Підвищення енергоефективності робочого процесу позиційного пневмоприводу оптимізацією процесу гальмування

Abstract

UA: У статті розглянуто підхід до енергозбереження у швидкодіючих позиційних пневмоприводах шляхом відмови від використання демпфуючих пристроїв і стравлювання повітря з вихлопної порожнини в атмосферу. Гальмування поршня відбувається протитиском (зміною комутаційних ситуацій). Метою роботи є оптимізації координат початку та завершення гальмування поршня з метою мінімізації кінцевої швидкості поршня без застосування демпфуючих пристроїв, що дозволяє підвищити енергоефективність пневмосистеми. Методологія включає математичне моделювання перехідних процесів та чисельну оптимізацію, результати якої підтверджують можливість ефективного гальмування у кінцевих 7,5–10% ходу поршня. /// EN: The article presents a comprehensive study aimed at improving the energy efficiency of double-acting pneumatic drives through the optimization of braking coordinates during the final segment of the piston stroke. Traditional pneumatic systems widely rely on internal or external cushioning devices, which reduce impact loads but inevitably release compressed air into the atmosphere, resulting in significant energy losses. To address this limitation, the present research proposes a control strategy based on modifying the commutation scheme between cylinder chambers without using mechanical dampers. The approach enables the piston to decelerate smoothly due solely to controlled redistribution of compressed air. The study integrates mathematical modelling of transient processes with numerical optimization techniques to determine the optimal coordinates for the beginning and end of the braking phase. A nonlinear dynamic model was developed using the equations of thermal balance for open gas cavities, the ideal gas law in differential form, and the dynamic equilibrium equation of the piston. Numerical simulations were performed using a fourth-order Runge–Kutta method. Two optimization strategies were considered: the Nelder–Mead simplex algorithm and a direct exhaustive search. The first method demonstrated limited effectiveness due to the absence of a distinct extremum in the objective function, while the exhaustive search ensured stable convergence and allowed identification of braking coordinates that minimise the final piston velocity. The results show that the most energy-efficient braking occurs when the deceleration phase begins within the last 7.5–10% of the piston stroke and ends approximately within the final 5%. Under these conditions, the terminal velocity decreases to 0.03 m/s, which eliminates piston rebound and impact against the cylinder cap, ensuring smooth motion without the need for a cushioning device. The optimized trajectory shortens the transient time and prevents reverse piston movement, which otherwise reduces energy efficiency. Additionally, the research provides generalized design recommendations that link the braking start point to the cylinder stroke length and supply pressure, enabling engineers to apply the method without repeating numerical simulations. The proposed methodology significantly improves the performance and energy efficiency of pneumatic drives by preventing air discharge during braking and reducing overall compressed-air consumption. The findings can be used at the design stage to select appropriate system parameters and control strategies for industrial pneumatic actuators operating under cyclic loads.