Методологічні основи проектування аксіально-поршневих гідромашин високого технічного рівня

Показано неоднозначний вплив кута нахилу на осьові розміри ЦПГ. При заданих радіальних розмірах БЦ збільшення кута нахилу викликає збільшення ходу поршня, але при цьому викликає зменшення раціональної довжини циліндра і товщини донної частини. Запропоновано осьові розміри ЦПГ визначати при порівнянні діапазону раціональних значень довжини циліндра із відповідним ходом поршня. При цьому необхідно виконувати умову для відносного ходу поршня . З розгляду взаємозв'язку кінематики АПГ з умовами рівної міцності небезпечних перерізів БЦ і раціональної жорсткості циліндрів визначений оптимальний діапазон відносного ходу поршня

, (9)

де - відносний хід поршня, , - мінімальний і максимальний відносний хід поршня.

Аналіз цих умов з урахуванням відносних параметрів є основою аналітичного вибору раціональних значень осьових розмірів ЦПГ гідромашини. Значення відносних параметрів, при яких відповідають мінімально припустимій довжині ЦПГ.

Проаналізовано вплив кута нахилу блоку на радіальні й осьові розміри АПГ. Встановлені кути нахилу БЦ у залежності від типу АПГ та числа поршнів, які забезпечують її мінімальні радіальні й осьові габаритні розміри. Довжина ЦПГ гідромашини з похилим диском у відносних параметрах:

, (10)

а проекція довжини ЦПГ на вісь гідромашини з похилим БЦ в відносних параметрах:

. (11)

Відносний параметр проекції довжини ЦПГ гідромашини з похилим диском

, (12)

для гідромашини з похилим БЦ

при ,

при .

При цьому позначено і , де

, ,

і - коефіцієнти довжини циліндра і товщини донної частини БЦ .

Залежність для АПГ з похилим БЦ відносного параметра осьового розміру ЦПГ від кута нахилу і коефіцієнта концентрації напруг.

Значення кутів нахилу БЦ або диска для забезпечення мінімальних осьових габаритів визначені в результаті аналізу залежностей відносного параметра осьового розміру ЦПГ. В результаті встановлено, що найменші значення відносного параметра при числі поршнів відповідають коефіцієнту концентрації напруг і куту нахилу БЦ , при числі поршнів - , при числі поршнів - , при числі поршнів - . Методика вибору геометричних параметрів ЦПГ по відносним параметрам була застосована при розробці дослідних зразків гідромашини 310.25.10.37. Для оцінки рівня отриманих результатів виконано порівняльний аналіз габаритів типорозмірного ряду серії АПГ A2F з габаритами гідромашин, отриманих при розрахунках за відносними параметрами. Результати порівняння габаритів АПГ із похилим БЦ, аналіз яких дає підстави стверджувати, що розроблена методика вибору геометричних розмірів ЦПГ по відносним параметрам дозволяє аналітично обґрунтувати габаритні розміри АПГ, які на практиці визначають технічний рівень.

Таким чином, розроблена методика вибору раціональних конструктивних розмірів ЦПГ за відносними параметрами дозволяє при проектних розрахунках визначати мінімальні габарити КВ із системного розгляду умов кінематики, рівноміцності БЦ та раціональної жорсткості циліндрів. Досліджено вплив на радіальні та вісьові габаритні розміри ЦПГ основних параметрів: кількості циліндрів, кута нахилу та припустимого коефіцієнта концентрації напруг матеріалу БЦ. Визначені параметри при яких забезпечуються міні-мальні розміри ЦПГ.

У четвертому розділі розроблена математична модель для дослідження впливу ха-рактеристик міцності матеріалів і НДС БЦ на довговічність КВ, що лімітується його втомленою міцністю. Руйнування деталей КВ від втоми більш небезпечні для АПГ тому що, приводять до раптових відмов, які служать причиною виникнення аварійних ситуацій при ушкодженні або поломках інших деталей.

Оцінку довговічності БЦ запропоновано виконувати в три етапи: визначення характеристик втоми матеріалу БЦ; дослідження НДС в небезпечних перерізах БЦ, з метою виявлення зон максимальних циклічних напруг; розрахунок на довговічність при базовому числі циклів навантажень.

Фізичне моделювання втомленої міцності БЦ виконано на зразках матеріалів з яких він виготовлений. Експериментально визначені характеристики втоми сплавів на основі міді, з яких виготовляють БЦ. Визначення границь витривалості зразків із бронзи БрО12 в умовах постачання, після поверхневого пластичного зміцнення (ППЗ), після гідропресування (ГП) з різнім ступенем стиснення та наступною термообробкою, а також зразків із двох марок антифрикційних кремнисто-марганцевих латуней виконувалися відповідно зі стандартними методиками на базі випробувань 100 млн. циклів навантажень.

Для визначення циклічних напруг у небезпечних зонах БЦ визначені розрахункові залежності для знаходження радіальних, осьових і окружних напруг у перетинах перемички. Математична модель ЦПГ дозволила розглянути НДС БЦ з метою знаходження небезпечних зон, де діють максимальні циклічні напруги. В обраній системі координат на перемички між циліндрами в зоні іі мінімальної товщини діють: радіальні напруги , які пропорційні прогинам , вісьові напруги , які пропорційні згинним моментам в перерізах балки та окружні напруги , які відповідають по довжині циліндра епюрі тиску. Встановлені залежності для аналітичного визначення циклічних напруг у небезпечних зонах БЦ, де має місце складний НДС. Для пластичних матеріалів, які однаково працюють на розтяження та стиск, у випадку складного НДС, еквіваленті напруги визначені по 4-ій теорії міцності за критерієм питомої потенційної енергії формозміни, які називають інтенсивністю напруг.

Для небезпечних зон БЦ інтенсивність напруг визначена у вигляді

, (13)

де відносну інтенсивність напруг для перемички між циліндрами БЦ знайдено за залежністю

, (14)

де , ,

.

Результати розрахунків , , і в БЦ АПГ типу 210.25. З аналізу отриманих залежностей встановлено, що для розглянутої конструкції БЦ максимальна відносна інтенсивність напруг в перемичках БЦ знаходиться у зоні донної частини та зумовлена максимальними відносними осьовими напругами розтяження , які породжуються переходом циліндрів у тверду в радіальному напрямку донну частину.

Для оцінки довговічності деталей, крім виявлення небезпечних зон необхідно визначити циклограму напруг, тобто сукупність послідовних значень перемінних напруг за один період процесу їхньої зміни. Для розглянутої конструкції БЦ виконано розрахунок циклограми коефіцієнтів інтенсивності напруг у небезпечній точці перетину - у зоні мінімальної товщини перемичок між циліндрами в донної частині БЦ. Нагромадження ушкоджень від втоми зв'язано з протіканням циклічних пластичних деформацій, тому умови міцності при перемінних навантаженнях і складному напруженому стані мають аналогічні умови за критеріями міцності з заміною напруг на їх амплітудні значення.

Характеристики втоми досліджених сплавів на основі міді отримані для симетричного знакозмінного циклу навантаження з коефіцієнтом асиметрії . Аналіз НДС БЦ, показав, що при його навантаженні має місце віднульовій цикл із коефіцієнтом асиметрії . Напруги втоми матеріалів для віднульового циклу отримані розрахунковим методом з урахуванням діаграми граничних напруг по лінійній залежності Ц. Зоденберга. Для забезпечення довговічності БЦ при базовому числі 100 млн. циклів навантажень у небезпечному перерізі необхідно виконати умову:

. (15)

З урахуванням розрахунку відносної інтенсивності напруг у небезпечних зонах БЦ за формулою (13) номінальний тиск з умови довговічності блоку визначається за залеж-ністю:

. (16)

Результати розрахунків номінального тиску КВ АПГ 210.25 за умови забезпечення втомленої міцності БЦ для різних сплавів на основі міді представлені в таблиці 1. В результаті розрахунку на втомлену міцність БЦ АПГ типу 210.25, визначені значення номінального тиску гідромашин із блоками, виготовленими з різних матеріалів. Для БЦ, які виготовлені з бронзи БрО12, аналітично отримані значення номінального тиску, які добре погоджуються з результатами випробувань натурних зразків на втому. Визначені рівні номінального тиску, які можна досягти при використанні сплавів на основі міді і застосуванні різних технологічних операцій по зміцненню матеріалів. При зміцненні бронзи БрО12 за рахунок ППЗ номінальний тиск можна підвищити на 18...25%, а при ГП заготівок з наступною термообробкою номінальний тиск можна підвищити в 1,6...1,9 разів. Застосування антифрикційної латуні дозволяє досягнути рівня номінального тиску 39...41 МПа. Тобто, застосування антифрикційних матеріалів для БЦ дозволяє за без-печити робочий тиск АПГ відповідний показникам сучасного технічного рівня.

Характеристики втоми легованих та середньовуглецевих сталей, що застосовують для складених та композитних конструкцій БЦ широко представлені в довідковій літературі. Дослід-ження й одержання характеристик вто-ми для інших сталей також не представляє утруднень, тому що їхня межа втоми визначається за стандартними методиками на базі випробувань 10 млн. циклів навантажень.

Таблиця 1. Межі витривалості матеріалів та номінальний тиск АПГ 210.25 за критерієм втомленої міцності монометаличних БЦ

Матеріал БЦ	МПа	, МПа	, МПа
Латунь ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1	230 140	296 209	57 41
Латунь ЛМцКН 61-7-3-1,5	200 130	278 203	54 39
Бронза БрО12	120…140 70…80	144…165 101…115	28…32 20…22
Бронза БрО12 зміцнена ППЗ	170 125	183 135	35 26
Бронза БрО12 ГП =30%	200 142	262 186	50 36

Примітка. В чисельнику значення без врахування концентраторів напруг, в знаменнику з урахуванням максимальних концентраторів напруг.

Розроблена математична модель ЦПГ дозволила досліджувати вплив параметрів ЦПГ на довговічність БЦ. Найбільш небезпечними зонами для БЦ за умови його втомленої міцності є перемички між циліндрами в місцях їх мінімальної товщини. Максимальні коефіцієнти інтенсивності напруг у перетинах перемички між циліндрами при положенні поршня у верхній мертвій точці

, (17)

де - коефіцієнт піддатливості перемички, - коефіцієнт моменту опору перетину на згин, у формулі позначення і , які визначаються з рішення рівняння (1); знак при осьовому згинальному моменті в перемичці застосовується для зон розтяження і стиску відповідно. Залежності параметрів для рівноміцних БЦ від відносного радіуса центрів циліндрів при їх кількості = 5;7;9 і 11. Аналіз отриманих результатів показав, що при будь-якому числі циліндрів зі збільшенням відносного радіуса розташування циліндрів параметри зменшуються. Отже, це забезпечує зниження коефіцієнтів інтенсивності напруг і підвищення номінального тиску. Зі збільшенням числа циліндрів параметр збільшується, а параметр зменшується. Це свідчить що, зі збільшенням числа циліндрів знижується інтенсивність напруг у донної частини циліндрів, але збільшується в середній частині циліндрів. Останню обставину необхідно враховувати при виборі осьових розмірів КУ.

Розроблена методика розрахунку БЦ на довговічність впроваджена при створенні конструкцій КВ АПГ нової серії 400 на ЗАТ „Будгідравліка” з рівнями тиску: номінальний = 32 МПа, максимальний =42 МПа. При впровадженні способу виготовлення біметалічних БЦ була обґрунтована товщина антифрикційних покрить циліндрів КВ гідромашин серії 400 з розрахунку БЦ на міцність і довговічність. Таким чином, методика дозволяє виконати проектні розрахунки ЦПГ на довговічність, які лімітуються втомою для будь-якої конструкції БЦ.

У п'ятому розділі досліджено вплив деформацій деталей ЦПГ на втрати потужності. Закономірності зміни втрат потужності та ККД гідромашини впливають на її технічний рівень та ефективність. Важливим напрямком удосконалення і розвитку конструкцій АПГ є підвищення та стабілізація ККД у широкому діапазоні параметрів. У теорії подоби роторних гідромашин, яка була розроблена В.В. Мішке та В.М. Прокоф'євим, а пізніше експериментально перевірена В. Вильсоном і Дж. Ритгофом, втрати потужності апроксимуються втратами потужності в еквівалентних щілинах з постійною величиною еквівалентних зазорів. Тобто, в проектних розрахунках втрат потужності гідромашин приймають припущення про абсолютну жорсткість деталей КВ. Такі допущення приводять до того, що при сучас-них рівнях тиску неможливо підібрати значення еквівалентних зазорів для серії геомет-рично подібних поршневих гідромашин, для яких значення коефіцієнтів втрат потужності були б однаковими. Крім того, для серії геометрично подібних гідромашин конфігурації універсальних характеристик і режими найбільших значень ККД істотно залежать від їх робочих обємів. Ці невідповідності призвели до того, що теорія подоби ефективно застосується для аналізу втрат потужності з використанням експериментально знайдених характеристик гідромашин, тобто для їх перевірочних розрахунків. Розрахунки деформацій деталей ЦПГ при сучасних рівнях робочого тиску показу-ють, що вони за величиною досягають технологічних зазорів. Облік деформаційних зазо-рів деталей ЦПГ дозволяє оцінити вплив їх геометричних параметрів на втрати потуж-ності в КВ, а також підвищити точність енергетичних розрахунків АПГ.

Розроблена математична модель застосовані для дослідження впливу деформацій БЦ на об'ємні втрати, на втрати потужності на рідинне тертя а також на сумарні втрати потужності в ЦПГ АПГ. Рух рідини постійної в'язкості в щілинах поршневих гідромашин описують рівняннями Навьє-Стокса (без інерційного члена) і нерозривності. Їх рішення дозволяє знайти витрати рідини через кільцеву щілину між поршнем і циліндром. Витоки в ЦПГ залежать від її кінематичних параметрів, кутового положення БЦ і з обліком сумарного радіального зазору в ЦПГ, та визначаються у вигляді

 , (18)

де - коефіцієнт збільшення витоків з урахуванням перекосів і ексцентричного положення поршня в циліндрі, - динамічна в'язкість робочої рідини, - сумарний радіальний зазор у -тій ЦПГ, - довжина кільцевої щілини в -тій ЦПГ, - коефіцієнт кута повороту -го циліндра.

Сумарний радіальний зазор визначається у вигляді суми

, (19)

де - деформаційний, технологічний і температурний зазори відповідно.

Деформаційний зазор в ЦПГ визначається в місці розташування дна поршня по залежності (2), тобто

. (20)

Витрати потужності в ЦПГ на витоки робочої рідини, визначені по залежності

. (21)

Розраховані втрати потужності на витоки в ЦПГ гідромашини 210.25. Встановлено суттєвий вплив деформацій БЦ на втрати потужності в ЦПГ, що викликані витоками робочої рідини.

При максимальному технологічному зазорі, для розглянутого КВ витрати по-тужності в ЦПГ від витоків у 1,5…1,6 ра-зи більше, ніж при мінімальному. Зі збіль-шенням тиску в АПГ від 10 до 25 МПа, тобто в 2,5 рази втрати потужності в ЦПГ на витоки рідини збільшуються у 9...10 раз. При цьому більші значення збіль-шення втрат потужності в ЦПГ на витоки при підвищенні тиску відповідають мен-шим технологічним зазорам. Тобто, не врахування деформацій БЦ при розра-хунках витрат потужності призводить до погрішності в 40...60%. Аналіз залежності (21) показав, що складові витоків по циліндрах розподілені нерівномірно.

Для поршня, що знаходиться в зоні верхньої мертвої точки, витоки досягають 47...52% від сумарних витоків по всіх поршнях, а для поршня, що знаходиться в зоні нижньої мертвої точки, витоки складають лише 10...14%. Це обумовлюється тим, що при положенні поршня у верхній мертвій точки мінімальна довжина кільцевої щілини і максимальні деформаційні зазори. З підвищенням тиску нерівномірність розподілу витоків по поршнях збільшується. Зі збільшенням довжини ущільнювальної частини поршня витоки зменшуються, але спостерігається і протилежний ефект - збільшується навантаження на стінки циліндра від дії тиску в щілинному зазорі, що призводить до збільшення деформаційних зазорів і збільшенню витоків.

Для дослідження впливу довжини кільцевої щілини між поршнем і циліндром, а саме довжини циліндра та ущільнювальної частини поршня розглянуто коефіцієнт збільшення витоків у вигляді

, (22)

де - витоки в ЦПГ за один оборот вала в залежності від довжини циліндра і довжини ущільнювальної частини поршня, - витоки в ЦПГ за один оборот вала при вихідних розмірах.

. (23)

Визначено, що при фіксованій довжині ци-ліндра існує гранична довжина ущільнювальної частини поршня, подальше збільшення якої не призводить до зниження витоків з ЦПГ. Встановлено, що для розглянутого КВ витоки з ЦПГ не збільшуються при зменшенні довжини ущільнювальної частини поршня вдвічі. При фіксованій довжині ущільнювальної частини поршня та зміні довжини циліндра витоки в ЦПГ також досягають деякої постійної величини, яка не залежить від довжини циліндра. Тобто, деформаційні зазори мають постійні значення, які відповідають нескінченій довжині циліндрів. Застосування методики розрахунку енергетичних витрат при розробці КВ дослідного зразка гідромашини 310.25.10.37 зі збільшеним кутом нахилу БЦ дозволило рекомендувати зменшити довжину ущільнювальної частини поршнів вдвічі в порівнянні із серійними КВ.

Деталі КВ гідромашини 310.25. 10.37: рівноміцний БЦ та поршні з малою довжиною ущільнювальної частини.

Втрати потужності на рідинне тертя в ЦПГ з урахування деформаційних зазорів визначені у вигляді

(24)

де - сила рідинного тертя в ЦПГ , - швидкість поршня щодо циліндра.

При прийнятті допущень про нестисливість і постійну в'язкість робочої рідини, та про відсутність її сил інерції і ламінарному режимі руху рідини в зазорі, сила рідинного тертя визначається у виді:

(25)

де - коефіцієнт втрат на рідинне тертя в ЦПГ.

Цей коефіцієнт в залежності від питомого сумарного зазору в ЦПГ визначається у вигляді функції . Встановлено, що найбільший вплив на втрати потужності на рідинне тертя виявляють технологічні зазори. Менший вплив на ці витрати робить тиск в циліндрах, при підвищенні якого втрати на рідинне тертя зменшуються. Розглянута залежність відносних втрат потужності на рідинне тертя в ЦПГ для АПГ 210.25 та встановлено, що складові втрат на рідинне тертя по циліндрах розподілені нерівномірно. Мінімальні відносні втрати потужності на рідинне тертя - для поршнів, що знаходяться в зонах мертвих точок, у яких втрати потужності дорівнюють нулю. Максимальні відносні втрати потужності в одному циліндрі - від 25% до 35% сумарних втрат - досягаються в положеннях, коли поршні знаходяться в середині робочого ходу при досягненні максимальної швидкості.

Визначені сумарні втрати потужності в ЦПГ і встановлено, що на величину середніх й амплітудних значень втрат потужності найбільший вплив виявляє величина робочого тиску. Втрати потужності на рідинне тертя в ЦПГ зменшують вплив технологічних зазорів на втрати потужності на витоки.

Таким чином у розділі розроблена методика визначення втрат потужності в ЦПГ з урахуванням деформаційних зазорів, що дозволяє при проектних розрахунках АПГ оцінити її енергетичну ефективність, а також вибрати раціональні розміри ЦПГ за умови мінімальних витрат потужності.

У шостому розділі проаналізовані основні способи та параметри гідравлічного розвантаження ЦПГ та розроблена його математична модель. Гідравлічне розвантаження це підвищення міцності, жорсткості та довговічності ЦПГ за рахунок прикладення на зовнішню поверхню БЦ тиску робочої рідини. Перевагою способу є те, що навантаження на зовнішню поверхню БЦ змінне та залежить від тиску в циліндрах і положення в них поршнів.

Виконано аналіз різних конструкцій ЦПГ з гідравлічним розвантаженням і показано, що підвищення його ефективності забезпечується за рахунок вибору раціонального місця розміщення порожнин розвантаження, нової форми або конструкції бандажної гільзи. Створені автором способи гідравлічного розвантаження БЦ, які дозволяють застосовувати для виготовлення БЦ антифрикційні матеріали з відносно невисокими характеристиками міцності, але забезпечують КВ високу гідроерозійну стійкість, зносостійкість, теплопровідність та підвищують енергетичну ефективність.

Без сумнівною перевагою гідравлічного розвантаження є збереження розміру і форми зазору в ЦПГ при підвищенні робочого тиску, що стабілізує та підвищує ККД і довговічність АПГ. Визначені основні конструктивні параметри порожнин гідравлічного розвантаження та виконано математичне моделювання ЦПГ з гідравлічним розвантаженням. Радіальні деформації циліндрів визначаються у вигляді

, (26)

де - радіальні деформації циліндрів від дії тиску робочої рідини, - радіальні деформації циліндрів від дії гідравлічного розвантаження.

, (27)

де визначаються з урахуванням функцій навантаження від дії тиску гідравлічного розвантаження в порожнинах.

(28)

де - параметр навантаження БЦ при гідравлічному розвантаженні, - розрахунковий тиск у гідролінії нагнітання, - безрозмірна координата початку порожнини розвантаження, - коефіцієнт положення каналів, що залежить від способу подачі тиску в порожнину гідравлічного розвантаження і довжини ущільнювальної частини поршнів.

Проведено розрахунки відносної радіальної деформації циліндрів при різних способах гідравлічного розвантаження ЦПГ гідромашини 210.25. На рис. 10 показані результати розрахунків - залежності радіальних деформацій від кута повороту БЦ при довжині ущільнювальної частини поршня при подачі тиску в порожнину гідравлічного розвантаження з циліндра.

Встановлено, що зі збільшенням кута нахилу КУ і довжини ущільнювальної частини підвищується ефективність гідравлічного розвантаження. При подачі тиску розвантаження з циліндрів і при довжині ущільнювальної частини поршнів , максимальні радіальні деформації циліндрів зменшаються в 2...7 разів. У цьому випадку найбільший ефект гідравлічного розвантаження радіальних деформацій досягається для зниження максимальних деформацій, що виникають у середній частині по довжині циліндрів і в їхній вхідній частині.

При подачі тиску розвантаження з циліндрів і довжині ущільнювальної частини поршня максимальні радіальні деформації циліндрів зменшуються в 2,4...3,4 рази. Найбільший ефект гідравлічного розвантаження радіальних деформацій досягається в цьому випадку при куті нахилу КВ для зниження максимальних деформацій, що виникають у середній частині по довжині циліндрів і в їх донній частини. При подачі тиску розвантаження з торцевої поверхні БЦ і довжині ущільнювальної частини поршнів , рівень зниження максимальних радіальних деформацій залежить від значень коефіцієнтів торцевого розвантаження. Більше зниження радіальних деформацій при торцевому гідравлічному розвантаженні досягається в донній частини циліндрів.

Таким чином, у даному розділі удосконалені способи гідравлічного розвантаження ЦПГ, та розроблена методика розрахунку, що дозволяє виконати оцінку зміни основних параметрів гідромашини: тиску, довговічності, енергетичної ефективності при застосуванні різних способів гідравлічного розвантаження ЦПГ.

У сьомому розділі розглянуті питання створення і дослідження АПГ із похилим БЦ і конічним регулюванням робочого обєму. У традиційних конструкціях регульованих АПГ із похилим БЦ - люлечного або тримотного типу - кут між віссю вала і віссю блоку змінюється в одній площині розміщення вісей вала і БЦ. Через це характеристика регулювання залежить тільки від кута нахилу БЦ. Проаналізовані головні недоліки для регульованих АПГ із похилим БЦ люлечної та тримотної конструкції, які сьогодні обмежують підвищення їх технічного рівня.

Розроблено та досліджено новий спосіб регулювання робочого обсягу АПГ із похилим БЦ, який усуває більшість з недоліків традиційних схем регулювання. Спосіб регулювання полягає в тому, що зміна кута між вісями вала і блоку здійснюється шляхом повороту вісі обертання БЦ по уявлюваній поверхні конуса, вісь якого проходить через точку перетинання осей вала та блоку й утворює з віссю останнього гострий кут.

Розроблені та запатентовані конструкції АПГ із конічним регулюванням, в яких вперше забезпечуються: змінні характеристики регулювання, реверсування, як при мінімальному так і максимальному кутах нахилу КВ, можливість реверсування потоку при оптимальних мінімальних кутах нахилу КВ, підвищення енергетичної ефективності, а також технологічності конструкції.

Найбільш важливим кінематичним параметром для АПГ із похилим БЦ є кут нахилу КУ, тобто кут між віссю обертання вала і БЦ. При повороті пристроєм регулювання опорного диску, на якому розміщено розподільник, вісь БЦ описує в просторі конічну поверхню, що забезпечує зміну кута . Встановлені основні кінематичні характеристики АПГ із конічним регулюванням похилого БЦ в залежності від кута нахилу КВ, який визначається, згідно зі схемою, зображеною на рис.11 у вигляді:

(29)

Коефіцієнт зміни робочого обєму АПГ з похилим БЦ:

,

де - робочий обєм при мінімальному куті нахилу БЦ .

З урахуванням залежності (31) коефіцієнт зміни робочого обєму від кута повороту опорного диска:

. (30)

де , , .

Тобто, при конічному регулюванні істотно розширюються функціональні можливості АПГ по характеристиках регулювання, тому що їх число стає нескінченно великим. При конічному регулюванні кут нахилу КВ та коефіцієнт зміни робочого обєму залежать від трьох параметрів - кутів .

Особливістю конструкції АПГ із конічним регулюванням є необхідність кутового коректування розподільника з метою сполучення площини мертвих точок розподільника і площини мертвих точок КВ. Це запропоновано виконувати за допомогою просторового кулісного механізму, для якого визначені залежності кута коректування розподільника від параметрів конічного регулювання. Кут коректування розподільника визначається по залежності:

. (31)

Проаналізовано вплив геометричних параметрів при конічному регулюванні АПГ на кінематичні характеристики. Залежності кінематичних характеристик від кута повороту опорного диска при різних кутах конуса і при мінімальному куті нахилу КВ . Встановлено, що зі збільшенням кута конуса і при постійному мінімальному куті нахилу КВ збільшуються діапазон регулювання, кути нахилу КВ, а також кути коректування розподільника. При конічному регулюванні робочого обєму АПГ із мінімальним кутом кут нахилу КУ забезпечується в залежності від кутів конуса при повороті опорного диска на кут . При повороті опорного диска на кут можна забезпечити кути нахилу КУ в діапазоні при тих же кутах конуса.

Розроблені конструкції АПГ з конічним регулюванням в яких забезпечується реверсування робочого потоку при оптимальних мінімальних кутах нахилу КВ, а також реверсування, як при мінімальному так і максимальному кутах нахилу КВ, чого не забезпечує ніяка конструкція АПГ з регульованим робочим обємом.

Випробування макетних та експериментальних зразків АПГ із конічним регулюванням робочого обєму в лабораторіях ВО “Будгідравліка” встановили працездатність способу регулювання і підтвердили адекватність аналітичних залежностей для кінема-тичних характеристик.

Одним з важливих напрямків використання регульованих АПГ є застосування їх, як силових агрегатів технологічного устаткування для випробувань. Створення і впровадження універсального устаткування - стендів з рекуперацією потужності з гідравлічним приводом для випробувань агрегатів, дозволяє виконувати на ньому ці технологічні операції в широкому діапазоні режимів роботи. Розроблені та запатентовані конструкції гідравлічних стендів з рекуперацією потужності, у яких для розширення функціональних можливостей зі зміни й автоматизації режимів випробувань застосовані регульовані гідромашини. Такі стенди дозволяють виконувати випробування й обкатку, як гідравлічного устаткування, так і механічних агрегатів. Застосування в гідравлічних стендах АПГ з регулюванням робочого обєму дозволяє розширити їхні функціональні можливості, скоротити час випробувань агрегатів на 10…15%, та знизити енерговитрати на 25…30%.

Таким чином, створене нове концептуальне рішення - АПГ із конічним регулюванням дозволяє розширити функціональні можливості зі збільшення кількості характеристик, що можуть змінюватися в залежності від вибору параметрів, забезпечити реверсування робочого потоку при оптимальних мінімальних кутах нахилу КВ, та вперше забезпечити реверсування, як при максимальному так і при мінімальному робочому обємі, підвищити енергетичну ефективність та технологічність конструкції.

ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

У дисертації на основі аналітичного огляду тенденцій розвитку, технічного рівня та принципів проектування АПГ, проведено теоретичне узагальнення і розроблено нове рішення наукової проблеми, що полягає в створенні методологічних основ проектування АПГ високого технічного рівня і розширення функціональних можливостей АПГ за рахунок удосконалення методів розрахунків і конструкцій шляхом аналітичного обґрунтування раціональних геометричних і конструктивних параметрів.

1. Обґрунтована та створена методологія проектування АПГ високого технічного рівня з застосуванням її ієрархічної багаторівневої моделі, розробленої на основі морфологічного принципу декомпозиції з встановленням внутрирівневих та міжрівневих зв'яз-ків за значенням критеріальних показників технічного рівня і умовам працездатності, що визнані визначальними для цих зв'язків. Основою проектування для такої моделі АПГ є аналітичне визначення раціональних параметрів КВ шляхом системного розгляду кінематики, умов забезпечення міцності, жорсткості, довговічності й енергетичної ефективності.

2. Систематизовані та проаналізовані критеріальні показники технічного рівня АПГ різних конструктивних схем АПГ, що дозволило оцінити їх функціональну доцільність, обґрунтувати основні напрямки удосконалення конструкцій та методів розрахунків з метою досягнення технічного рівня гідромашин кращих світових зразків.

3. Створено методику визначення раціональних розмірів ЦПГ при проектних розрахунках АПГ різних схем за відносними параметрами шляхом спільного розгляду кінематики умов рівноміцності та раціональної жорсткості БЦ.

4. Встановлено, що радіальні габарити КВ при однакових робочих об'ємах АПГ, матеріалах БЦ і рівних його кутах нахилу не залежать від числа поршнів. Зменшення радіальних габаритів поза залежністю від числа поршнів АПГ і її типу забезпечується збільшенням кута нахилу БЦ або диска і (або) підвищенням міцністних характеристик матеріалу блоку.

5. Встановлено, що осьові розміри КВ залежать від типу гідромашини, кута нахилу БЦ або диска, числа поршнів і міцністних характеристик матеріалу БЦ. Обґрунтовано вибір оптимальної довжини циліндра з аналізу відносного ходу поршня. Встановлені діапазони раціональних довжин циліндрів у залежності від відносного ходу поршня для чисел поршнів при різних кутах нахилу та міцністних характеристиках матеріалу БЦ.

6. Вперше визначені кути нахилу КВ в залежності від числа поршнів для забезпечення мінімальних осьових габаритів АПГ різних конструктивних схем. Встановлено, що при числі поршнів мінімальні осьові габарити ЦПГ досягаються для гідромашин з похилим БЦ при куті нахилу БЦ , при числі поршнів - , при числі поршнів - , а при числі поршнів - . Показано, що для досягнення мінімальних осьових габаритів ЦПГ при збільшенні числа поршнів і за інших рівних умов кут нахилу КУ необхідно зменшувати.

7. Обґрунтовано методику розрахунку КВ на довговічність, що лімітується втомленою міцністю БЦ, в основі якої теоретичні дослідження його НДС й експериментальні дослідження характеристик втоми матеріалів, з яких виготовлений блок. Встановлені резерви підвищення номінального тиску АПГ при використанні різних технологій зміцнення для монометаличних БЦ. Методика розрахунку на довговічність впроваджена при проектуванні КВ з біметалічними БЦ гідромашин серії 400 на максимальний тиск .

8. Вперше розроблено математичну модель КВ, що дозволяє на стадії проектних розрахунків визначити величину номінального тиску по його геометричних параметрах, а також досліджувати вплив параметрів КВ на його довговічність, що лімітується втомленою міцністю БЦ.

9. Досліджено вплив деформацій ЦПГ і довжини ущільнювальної частини поршнів на втрати потужності в КВ. Розроблено методику розрахунку втрат потужності в ЦПГ гідромашини з урахуванням деформацій циліндрів блоку. Встановлено, що при фіксованій довжині циліндра КВ та при збільшенні довжини ущільнювальної частини поршня витоки робочої рідини досягають постійної величини. Показано, що при фіксованій довжині ущільнювальної частини поршня в КВ та при збільшенні довжини циліндра витоки досягають деякої постійної величини, що не залежать від довжини циліндра.

10. Розроблені та запатентовані способи гідравлічного розвантаження БЦ, що дозволяють підвищити міцність, жорсткість і довговічність КВ і тим самим підвищувати показники технічного рівня АПГ, що проектуються. Показано, що застосування гідравлічного розвантаження забезпечує підвищення надійності і зносостійкості КВ за рахунок стабілізації деформаційних зазорів у ЦПГ і за рахунок застосування для БЦ матеріалів з високою зносостійкістю при меншій їх міцності. Розроблено математичну модель гідравлічного розвантаження ЦПГ, що дозволило розробити методику розрахунку відносної радіальної деформації циліндрів для різних способів гідравлічного розвантаження БЦ.

11. Показано, що ефективність гідравлічного розвантаження підвищується зі збільшенням кута нахилу КУ і довжини ущільнювальної частини поршнів. Обґрунтовано, що при подачі тиску розвантаження з циліндрів і довжині ущільнювальної частини поршнів порівнянної з довжиною циліндрів, максимальні радіальні деформації циліндрів зменшуються в 2...7 разів. У цьому випадку, найбільший ефект гідравлічного розвантаження досягається для зниження максимальних деформацій, що виникають у середній частині по довжині циліндрів і в їх вхідній частині.

12. Розроблено і запатентовано новий спосіб регулювання робочого об'єму АПГ із похилим БЦ - “конічне регулювання”, що полягає в тім, що зміна кута між осями вала і блоку здійснюється шляхом повороту осі обертання БЦ по уявлюваній поверхні конуса, вісь якого проходить через точку перетинання осей вала та блоку, при цьому утворює з віссю останнього гострий кут. Представлено конструкції АПГ із конічним регулюванням, що дають змогу усунути недоліки традиційних схем регулювання робочого обсягу АПГ з похилим БЦ. Встановлено основні кінематичні характеристики АПГ із конічним регулюванням похилого БЦ, проведено аналіз отриманих результатів.

13. Обґрунтовано, що використання АПГ із конічним регулюванням дозволяє розширити функціональні можливості АПГ зі збільшення кількості регулювальних характеристик, що можуть змінюватися в залежності від вибору параметрів, забезпечити реверсування робочого потоку при оптимальних мінімальних кутах нахилу КВ, підвищити енергетичну ефективність та технологічність конструкції.

14. Розроблено і запатентовані гідравлічні стенди з рекуперацією потужності з регульованими АПГ, що при випробуваннях механічних і гідравлічних агрегатів дозволяють скоротити час випробувань на 10..15% та зменшити енерговитрати на 25...30%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Оценка прочности модифицированного блока цилиндров аксиально-поршневой гидромашины /Г.А. Марченко, П. П. Гонтаровский, Ю.М. Хомяк, И.В. Николенко, Пе-черская О.М.// Детали машин: Респ. межвед. науч.-техн. сб. - К.: Техника, 1986. - Вып. 42. - С. 67 -73.

2. Николенко И.В., Станиславский В.Г., Шемпер Л.И. О применении безлюлечных насосов в гидроприводе экскаваторов // Строит. и дорож. машины. - 1988. - № 8. - С. 17 - 18.

3. Николенко И.В., Хомяк Ю.М. Влияние деформаций блока цилиндров на объемные потери в аксиально-поршневых гидромашинах // Вестн. машиностроения. - 1987. - №7. - С. 25 - 28.

4. Николенко И.В., Хомяк Ю.М., Кибаков А.Г. Расчет на долговечность блока ци-линдров гидромашины //Вестн. машиностроения. - 1988. - №2. - С.26 - 29.

5. Николенко И.В., Хомяк Ю.М., Кибаков А.Г. Способ оценки долговечности блока цилиндров гидромашины // Информ. листок № 020-88 / ОЦНТИ. - Одесса, 1988. - 4 с.

6. Николенко И.В., Шевцов Е.Н. Выбор основных геометрических параметров высокомоментных аксиально-пошневых гидромоторов // Детали машин: Респ. межвед. науч.-техн. сб. - К.: Техника, 1988. - Вып. 47. - С. 14 - 20.

7. Шевцов Е.Н., Николенко И. В. Анализ кинематики аксиально-поршневых гидро-моторов многократного действия // Вестн. машиностроения. - 1988. - №5. - С.13 - 16.

8. Николенко И.В. Анализ методов расчета на прочность блока цилиндров аксиально-поршневых гидромашин // Тр. Одес. политехн. ун-та. - Одесса, 2000. - Вып.3(12). - С. 28 - 32.

9. Николенко И.В. Аналитическое определение потерь мощности в блоке цилиндров аксиально-поршневой гидромашины // Тр. Одес. политехн. ун-та. - Одесса, 2001. - Вып.1 (13). - С.19 - 21.

10. Ніколенко І.В. Визначення мінімальних розмірів качаючого вузла аксіально-порш-невої гідромашини //Аграр. вісн. Причорномор'я. - Одеса., 2002. - Вип. № 19. - С. - 107 - 112.

11. Николенко И.В. Влияние осевых размеров блока цилиндров на утечки в аксиально-поршневых гидромашинах // Вісн. Iнженер. Академії України. - К., 2000. - Спец. вип. - С. 624 - 627.

12. Николенко И.В. Влияние угла наклона блока цилиндров на относительные пара-метры качающего узла аксиально-поршневой гидромашины // Вибрации в технике и тех-нологиях. - Винница, 2003. - № 3 (29). - С. 34-40.

13. Николенко И.В. Влияние числа поршней аксиально-поршневой гидромашины на параметры качающего узла // Motorization and energetics in agriculture: III International research and technical conference. - Lublin (Poland): WAR, 2001. - Vol.4. - C. 281 - 286.

14. Ніколенко І.В. Вплив деформацій блоку циліндрів на втрати потужності на рідинне тертя в аксіально-поршневих гідромашинах //Аграр. вісн. Причорномор'я. - Одеса, 2000. - Вип. № 3(11). - С. 87 - 95.

15. Николенко И.В. К выбору размеров донной части блока цилиндров аксиально-поршневой гидромашины // Вісн. Iнженер. Академії України. - К., 2001. - № 3, ч.1. - С. 214 - 217.

16. Николенко И.В. Кинематические параметры регулируемой аксильно-поршневой гидромашины // Вісн. аграр. науки Причорномор'я. - Миколаїв, 2002. - Вип. 4. - С. 36 - 44.

17. Николенко И.В. Метод расчета размеров качающего узла аксиально-поршневой гидромашины по относительным параметрам // Вісн. Укр. нац. ун-ту ім. В. Даля - Луганськ, 2003. - № 8 (66). - С. 129- 138.

18. Николенко И.В. Обоснование осевых размеров качающего узла аксиально-порш-невой гидромашины //Тр. Одес. политехн. ун-та. - Одесса, 2003. - Вып.1(19). - С. 45 - 49.

19. Николенко И.В. Оптимизация параметров гидравлической разгрузки блоков цилиндров аксиально-поршневых гидромашин //Зб. наук. пр. Кіровоград. держ. техн. ун-ту. - Кіровоград, 2003. - Вип.13. - С.129 -136.

20. Николенко И.В. Расчет гидравлической разгрузки блока цилиндров гидромашины // Зб. наук. пр. нац. аграр. ун-ту “Механізація сільськогосподарського виробництва”. - К., 2003. - Т. 14. - С. 281 - 289.

21. Ніколенко І.В. Розрахунок деформацій блоку циліндрів аксіально-поршневої гідро-машини // Аграр. вісн. Причорномор'я. - Одеса, 2001. - Вип. № 4(15). - С. 135 - 143.

22. Ніколенко І.В., Рослий В.Й. Універсальний гідравличний стенд для випробувань від-ремонтованих агрегатів //Аграр. вісн. Причорномор'я. - Одеса, 2001. - Вип. № 4(15). - С. 98 - 102.

23. Николенко И.В., Кибаков А.Г. Повышение рабочего давления гидроагрегатов объемных гидропередач сельскохозяйственной техники // Совершенствование и повыше-ние эффективности применения средств механизации сельскохозяйственного производства на юге Украины: Сб. науч. тр./ Одесс. СХИ. - Одесса, 1988. - С. 42 - 46.

24. Николенко И.В. Влияние длины поршня на деформации блока цилиндров аксиально-поршневых гидромашинах// Вестн. СумДУ. - 2003. - № 13(59). - С. 132 - 138.

25. Ніколенко І.В., Яковенко А.М., Комаров А.О. Необхідність застосування універсальних стендів для випробування та обкатки машин при технічному сервісі в нових сільськогосподарських формуваннях // Вісн. Харк. держ. техн. ун-ту сіл. госп-ва. - Харків, 2003. - Вип. 14. - С. 299 - 303.

26. Николенко И.В. Выбор геометрических параметров качающего узла аксиально-поршневых гидромашин // Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. “Конструктивно-техно-логические методы повышения надежности и их стандартизация”. - Тула: ТулПИ, 1988. - С. 90 - 91.

27. Николенко И.В., Николенко В.И. К вопросу технико-экономической оценки гидрообъемной трансмиссии сельскохозяйственной техники // Промислова гідравліка і пневматика. - 2005. - № 1(7). - С. 104 - 109.

28. Николенко И.В. Стенды с рекуперацией мощности для испытания объемных гидро-двигателей // Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. семинара “Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей”. - Л.-Пушкин: ЛСХИ, 1990. - С. 60.

29. Николенко И.В. Гидравлические стенды с рекуперацией мощности для испытания отремонтированных агрегатов // Тез. докл. 8-й междунар. науч.-техн. конф. “Технология ремонта машин, механизмов и оборудования” (Ремонт-2000). - Ялта-К., 2000. - С. 69.

30. Николенко И.В. Оптимизация параметров гидравлической разгрузки блоков ци-линдров аксиально-поршневых гидромашин // Тез. доп. першої міжнар. наук.-техн. конф. “Машинобудування та металообробка - 2003”. - Кіровоград, 2003. - С.158 - 160.

31. Николенко И.В. Способы гидравлической разгрузки блоков цилиндров аксиально-поршневых гидромашин // Промислова гідравліка і пневматика. - 2003. - № 2. - С. 53 - 57.

32. Николенко И.В. Тенденции развития и технический уровень аксиально-поршневых гидромашин с регулируемым рабочим объемом // Промислова гідравліка і пневматика. - 2004. - № 1(3). - С. 49 - 54.

33. Nikolenko I. The Definition of geometrical parameters of swinging units of axial piston hydromachines on nominal pressure // Hydraulic and pneumatics 2005 - Problems and development tendencies in the beginning decade of the 21-st century. - Wroclaw, 2005. - P. 604 - 613.

34. Nikolenko I., Krasowski E. Tendencies of development in the field of designs and calcula-tion methods of axial piston hydromachines. // Commission of motorization and ener-getics in agriculture: Polish Academy of sciences. - Lublin, 2002. - Т. 2. - P. 149-157.

35. Nikolenko I., Krasowski E. The influence of a bent axis angle on the dimensions of an axial piston hidromachine // Commission of motorization and energetics in agriculture: Polish Academy of sciences. - Lublin. - 2003, Vol. 3. - P. 192 - 200.

36. Nikolenko I., Krasowski E., P. Tarkowski An analiysis of kinematic parametrs of axail piston hydromachine with conical type variable displacement// Commission of motori-zation and energetics in agriculture: Polish Academy of sciences. - Lublin, 2004. - Vol. 6. - P. 172 - 181.

37. Аксиально-поршневая регулируемая гидромашина: А.с. № 1756606 СССР, МКИ F04 B 1/30 / Я.И. Кушнир, И.В. Николенко (СССР). - № 4838938/29; Заявл. 12.06.90; Опубл. 23.08.92, Бюл. № 31. - 4 с.

38. Регулируемая аксиально-поршневая гидромашина: А.с. № 1760160 СССР, МКИ F04 B 1/30 / И.В. Николенко, Я.И. Кушнир, В.П. Лещинский, Л.И. Шемпер (СССР). - № 4782823/29; Заявл. 18.01.90; Опубл. 07.09.92, Бюл.№ 33. - 4 с.

39. Патент РФ № 2081346, МКИ F 04 B 1/20. Регулируемая аксиально-поршневая гидро-машина / Я.И. Кушнир, И.В. Николенко, Г.К. Добринский, В.П. Лещинский, Л.И. Шемпер (Украина); АП ПО “Стройгидравлика” (Украина). - № 4733186/06; Заявл. 29.08.89; Опубл. 10.06.97. - 4 с.

40. Патент РФ № 2081347, МКИ F 04 B 1/20. Регулируемая аксиально-поршневая гидро-машина./ И.В. Николенко, Я.И. Кушнир, Г.К. Добринский, В.П. Лещинский, Л.И. Шемпер (Украина); АП ПО “Стройгидравлика” (Украина). - № 4796269/29; Заявл. 27.02.90; Опубл. 10.06.97. - 4 с.

41. Патент РФ № 2081348, МКИ F 04 B 1/20. Регулируемая аксиально-поршневая гидро-машина./ И.В. Швабский, И.В. Николенко, В.П. Лещинский, Л.И. Шемпер (Украина); АП ПО “Стройгидравлика” (Украина). - № 4806107/29; Заявл. 28.03.90; Опубл. 10.06.97. - 2 с.

42. Патент РФ № 2083871, МКИ F 04 B 1/20. Регулируемая аксиально-поршневая гидро-машина./ И.В. Николенко, Я.И. Кушнир, Г.К. Добринский, В.П. Лещинский, Л.И. Шемпер (Украина); АП ПО “Стройгидравлика”, Одес. СХИ (Украина). - № 4646740/06; Заявл. 03.02.89; Опубл. 10.07.97. - 3 с.

43. Патент РФ № 2103546, МКИ F 04 B 1/20. Регулируемая аксиально-поршневая гидро-машина./ И.В. Николенко, Я.И. Кушнир, В.П. Лещинский, Л.И. Шемпер (Украина); АП ПО “Стройгидравлика” (Украина). - № 4782425/06; Заявл. 16.01.90; Опубл. 27.01.98. - 3 с.

44. Патент України № 64110, МКВ7 F 04 B 1/20. Блок циліндрів аксіально-поршневої гидромашини/ І.В. Ніколенко (Україна); Одес. держ. аграр. ун-т (Україна). - № 2003010171; Заявл. 08.01.03; Опубл. 16.02.04, Бюл. № 2. - 3 с.

45. Патент України № 64111, МКВ7 F 04 B 1/20. Блок циліндрів аксіально- поршневої гідромашини/ І.В. Ніколенко (Україна); Одес. держ. аграр. ун-т (Україна). - № 2003010172; Заявл. 08.01.03; Опубл. 16.02.04, Бюл. №2. - 3 с.

46. Патент України № 64112, МКВ7 F 04 B 1/20. Блок циліндрів аксіально-поршневої гідромашини./ І.В. Ніколенко (Україна); Одес. держ. аграр. ун-т (Україна). - №2003010173; Заявл. 08.01.03; Опубл. 16.02.04, Бюл. №2. - 3 с.

47. Патент України № 64306, МКВ7 F 04 B 1/20. Блок циліндрів аксіально-поршневої гідромашини./ І.В. Ніколенко (Україна). - № 2003054072; Заявл. 06.05.03; Опубл. 16.02.04, Бюл. № 2. - 3 с.

48. Патент України № 64366, МКВ7 G 01 M 13/20. Гідравлічний стенд для випробувань механічних агрегатів/ І.В. Ніколенко, А.О. Комаров (Україна); Одес. держ. аграр. ун-т (Україна). - № 2003054575; Заявл. 20.05.03; Опубл. 16.02.04, Бюл. № 2. - 5 с.

49. Стенд для испытаний объемных гидромашин с рекуперацией мощности: А.с. № 1606750 СССР, МКИ F 15 B 19/00./ В.М. Горбатий, И.В. Николенко, С.М. Горбатий А.В. Дрозд, Л.И. Шемпер (СССР). - № 4459669/25-29; Заявл.12.07.88; Опубл. 15.11.90, Бюл. № 42. - 3 с.

50. Стенд для испытаний объемных гидромашин: А.с. № 1613683, МКИ F 04 B 51/00./ В.М. Горбатий, С.М. Горбатий, А.В. Дрозд, И.В. Николенко, А.П. Дубчак, Л.И. Шемпер (СССР). - № 4316244/25-29; Заявл.15.10.87; Опубл. 15.12.90, Бюл.№ 46. - 3 с.

Размещено на Allbest.ru

...