważany w niniejszej rozprawie zespół regulacji prędkości może mieć tylko charakter redukujący, tzn. może na wyjściu uzyskiwać tylko prędkości mniejsze od prędkości wejściowej. Badania symulacyjne wykonano tylko dla jednego kierunku ruchu, jednak ze względu na symetrię można przyjąć, że ich wyniki będą obowiązywały dla obu kierunków ruchu.

73 6. BADANIA DOŚWIADCZALNE

6.1. Wstęp

Jednym z głównych celów niniejszej pracy było zbudowanie stanowiska badawczego oraz wykonanie stosownych badań doświadczalnych. Początkowy układ przedmiotowego stanowiska umożliwił wykonanie badań identyfikacyjnych przekładni z cieczą MR.

Następnie, po wykonaniu modyfikacji układu stanowiska, wykonano badania mające na celu weryfikację możliwości zabezpieczających przekładni MR. Kolejnym etapem było dostosowanie stanowiska do możliwości implementacji odpowiedniego układu regulacji, który umożliwił kontrolowane zmiany wartości przenoszonych przez przekładnię momentów, a w konsekwencji także i prędkości obrotowej na wyjściu. Przekładnia MR zamontowana została w układzie napęd – obciążenie i miała za zadanie regulację prędkości obrotowej zespołu napędowego zgodnie z wartością wymaganą tzn. zadaną na wejściu układu regulacji.

Na tak zbudowanym stanowisku wykonano serię badań eksperymentalnych umożliwiających praktyczną weryfikację głównych celów niniejszej pracy.