Машиностроение и компьютерные технологии. 2018; : 13-30
Пневмомускул: тепломассообмен в цилиндрической мембране
https://doi.org/10.24108/0718.0001413Аннотация
Пневмомускул является пневмодвигателем возвратно-поступательного движения одностороннего действия и предназначен для создания тянущего усилия. Возврат пневмомускула в исходное положение обеспечивается упругой деформацией его оболочки. Основой пневмомускула является цилиндрическая мембрана с жестким дном и крышкой. Корд мембраны формируется в процессе перекрестного винтообразного плетения нитей из сверхтвердого синтетического волокна (например, кевлара). После заливки корда эластомером образуется прочная, деформируемая и упругая оболочка. При подаче во внутреннюю полость мембраны избыточного давления, в ромбовидной ячейке, образующейся в результате плетения нитей корда, происходит удлинение касательной диагонали и одновременное укорачивание осевой диагонали. На примере структуры корда пневмомускулов серии MAS фирмы «FESTO» исследована деформация ромбовидной ячейки мембраны и установлены численные связи между величиной сокращения пневмомускула, внутренним диаметром мембраны и объемом ее внутренней полости пневмомускула, что позволило разработать математическую модель идеализированной цилиндрической мембраны, в динамике которой не учитывается усилие деформации эластомера, заполняющего ромбовидную ячейку... В работе показано, что используемая в пневмомускуле цилиндрическая мембрана должна рассматриваться как термодинамическая система с полным или частичным тепломассообменом. Рассмотрены особенности использования пневмомускула в технических системах в их связи с видом термодинамического процесса. Изучение особенностей движения воздуха в дросселирующих отверстиях устройств регулирования и управления, а также изменения состояния сжатого воздуха в процессе тепломассообмена, позволили оценить длительность переходного процесса в пневмомускуле, работающем в составе пневматической системы позиционирования нагрузки. Результаты выполненных исследований расширяют возможности прогнозирования динамики пневмомускула на этапе проектирования пневматической системы управления, а также в процессе ее эксплуатации.
Список литературы
1. Эластичные механизмы и конструкции / В.Н. Шихирин и др. Иркутск: Изд-во Иркут. гос. техн. ун-та, 2006. 287 с.
2. Pneumatic artificial muscles: actuators for robotics and automation. Режим доступа: http://lucy.vub.ac.be/publications/ Daerden_Lefeber_EJMEE.pdf (дата обращения 10.10.2018).
3. Iancu A., Filip V. Experimental studies regarding the behavior of a mechanical system with pneumatic muscle driven by compressed air // The Scientific Bull. of Valahia Univ. Materials and Mechanics. 2011. No. 6 (year 9). Pp. 160-167.
4. Колесникова Е.Г., Савинская Е.А., Умнов В.И. Гибкие приводы в робототехнике // Молодежный вестник Иркутского гос. техн. ун-та (ИрГТУ). Машиностроение и механика. 2012. № 1. С. 1-8.
5. Szepe T., Sarosi J. Model based open looped position control of PAM actuator // IEEE 8th Intern. symp. on intelligent systems and informatics (Subotica, Serbia, Sept. 10-11, 2010): Proc. N.Y.: IEEE, 2010. Pp. 607-609. DOI: 10.1109/SISY.2010.5647177
6. Пильгунов В.Н., Ефремова К.Д. Пневмомускул: физика, характеристики, применение // Гидравлика: электрон. журн. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2017. № 3. С. 8-24.
7. Ефремова К.Д., Пильгунов В.Н. Технические средства пневмоавтоматики: пневмомускул // Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 10. С. 36-56. DOI: 10.24108/1017.0001315
8. Ferraresi C., Franco W., Bertetto A.M. Flexible pneumatic actuators: a comparison between the McKibben and straight fiber muscles // J. of Robotics and Mechatronics (JRM). 2001. Vol. 13. No. 1. Pp. 56-63. DOI: 10.20965.jrm.2001.p0056
9. Sarosi J., Fabulya Z. New function approximation for the force generated by fluidic muscle // Annals of Faculty of Engineering Hunedoara - Intern. J. of Engineering. 2012. T. 10. Fasc. 2. Pp. 105-110.
10. Ефремова К.Д., Пильгунов В.Н. Пневмомускул: геометрия цилиндрической мембраны и прогнозирование силовых характеристик // Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 3. С. 20-34. DOI: 10.24108/0318.0001377
11. Каталог продукции фирмы «Festo». Режим доступа: https://www.festo.com/cat/RU_RU/products (дата обращения 10.10.2018).
12. Ефремова К.Д., Пильгунов В.Н. Линейный позиционер на базе пневмомускула // Изв. МГТУ МАМИ. 2018. № 2(36). С.16-29.
13. Нагорный В.С., Денисов А.А. Устройства автоматики гидро- и пневмосистем: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1991. 367 с.
14. Теплотехника: учебник / А.М. Архаров и др.; под общ. ред. А.М. Архарова, В.Н. Афанасьева. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 712 с.
15. Ефремова К.Д., Пильгунов В.Н. К вопросу проектирования следящих пневмоприводов // Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 3. С. 37-64. DOI: 10.7463/0317.0000972
Mechanical Engineering and Computer Science. 2018; : 13-30
Pneumatic Muscle: Heat and Mass Transfer in the Cylindrical Membrane
https://doi.org/10.24108/0718.0001413Abstract
A pneumatic muscle is a one-way reciprocating air motor. It is designed to create a pulling force. The pneumatic muscle return to its initial position is ensured by a reversible strain of its shell. The pneumatic muscle is based on the cylindrical membrane with a rigid bottom and a cover. The membrane cord is formed during the process of cross-spiral weaving from the super-hard synthetic fibers (for example, Kevlar). After the cord has been filled with an elastomer, a strong, deformable and elastic shell is formed. When an overpressure is provided to the internal cavity of the membrane, in a diamond-shaped cell that is formed as a result of weaving cord threads, the tangential diagonal is lengthened and the axial diagonal is shortened simultaneously. Using the pneumatic muscle cord structure of the MAS series produced by FESTO company as an example, we studied a strain of the diamond-shaped cell of the membrane and found the numerical relationships between the value of the pneumatic muscle contraction, the inner diameter of the membrane and the volume of its internal cavity of the pneumatic muscle, which allowed us to develop a mathematical model of an idealized cylindrical membrane in the dynamics of which the strain force of the elastomer that fills the diamond-shaped cell was not taken into account. The paper shows that the cylindrical membrane used in the pneumatic muscle should be considered as a thermodynamic system with full or partial heat and mass transfer. Also discusses the special aspects of using pneumatic muscles in engineering systems as applied to the type of a thermodynamic process. The study of the air movement features in throttling openings of control and management devices, as well as the changes in the state of compressed air during heat and mass transfer allowed us to estimate a length of the transient process in the pneumatic muscle that works as part of the pneumatic load positioning system. The results of the performed studies expand opportunities for predicting the pneumatic muscle dynamics at the design stage of the pneumatic control system, as well as during its operation.
References
1. Elastichnye mekhanizmy i konstruktsii / V.N. Shikhirin i dr. Irkutsk: Izd-vo Irkut. gos. tekhn. un-ta, 2006. 287 s.
2. Pneumatic artificial muscles: actuators for robotics and automation. Rezhim dostupa: http://lucy.vub.ac.be/publications/ Daerden_Lefeber_EJMEE.pdf (data obrashcheniya 10.10.2018).
3. Iancu A., Filip V. Experimental studies regarding the behavior of a mechanical system with pneumatic muscle driven by compressed air // The Scientific Bull. of Valahia Univ. Materials and Mechanics. 2011. No. 6 (year 9). Pp. 160-167.
4. Kolesnikova E.G., Savinskaya E.A., Umnov V.I. Gibkie privody v robototekhnike // Molodezhnyi vestnik Irkutskogo gos. tekhn. un-ta (IrGTU). Mashinostroenie i mekhanika. 2012. № 1. S. 1-8.
5. Szepe T., Sarosi J. Model based open looped position control of PAM actuator // IEEE 8th Intern. symp. on intelligent systems and informatics (Subotica, Serbia, Sept. 10-11, 2010): Proc. N.Y.: IEEE, 2010. Pp. 607-609. DOI: 10.1109/SISY.2010.5647177
6. Pil'gunov V.N., Efremova K.D. Pnevmomuskul: fizika, kharakteristiki, primenenie // Gidravlika: elektron. zhurn. MGTU im. N.E. Baumana. 2017. № 3. S. 8-24.
7. Efremova K.D., Pil'gunov V.N. Tekhnicheskie sredstva pnevmoavtomatiki: pnevmomuskul // Mashinostroenie i komp'yuternye tekhnologii. 2017. № 10. S. 36-56. DOI: 10.24108/1017.0001315
8. Ferraresi C., Franco W., Bertetto A.M. Flexible pneumatic actuators: a comparison between the McKibben and straight fiber muscles // J. of Robotics and Mechatronics (JRM). 2001. Vol. 13. No. 1. Pp. 56-63. DOI: 10.20965.jrm.2001.p0056
9. Sarosi J., Fabulya Z. New function approximation for the force generated by fluidic muscle // Annals of Faculty of Engineering Hunedoara - Intern. J. of Engineering. 2012. T. 10. Fasc. 2. Pp. 105-110.
10. Efremova K.D., Pil'gunov V.N. Pnevmomuskul: geometriya tsilindricheskoi membrany i prognozirovanie silovykh kharakteristik // Mashinostroenie i komp'yuternye tekhnologii. 2018. № 3. S. 20-34. DOI: 10.24108/0318.0001377
11. Katalog produktsii firmy «Festo». Rezhim dostupa: https://www.festo.com/cat/RU_RU/products (data obrashcheniya 10.10.2018).
12. Efremova K.D., Pil'gunov V.N. Lineinyi pozitsioner na baze pnevmomuskula // Izv. MGTU MAMI. 2018. № 2(36). S.16-29.
13. Nagornyi V.S., Denisov A.A. Ustroistva avtomatiki gidro- i pnevmosistem: ucheb. posobie. M.: Vyssh. shk., 1991. 367 s.
14. Teplotekhnika: uchebnik / A.M. Arkharov i dr.; pod obshch. red. A.M. Arkharova, V.N. Afanas'eva. 2-e izd. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2004. 712 s.
15. Efremova K.D., Pil'gunov V.N. K voprosu proektirovaniya sledyashchikh pnevmoprivodov // Mashinostroenie i komp'yuternye tekhnologii. 2017. № 3. S. 37-64. DOI: 10.7463/0317.0000972
