Удосконалювання робочих характеристик струминних виконавчих пристроїв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сумський державний університет

05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати

УДК 622.-522-525:621.22

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЮВАННЯ РОБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУМИННИХ ВИКОНАВЧИХ ПРИСТРОЇВ

Мальцева Марина Олегівна

Суми 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля (СНУ ім. В. Даля), кафедра “Гідрогазодинаміка“

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Сьомін Дмитро Олександрович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, кафедра “Гідрогазодинаміка”, професор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Андренко Павло Миколайович, Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, кафедра “Гідропневмоавтоматика та гідропривід”, професор кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Бадах Валерій Миколайович, Національний авіаційний університет, „Аерокосмічний інститут”, кафедра “Гідрогазових систем”, старший науковий співробітник

Захист відбудеться “17” грудня 2010 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Р. - Корсакова, 2, СумДУ. З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Сумського державного університету за адресою: 40007, м. Суми, вул. Р.-Корсакова, 2.

Автореферат розісланий: “16” листопада 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Савченко Є. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

струминний електропневматичний клапан

Актуальність теми. Дослідження останніх років довели, що одним з напрямків вирішення проблеми підвищення надійності і довговічності систем керування потужними потоками рідин і газів є застосування струминних виконавчих пристроїв (СВП) як регулювальної і запірної арматури. Особливо це актуально для галузей з екстремальними умовами експлуатації - вугільної, хімічної, енергетичної, транспорту, сільського господарства та ін., де класичні пристрої механічної дії на порядок швидше виходять з ладу порівняно з нормальними умовами, оскільки рухомі частини регулюючих органів швидко зношуються. Разом з цим досвід експлуатації СВП у промисловості показав, що для подальшого поліпшення їхніх характеристик і розширення застосування стримуючим фактором є незадовільні характеристики підсилювача-перетворювача, який входить до структури СВП. Як підсилювачі-перетворювачі у сучасних системах найбільш простими і надійними зарекомендували себе електропневматичні клапани (ЕПК) на основі електромагніту соленоїдного типу з циліндровим сердечником. Вони працюють в несприятливих умовах вуглезбагачувальних фабрик у складі СВП пневматичних приводів відсаджувальних машин. Удосконалення робочих характеристик СВП забезпечить поліпшення збудованих на їхній базі систем керування потужними потоками рідин та газів, що і становить актуальну науково-технічну задачу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до плану науково-дослідних робіт СНУ ім. В. Даля як частина держбюджетної теми кафедри „Гідрогазодинаміка” „Удосконалення гідравлічних характеристик, методів розрахунку і моделювання гідромашин, гідроприводів, гідравлічних і пневматичних засобів і систем” (БР-11-2005), а також в межах програми досліджень філіалу Інституту Гідромеханіки НАН України і СНУ ім. В.Даля за напрямком „Розробка теорії і методів проектування безконтактних засобів управління текучими середовищами у технічних системах” (№ ДР 0108U000158), де здобувач брав безпосередню участь як виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалювання робочих характеристик струминних виконавчих пристроїв за рахунок поліпшення статичних і динамічних характеристик їхніх складових, а саме: підвищення пропускної спроможності, швидкодії, зменшення споживаної потужності електропневматичних клапанів.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі задачі дослідження:

? встановити особливості робочих процесів у складових СВП і визначити напрямки удосконалювання його характеристик;

? встановити характер та особливості гідромеханічних процесів, які відбуваються в ЕПК СВП при його відкритті і закритті, для чого розробити його адекватну математичну модель;

? встановити гідродинамічну картину течії у проточній частині ЕПК, його пропускну спроможність та аеродинамічну силу, що діє на запірний елемент з боку робочого потоку;

? встановити закономірності впливу гідродинамічних та геометричних параметрів розвантажувального пристрою ЕПК СВП на характеристики його робочого процесу;

? розробити та впровадити у виробництво методику інженерного розрахунку та проектування СВП з удосконаленим ЕПК;

? визначити динамічні характеристики СВП з удосконаленим ЕПК та зробити аналіз його ефективності у складі струминного пневматичного приводу гідравлічних відсаджувальних машин.

Об'єкт дослідження. Гідромеханічні процеси, що відбуваються в струминному виконавчому пристрої.

Предмет дослідження. Взаємозв'язок гідродинамічних параметрів робочого процесу, геометричних параметрів струминного виконавчого пристрою з його статичними і динамічними характеристиками.

Методи дослідження. Методологічну основу проведених автором досліджень складає системний підхід до моделювання робочих процесів на основі декомпозиції СВП. При проведенні теоретичних досліджень використані методи математичного моделювання, на основі класичних рівнянь механіки рідини та газу (рівняння Рейнольдса, нерозривності, переносу характеристик турбулентності та рівняння динаміки гідромеханічних систем). Математичні моделі є сукупністю нелінійних алгебраїчних, диференціальних рівнянь у часткових та повних похідних. Вірогідність наукових результатів роботи обумовлена застосуванням апробованих методів дослідження, відповідністю прийнятих припущень характерові розв'язуваних задач, адекватністю математичних моделей, обґрунтованим вибором контрольно-вимірювальної апаратури і методів обробки експериментальних даних із застосуванням методів математичної статистики і теорії малих вибірок. Адекватність математичних моделей перевірялася порівнянням результатів чисельного розрахунку з результатами даних фізичного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів:

? одержали подальший розвиток і поглиблення математичні моделі робочих процесів у струминному виконавчому пристрої урахуванням нестаціонарності в усіх його складових (вихровому регулюючому органі, мембранному виконавчому механізмі, електропневматичному клапані), що дозволило визначити напрямок поліпшення статичних і динамічних характеристик струминного виконавчого пристрою шляхом поліпшення характеристик електропневматичного клапана;

? вперше встановлена наявність екстремуму (мінімуму) щодо сумарного часу відкриття і закриття електропневматичного клапана струминного виконавчого пристрою, що дозволяє визначити оптимальні значення геометричних і гідродинамічних параметрів розвантажувального пристрою;

? вперше встановлено позитивний вплив щілинного дифузора на пропускну спроможність електропневматичного клапана струминного виконавчого пристрою, при цьому чисельними розрахунками на тривимірній моделі та експериментально доведено, що течія у щілинному дифузорі ЕПК з лінійними утворюючими має відривний характер спричинений гострими вхідними кромками. Підвищення пропускної спроможності досягнуто профілюванням проточної частини дифузора, яке проводилося за даними чисельних розрахунків;

? вперше встановлено характер розподілу тиску по поверхні клапана при різному ступені його відкриття, що дозволило уточнити фізичну картину явища, що відбувається та пояснити причини розбіжності результатів досліджень з класичною теорією щодо сили, яка діє на запірний елемент з боку робочого середовища;

? вперше встановлено розрахунковим та підтверджено експериментальним шляхом лінійний характер зменшення сили, що діє з боку робочого середовища на запірний елемент розташований у щілинному дифузорі. Встановлено, що при значенні ходу дорівнюючому , сила зменшується майже в 2 рази порівняно із закритим станом;

? вперше встановлено взаємозв'язок між геометричними і гідродинамічними параметрами розвантажувального пристрою електропневматичного клапана струминного виконавчого пристрою та його швидкодією. На цій основі визначено оптимальні значення відносної ефективної площі дроселя наповнення та відносного об'єму камери розвантажувального пристрою, що забезпечують мінімальний сумарний час відкриття і закриття клапана, та підвищує швидкодію струминного виконавчого пристрою;

Практичне значення отриманих результатів:

? запропоновано алгоритм розрахунку і програмну реалізацію математичної моделі електропневматичного клапана струминного виконавчого пристрою, що дозволяє на стадії проектування визначати його динамічні характеристики та скоротити час проектування;

? розроблені нові й захищені патентами України на корисну модель конструкції і модифікації електропневматичного клапана струминного виконавчого пристрою, які реалізують запропоноване концептуальне рішення розвантаження сердечника електромагніту, чим забезпечено поліпшення його характеристик, зокрема значення коефіцієнта передачі, швидкодії, зменшення споживаної потужності;

? розроблені рекомендації щодо вибору геометричних і гідродинамічних параметрів розвантажувального пристрою електропневматичного клапана, які забезпечують максимальну швидкодію струминного виконавчого пристрою;

? доповнена і розширена методика інженерного розрахунку струминного виконавчого пристрою урахуванням особливостей, що привносяться удосконаленим електропневматичним клапаном, яка дозволяє одержати струминний виконавчий пристрій з підвищеним коефіцієнтом передачі та поліпшеними динамічними властивостями. Методику використано при розробці удосконаленого струминного виконавчого пристрою для струминного пневматичного приводу гідравлічних відсаджувальних машин, що дозволило знизити кількість споживаного повітря.

Результати та висновки дисертаційної роботи впроваджені у вигляді рекомендацій щодо поліпшення характеристик та методики розрахунку струминного виконавчого пристрою струминного пневматичного приводу гідравлічних відсаджувальних машин на НВК «Гравікон» м. Луганськ. Математичні моделі струминного виконавчого пристрою та електропневматичного клапана використовується в навчальному процесі за спеціальностями «Гідравлічні і пневматичні машини» і «Гідроаеродинаміка» у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові і практичні результати отримані здобувачем самостійно. У роботах [2, 4, 5] здобувачеві належить розробка та реалізація математичних моделей, участь у дослідженнях, обробка отриманих даних і формулювання висновків. У роботі [3, 4, 5] здобувачеві належить проведення експериментальних досліджень, обробка даних і участь у формулюванні висновків. У роботі [5] здобувачеві належить проведення експериментальних досліджень та обробка результатів експерименту щодо візуалізації течії в проточній частині вихідного каналу ЕПК і участь у формулюванні висновків. У роботі [1, 6] здобувачеві належить проведення оптимізації геометричних параметрів розвантажувального пристрою ЕПК і участь у формулюванні висновків. У патентах на винаходи [7-11] внесок здобувача визначений у встановленому порядку.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на IX, X, XI, XV міжнародних конференціях «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (2004 р. ? м. Київ, 2005 р. ? м. Краматорськ, 2006 р. ? м. Київ, 2010 р. ? м. Київ, ), на VII, IX, XI міжнародних науково-технічних конференціях АС ПГП «Промислова гідравліка і пневматика» (2006 р. ? м. Вінниця, 2008 р. ? м. Кременчук, 2010 р. ? м. Мелітополь), на IX науково-практичній конференції "Університет і регіон" 2004 р., м. Луганськ, на міжнародній науковій конференції "Внесок Донбасу в розвиток вітчизняного промислового потенціалу" 2005р., на всеукраїнській міжвузівській науково - технічній конференції «Сучасні технології в промисловому виробництві», 2010 р. - м. Суми, та на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу СНУ ім. В. Даля (2004-2010 р.).

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 14 робіт. З них 1 монографія, 5 статей у наукових фахових виданнях, 5 патентів України на корисну модель, тези 3 доповідей.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Повний обсяг дисертації 176 сторінки, 62 рисунки і 2 таблиці за текстом; 2 додатки на 15 сторінках, список використаної літератури з 129 джерел на 15 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі наведені кваліфікаційні ознаки дисертації і сформульовано напрямок досліджень, зв'язаний з удосконалюванням робочих характеристик СВП за рахунок підвищення коефіцієнту передачі та швидкодії ЕПК, й обґрунтована їхня актуальність.

В першому розділі зроблено огляд стану проблеми надійності і довговічності засобів управління потоками суцільних середовищ, притаманні галузям з екстремальними умовами експлуатації - вугільній, хімічній, металургійній, транспорту, сільському господарству та ін., де класичні пристрої управління на порядки швидше виходять з ладу внаслідок дії на них агресивних робочих середовищ, запиленості, вібрацій, ударних навантажень.

Ця проблема частково була розв'язана за рахунок розробки СВП, основною перевагою яких є відсутність рухомих механічних елементів в регулюючих органах і, як наслідок, їхня висока надійність і на декілька порядків вища довговічність у порівнянні з традиційними пристроями.

Слід відзначити роботи провідних вчених Андренка П.М.,

Бадаха В.М., Бочарова В.П., Владімірова В.С., Градецького В.Г., Дмітрієва В.М., Зайончковського Г.Й., Коваля В.П., Кучера О.Г., Орлова Б.В., Пруднікова С.Н., Струтинського В.Б., Сьоміна Д.О., Філіпова І.Б., Щучинського С.Х., Яхно О.М., Brombah H., King C., Syred N., Wormley D. та ін., які зробили значний внесок у розвиток теорії робочих процесів та проектування СВП і його складових, а також роботи у цьому напрямку, які проводилися у провідних установах: Інституті гідромеханіки НАН України, Київському центральному конструкторському бюро арматуробудування, МГТУ ім. М.Е. Баумана, Московському енергетичному інституті (ТУ), НТУУ „КПІ”, Національному авіаційному університеті, НТУ “ХПІ”, СНУ ім. В. Даля, Harry Diamond Laboratories (США) та ін.

Дослідження, що проводяться у СНУ ім. В. Даля, дозволили значно покращити характеристики регулюючих органів і виконавчих механізмів струминних виконавчих пристроїв. Але, як показав досвід експлуатації у промисловості, стримуючим фактором для подальшого поліпшення характеристик і розширення галузей застосування СВП є незадовільні характеристики підсилювачів-перетворювачів.

З одного боку, для забезпечення необхідної швидкодії мембранного виконавчого механізму (МВМ) необхідно значно збільшувати пропускну спроможність ЕПК. З іншого - необхідно підвищувати динамічні властивості ЕПК, оскільки на даному етапі вони знаходяться на одному рівні з вихровим регулюючим органом (ВРО). Ці вимоги знаходяться у протиріччі, яке розв'язується у даній роботі.

Відзначимо, що раніше ЕПК при розрахунку СВП вважався безінерційною ланкою. Отже, є певний резерв у поліпшенні робочих характеристик СВП за рахунок удосконалювання характеристик ЕПК.

Літературний огляд показав недостатність даних щодо динамічних властивостей ЕПК соленоїдного типу, а поліпшення його характеристик йшло екстенсивним шляхом і зводилося до підвищення живильної напруги.

Одним з найбільш ефективних способів поліпшення статичних і динамічних характеристик ЕПК є розвантаження сердечника електромагніту від аеродинамічної сили, що діє на нього з боку робочого потоку. Нами запропоновано здійснювати розвантаження сердечника за рахунок того, що робоче середовище подається в проточну порожнину над сердечником, при цьому виникає додаткове зусилля, яке впливає на сердечник ЕПК.

Найбільш діючим способом для підвищення пропускної спроможності проточної частини ЕПК є використання щілинного дифузора, оскільки дозволяє зберегти розміри сідла (т.ч. аеродинамічна сила, що діє з боку робочого потоку, не підвищується) та габаритні розміри ЕПК.

Таким чином, розробку СВП з поліпшеними робочими характеристиками стримує відсутність досліджень впливу параметрів розвантажувального пристрою та пропускної спроможності ЕПК з щілинним дифузором на його статичні і динамічні властивості, що являє собою сутність даного дослідження.

Отже, на основі проведеного літературного огляду теоретичних і експериментальних досліджень сформульовані мета і задачі досліджень.

У другому розділі представлено математичне моделювання динамічних процесів у ЕПК СВП з розвантаженим сердечником, розрахункова схема якого наведена на рис. 1.

Рис. 1. Розрахункова схема ЕПК

Розроблена математична модель складається з рівняння динамічної рівноваги сердечника, рівняння нерозривності, рівняння витрат рідини при докритичній течії через елементи проточної частини ЕПК, рівняння, що описують стан робочого середовища, і рівняння електричних процесів з початковими й граничними умовами.

де , , ? маса, переміщення та швидкість сердечника, відповідно; ? зусилля, що розвивається електромагнітом; ? сила, що діє на запірну частину ЕПК з боку підведення робочого середовища площею та тиском ; ? сила, що діє на торець сердечника площею та з тиском ; - коефіцієнт демпфірування сердечника; ? “мертвий” об'єм камери над сердечником; ? повне переміщення сердечника; , ? масові витрати повітря, яке втікає та витікає з об'єму над сердечником; , ? ефективні площі дроселів наповнення та дренажного дроселя; , , , ? індуктивність, активний опір, струм та напруга у котушці соленоїда, відповідно; ? коефіцієнт адіабати; ? газова постійна повітря; ? час. Початкові умови: Межові умови: .

Аналіз величин, що входять до математичної моделі, показав, що , та невідомі і для інтегрування рівнянь математичної моделі вони повинні бути визначені.

Для визначення сили , що діє з боку робочого потоку на запірний елемент, та виявлення впливу щілинного дифузору на пропускну спроможність був проведений чисельний експеримент з використанням розробленої математичної моделі, яка описує рух робочої рідини у вихідному каналі ЕПК СВП і складається із системи нелінійних диференціальних рівнянь у часткових похідних, представлених тривимірними рівняннями Рейнольдса для нестисливої рідини і рівнянням нерозривності:

(2)

де ; ? проекції вектора швидкості на осі координат; ? проекції вектора масових сил на осі координат; ? питома маса середовища; ? молекулярна кінематична в'язкість; ? турбулентна кінематична в'язкість.

Для замикання системи рівнянь (2) прийнята модифікована двошарова модель турбулентності переносу зсувних напруг Ментера, яка враховує особливості течії біля твердих стінок і у зовнішньому потоці та дає задовільні результати для розрахунків обмежених стінками потоків.

Математичне моделювання проводилося в програмному комплексі з відкритим вихідним кодом OpenFOAM (OpenCFD Ltd) при таких значеннях граничних умов: на твердій стінці ? умова прилипання рідини ; на вхідній границі ? тиск гальмування середовища ; на вихідній границі ? статичний тиск рівний атмосферному тиску .

Результати чисельного експерименту (рис.2) та подальше експериментальне дослідження на фізичній моделі показали, що установка щілинного дифузора у вихідному каналі ЕПК дозволяє збільшити його пропускну спроможність на 30%. Менше значення пропускної спроможності в порівнянні з можливостями дифузора пов'язано з відривом потоку від його стінок. Це обумовлено впливом гострих кромок сідла ЕПК та відривом течії уздовж нижньої стінки дифузора.

а) базовий клапан

б) щілинний дифузор з прямолінійними утворюючими

в) спрофільований щілинний дифузор

Рис.2. Картини течії рідини у вихідному каналі ЕПК

З метою запобігання відриву течії в щілинному дифузорі проводилася його профілізація (відривні течії уздовж нижньої стінки замінюються твердою стінкою). На рис.2 наведені картини течії у ЕПК з 3 типами вихідного каналу: верхній - базовий, середній і ніжній - у вигляді щілинного дифузора відповідно з прямолінійними і криволінійними утворюючими.

Як показав чисельний розрахунок (рис. 2), пропускна спроможність у профільованому щілинному дифузорі у порівнянні з базовим клапаном збільшилась на 50%.

З отриманого розподілу тиску по поверхні запірного елемента (суцільна лінія) було встановлено, що при збільшенні зазору між сідлом клапана і запірним елементом епюра тиску трансформується з прямокутної форми (при повністю закритому клапані) в параболічну, при цьому максимум тиску завжди знаходиться в центрі запірного елемента і практично, не залежить від величини зазору. Зі збільшенням зазору тиск зменшується у напрямку периферії, що призводить до зменшення аеродинамічної сили, яка діє на запірний елемент.

За результатами розрахунків на математичній моделі динаміки ЕПК (методом Рунге?Кутта 4-го порядку точності) отримані графіки перехідних процесів в електричній, механічній і пневматичній системах ЕПК з розвантаженням і без розвантаження при відкритті і закритті (рис. 3).

а - зміна струму в соленоїді; - - - - розвантажений

б - переміщення сердечника; ---- - нерозвантажений

в - швидкість сердечника;

г - зміна тиску в камері розвантажування.

Рис. 3. Перехідні процеси при відкритті і закритті ЕПК

Досліджували ЕПК проводилося з наступними параметрами: , , , , , , , .

З графіків (рис. 3) видно, що розвантаження сердечника суттєво впливає на динамічні властивості ЕПК. Встановлено, що розвантаження сердечника ЕПК СВП дозволяє збільшити робочий тиск або площу отвору, що запирається, у 1,4 раза. Електричні процеси у соленоїді електромагніта відбуваються повільніше майже у двічі, ніж у механічній частині ЕПК. При розвантаженні сердечника час відкриття ЕПК практично не змінюється, а при закриті його розвантаження дозволяє збільшити швидкодію більше, ніж на 30%, для прийнятої геометрії проточної частини.

Інші невідомі параметри математичної моделі визначалися на підставі фізичного експерименту.

У третьому розділі наведено опис фізичних моделей досліджуваних ЕПК, експериментального стенда, проведено вибір контрольно-вимірювальної апаратури, наведена методика проведення й обробки отриманих експериментальних даних, дана оцінка погрішності результатів фізичного експерименту.

При експериментальних дослідженнях використовувались стандартні прилади для виміру тиску, витрати, температури, переміщення. Всі експерименти проводилися в лабораторних умовах на спеціально виготовлених моделях і експериментальній установці.

Метою проведення експериментальних досліджень, по-перше, було встановлення значень невідомих величин математичної моделі, а саме: тягової характеристики електромагніту ЕПК, залежності аеродинамічної сили, що діє на запірний орган з боку робочого потоку, та індуктивності соленоїду від переміщення запірного органу, ефективної площини дренажного дроселя. По-друге, встановлення адекватності математичних моделей тривимірного турбулентного руху у вихідному каналі ЕПК та динаміки електромеханічних процесів, які відбуваються у ньому на основі зіставлення розрахункових величин з результатами, що отримані експериментальним шляхом.

Встановлено, що у порівнянні з класичною теорією взаємодії струменя з перешкодою відносна аеродинамічна сила впливу робочого середовища (рис. 4) на запірний елемент не збільшується, а лінійно зменшується при зростанні відносного ходу і при значенні відповідному , зменшується практично в 2 рази.

Рис. 4. Залежність відносної аеродинамічної сили від відносного ходу запірного елемента

Експериментальні дані апроксимовані залежностями виду:

при ,

при .

Довірчий інтервал складає 0,05 при довірчій імовірності 95%.

Зменшення аеродинамічної сили пояснюється встановленою характеристикою розподілу тиску по верхній кришці щілинного дифузора. При максимальній величині зазору тиск досягає тиску живлення тільки в центрі запірного елемента, зі зменшенням зазору епюра тиску вирівнюється і набуває прямокутної форми, що підтверджує отриману раніше залежність аеродинамічної сили впливу потоку на запірний елемент від його ходу.

Для визначення картини течії в щілинному дифузорі була проведена візуалізація течії, яка показала, що течія в дифузорі безвідривна лише уздовж верхньої кришки, це вказує на часткову роботу щілинного дифузора, при якій потік відривається від нижньої кришки дифузора, та якісно збігається з отриманими розрахунковими картинами течії.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Розподіл тиску по верхній стінці дифузора ЕПК при повністю відкритому клапані

Для перевірки адекватності математичної моделі тривимірної турбулентної течії був проведений порівняльний аналіз розрахункових даних розподілу тиску уздовж радіуса верхньої кришки щілинного дифузора з даними фізичного експерименту (рис. 5), а також розрахункових картин течії в щілинному дифузорі з картинами, отриманими у результаті візуалізації течії (рис. 6).

Зіставлення розрахункових даних розподілу тиску уздовж радіуса верхньої кришки щілинного дифузора з даними фізичного експерименту (довірчий інтервал при довірчій ймовірності ) і розрахункових картин течії в щілинному дифузорі з картинами, отриманими в результаті візуалізації течії, підтвердили адекватність математичної моделі тривимірної турбулентної течії в проточній частині ЕПК.

Рис. 6. Розрахункова (ліворуч) і експериментальна (праворуч) картини відривної течії у нижньої стінці щілинного дифузора ЕПК

Адекватність математичної моделі динаміки ЕПК СВП доведена на підставі зіставлення даних розрахункових перехідних процесів у електричній, механічній і пневматичній системах ЕПК з даними, отриманими експериментальним шляхом. Адекватність математичної моделі підтверджена за критерієм Фішера (довірчі інтервали за струмом, переміщенням та тиском дорівнюють відповідно , , при значенні довірчої ймовірності ).

У четвертому розділі проведено оптимізацію геометричних параметрів проточної частини розвантажувального пристрою ЕПК СВП та дослідження промислових систем, у яких знайшли своє практичне застосування результати дисертаційних дослідів.

За результатами чисельних розрахунків показано, що маса сердечника суттєво впливає на швидкодію ЕПК. Так, зниження маси удвічі дозволяє зменшити час закриття ЕПК на 25%. При цьому перехідні процеси в електромагніті протікають удвічі повільніше, ніж у механічній частині ЕПК, а при закритті ці часи порівнянні, що говорить про істотний потенціал у поліпшенні динамічних властивостей ЕПК СВП за рахунок оптимізації параметрів електромагніту. Тому подальші дослідження проводилися без врахування динамічних процесів, що протікають у котушці електромагніту.

Виходячи з рівності масових витрат, що втікає та витікає у камеру над сердечником, визначено співвідношення ефективних площ дроселя наповнення й дренажного дроселя розвантажувального пристрою для базового клапана .

Для встановлення апроксимуючих залежностей, часів відкриття , закриття і сумарного часу відкриття та закриття ЕПК від параметрів розвантажувального пристрою (відносної ефективної площі дроселя наповнення та відносного об'єму камери над торцем сердечника ) був спланований двофакторний чисельний експеримент, результати якого були оброблені за методом найменших квадратів (рис. 7).

Із графіка (рис. 7, ліворуч) видно, що екстремум існує тільки для , а для відносної ефективної площі дроселя наповнення мінімум лежить на межі області визначення.

Рис. 7. Поверхня відгуку часу закриття (ліворуч) і сумарного часу відкриття й закриття ЕПК (праворуч)

Рівняння регресії для часу (у секундах) закриття ЕПК при довірчій імовірності й квадраті коефіцієнта кореляції Пірсона може бути представлено у вигляді:

.

Рівняння регресії для сумарного часу відкриття й закриття ЕПК при довірчій імовірності й квадраті коефіцієнта кореляції Пірсона може бути представлено у вигляді:

.

Час відкриття ЕПК не наведений, оскільки час перехідного процесу практично не залежить від параметрів розвантажувального пристрою й з погрішністю може бути прийнятий постійним.

Із графіка (рис. 7, праворуч) видно, що, як і для закриття ЕПК, для сумарного часу відкриття і закриття також екстремум існує тільки для , а для відносної ефективної площі дроселя наповнення мінімум лежить на межі області визначення.

За результатами чисельного експерименту встановлено, що використання розвантажувального пристрою з оптимальними геометричними параметрами дозволяє зменшити час закриття ЕПК на 40%, а сумарний час відкриття й закриття ? на 26%. Комплексне застосування розвантажувального пристрою й щілинного дифузора в проточній частині ЕПК дозволяє збільшити його швидкодію при відкритті на 27%, закритті ? на 63%, сумарний час відкриття й закриття ? на 52%.

Поліпшення швидкодії ЕПК за рахунок установки щілинного дифузора обумовлене відповідно меншим ходом сердечника електромагніту.

Реалізація запропонованих рішень дозволила збільшити швидкодію СВП майже у 1,7 раза, а частоту пропускання в 1,5 раза.

Доповнена і розширена методика інженерного розрахунку СВП урахуванням особливостей, що привносяться удосконаленим ЕПК, яка дозволяє одержати СВП з підвищеним коефіцієнтом передачі та поліпшеними динамічними властивостями.

Результати математичного моделювання та експериментальних досліджень дисертаційної роботи впроваджені у пневматичному струминному приводі гідравлічних відсаджувальних машин. Розрахунковим шляхом доведено, що використання СВП з удосконаленим ЕПК дозволило знизити непродуктивні витрати повітря на запирання в 2 рази при незмінному режимі роботи відсаджувальної машини.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведені результати теоретичного узагальнення і нове рішення наукової задачі, що полягає в удосконаленні робочих характеристик струминних виконавчих пристроїв, а саме: збільшення швидкодії, коефіцієнта передачі, зменшення споживаної потужності за рахунок поліпшення статичних і динамічних характеристик електропневматичного клапана, яке досягається розвантаженням сердечника електромагніту та використанням щілинного дифузора з профільованими утворюючими у вихідному каналі клапана. Це дозволяє підвищити ефективність і економічність струминних виконавчих пристроїв та систем управління потужними потоками суцільних середовищ, заснованих на них.

На підставі отриманих у дисертаційній роботі даних експериментальних і теоретичних досліджень можна зробити такі висновки:

1. Одержали подальший розвиток і поглиблення математичні моделі робочих процесів у СВП урахуванням нестаціонарності в усіх його складових (ВРО, МВМ, ЕПК), що дозволило визначити напрямок удосконалювання статичних і динамічних характеристик СВП шляхом поліпшення характеристик ЕПК.

2. Розроблена математична модель робочого процесу ЕПК СВП, яка заснована на рівняннях динамічної рівноваги запірного органу, рівнянні нерозривності, рівняннях витрат рідини при докритичній течії через елементи проточної частини клапана, рівняннях стану робочого середовища і рівняннях електричних процесів з початковими й граничними умовами, що дозволило розрахувати перехідні процеси в електричній, механічній і пневматичній системах клапана. Адекватність математичної моделі підтверджена за критерієм Фішера (довірчі інтервали за струмом, переміщенням та тиском дорівнюють відповідно , , при значенні довірчої ймовірності ).

3. Встановлено, що при відкритті клапана електричні процеси в котушці соленоїда відбуваються майже удвічі повільніше, ніж у механічній системі; маса сердечника суттєво впливає на динамічні характеристики ЕПК, що говорить про істотний потенціал у поліпшенні динамічних властивостей ЕПК за рахунок оптимізації параметрів електромагніту.

4. Встановлено що:

· течія у щілинному дифузорі ЕПК з лінійними утворюючими має відривний характер, який спричинено гострими вхідними кромками, що призводить до зниження розрахункової пропускної спроможності, яке усунено профілюванням проточної частини дифузора;

· використання щілинного дифузора у вихідному каналі підвищує пропускну спроможність клапана на 30 %, а профілювання проточної частини дифузора дозволяє підвищити пропускну спроможність до 50 %;

· характер розподілу тиску по поверхні клапана при різному ступені його відкриття, що дозволило уточнити фізичну картину явища, яке відбувається, та пояснити причини зниження сили, яка діє з боку робочого середовища, при збільшенні ходу клапана;

· аеродинамічна сила, що діє з боку робочого середовища на запірний елемент ЕПК лінійно зменшується при зростанні ходу і при його значенні зменшується практично в 2 рази.

5. Застосування щілинного дифузора і розвантажувального пристрою з оптимальними геометричними параметрами ( і ) дозволяє підвищити робочий тиск, збільшити швидкодію ЕПК при відкритті на 27%, закритті ? на 63%, сумарний час відкриття й закриття ? на 52%, а також швидкодію СВП майже у 1,7 раза і частоту пропускання у 1,5 раза.

6. Доповнена і розширена методика інженерного розрахунку СВП врахуванням особливостей, що привносяться удосконаленим ЕПК, яка дозволяє одержати СВП з більш високою пропускною спроможністю, підвищеним коефіцієнтом передачі, а також поліпшеними динамічними властивостями. Яка впроваджена у НВК «Гравікон» м. Луганськ для струминного пневматичного приводу гідравлічних відсаджувальних машин.

7. Проведено аналіз ефективності роботи розробленого СВП з удосконаленим ЕПК для струминного пневматичного приводу гідравлічних відсаджувальних машин, який показав, що використання СВП з поліпшеними характеристиками дозволило знизити кількість непродуктивно споживаного повітря у 2 рази при незмінному режимі роботи відсаджувальної машини.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Вихрові виконавчі пристрої. Частина 1. Однорідні робочі середовища: монографія / [Сьомін Д.О., Павлюченко В.О., Мальцев Я.І., Войцеховський С.В., Роговий А.С., Дмитрієнко Д.В., Мальцева М.О.]. - Луганськ : СНУ ім. В.Даля, 2009. - 280 c.

Сёмин Д.А. Математическое моделирование динамики электромагнитного пневматического клапана / Д.А. Сёмин, М.Е. Сорокина, М.О. Мальцева // Вісник СНУ ім. В.Даля. - 2003. - №9 (67). - С. 118 - 123.

Сёмин Д.А. Экспериментальные исследования силового воздействия потока на запорную часть электропневматического клапана / Д.А. Сёмин, Я.И. Мальцев, М.О. Мальцева // Вісник СумДУ. - 2006. - № 5 (89). - С. 71 - 76.

Сёмин Д.А. Совершенствование динамических свойств электропневматических клапанов / Д.А. Сёмин, Я.И. Мальцев, М.О. Мальцева // „Промислова гідравліка і пневматика” Всеукраїнський науково-технічний журнал. - Вінниця : ВДАУ. - 2006. - № 3 (13). - С. 103 - 106.

Мальцева М.О. Исследование гидродинамики проточной части электропневматического клапана [Електронний ресурс] / М.О. Мальцева // Вісник СНУ ім. В.Даля. - 2009. - №3Е. - Режим доступу до журн. : http://nbuv.gov.ua./e-journals/Vsunud/2009-3E/09mmohek.htm.

Сьомін Д.О. Оптимізація параметрів розвантажувального пристрою електропневматичного клапана / Д.О. Сьомін, М.О. Мальцева, Я.І. Мальцев // Вісник СНУ ім. В.Даля. - 2010. - № 5 (147), Ч1. - С. 254 - 261.

Пат. 69673 А Україна, МПК F16K31/02. Електропневматичний перетворювач / Сьомін Д.О., Павлюченко В.О., Мальцев Я.І., Мальцева М.О. ; заявник та патентовласник СНУ ім. В.Даля. - № 20031110237; заявл. 13.11.2003; опубл. 15.09.2004, Бюл. №9.

Пат. 68785 А Україна, МПК F16К31/02 Електропневматичний клапан / Сьомін Д.О., Мальцева М.О., Роговий А.С., Дмітрієнко Д.В. ; заявник та патентовласник СНУ ім. В.Даля. - № 2003109587; заявл. 24.10.2003; опубл. 16.08.2004, Бюл. №8.

Пат. 9908 U Україна, МПК F16К31/02. Електропневматичний клапан / Сьомін Д.О., Павлюченко ВО., Мальцев Я.І., Мальцева М.О. ; заявник та патентовласник СНУ ім. В.Даля. - № u200503826; заяв. 22.04.2005; опубл. 17.10.2005, Бюл. №10.

Пат. 16822 Україна, МПК F16К31/02. Електропневматичний клапан / Сьомін Д.О., Павлюченко В.О., Мальцев Я.І., Мальцева М.О. ; заявник та патентовласник СНУ ім. В.Даля. - № u200602667; заявл. 13.03.2006; опубл. 15.08.2006, Бюл. №8.

Пат. 48514 U Україна, МПК F16К31/02. Електропневматичний клапан / Сьомін Д.О., Павлюченко В.О., Мальцев Я.І., Мальцева М.О. ; заявник та патентовласник СНУ ім. В.Даля. - № u200908741; заявл. 20.08.2009; опубл. 25.03.2010, Бюл. №6.

Семин Д.А. Совершенствование характеристик электропневматических преобразователей / Д.А. Семин, М.О. Мальцева // Науковці ? підприємствам і установам регіону : зб. наук. праць Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля. : IX міжнар. наук. - прак. конф. “Університет і регіон”, 10 - 12 грудня 2003 р. : тези доп. - Луганськ : СНУ ім. В.Даля. - 2004. - Ч. 2. - С. 195.

Семин Д.А. Математическое моделирование трехмерных турбулентних течений в проточной части электромеханического клапана / Д.А. Семин, М.О. Мальцева // Промислова гідравліка і пневматика : IX міжн. наук. - техніч. конф. АСПГП, 22 - 23 квіт., 2008 р. : тези доп. - Кременчук, 2008. - С. 37.

Сёмин Д.А. Экспериментальные исследования гидравлических характеристик проточной части электропневматических клапанов / Д.А. Сёмин, Я.И. Мальцев, В.А. Павлюченко, М.О.Мальцева // Міжнародні Далівські читання : зб. наук. праць Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля: XI міжн. наук. - прак. конф. з проблем вищої школи «Університет і регіон», 19 - 20 жовт., 2005 р. : тези доп. - Луганськ: СНУ ім. В.Даля. - 2006. - Ч. 2. - С. 153.

АНОТАЦІЯ

Мальцева М.О. «Удосконалювання робочих характеристик струминних виконавчих пристроїв». ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати. ? Сумський державний університет, Суми, 2010 р.

У дисертаційній роботі наведені результати теоретичного узагальнення і нове рішення наукової задачі, що полягає в удосконаленні робочих характеристик струминних виконавчих пристроїв (СВП) за рахунок поліпшення статичних і динамічних характеристик електропневматичного клапана (ЕПК), яке досягається підвищенням його пропускної спроможності і швидкодії. На розроблених адекватних математичних моделях отримані картини течії у вихідному каналі при різних положеннях запірного елемента, пропускна спроможність клапана та процеси відкриття і закриття ЕПК. Знайдена залежність гідродинамічної сили, що діє на запірний елемент клапана з боку робочого середовища. Адекватність математичної моделі підтверджено порівнянням картин течії, отриманих методом візуалізації, і розподілу тиску по поверхні щілинного дифузора з даними чисельного експерименту. Розрахунковим шляхом отримані апроксимаційні залежності часу закриття та сумарного часу відкриття і закриття ЕПК від параметрів розвантажувального пристрою та визначено оптимальні їхні співвідношення, які дозволили отримати мінімальний час відкриття і закриття. Методика інженерного розрахунку СВП доповнена урахуванням особливостей удосконаленого ЕПК і дозволяє отримати СВП з більш високими статичними і динамічними характеристиками.

Ключові слова: струминний виконавчий пристрій, електропневматичний клапан, дифузор, математична модель, статична і динамічна характеристики, пропускна спроможність.

АННОТАЦИЯ

Мальцева М.О. «Совершенствование рабочих характеристик струйных исполнительных устройств». ? Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 - гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. ? Сумской государственный университет, Сумы, 2010г.

Улучшение рабочих характеристик струйных исполнительных устройств (СИУ) достигнуто за счет усовершенствования статических и динамических характеристик электропневматического клапана (ЭПК), а именно: повышения его пропускной способности и быстродействия, уменьшения потребляемой мощности. На разработанных адекватных математических моделях получены картины течения в выходном канале при разных положениях запорного элемента, пропускная способность клапана и переходные процессы открытия и закрытия ЭПК. Численными методами найдена и подтверждена экспериментальным путем зависимость аэродинамической силы, действующей на запорный элемент клапана со стороны рабочего потока, и пропускная способность дренажного дросселя. Установлено, что сила линейно уменьшается с увеличением хода клапана и при его значении равном уменьшается вдвое. Показано, что снижение расчетной пропускной способности ЭПК связано с отрывом потока от нижней стенки диффузора. Повышение пропускной способности достигнуто профилированием проточной части. Для подтверждения адекватности математической модели течения в проточной части ЭПК проведена визуализация течения в выходном канале клапана и получено распределение давления по поверхности щелевого диффузора. Для повышения пропускной способности ЭПК проведено профилирование его проточной части. Расчетным путем получены аппроксимационные зависимости времени закрытия и суммарного времени открытия и закрытия клапана от параметров разгрузочного устройства. Определены оптимальные значения относительной эффективной площади дросселя наполнения и относительного «мертвого» объема камеры над сердечником, обеспечивающие минимальное время открытия и закрытия клапана. Дополнена и расширена методика инженерного расчета СИУ учетом особенностей, привносимых усовершенствованным ЭПК, позволяющая получить СИУ с наилучшими статическими и динамическими характеристиками.

Ключевые слова: струйное исполнительное устройство, электропневматический клапан, диффузор, математическая модель, статическая и динамическая характеристики, пропускная способность.

SUMMARY

Marina O. Maltseva «Perfection of Operating Characteristic of Jet Final Control Sets». ? the manuscript.

Thesis on support of a scientific degree of the candidate of technical science on specialty 05.05.17 ? Hydraulic machines and hydropneumatics sets.? Sumy State University, Sumy, 2010

In thesis the results of theoretical generalization and the new decision of a scientific task which consists of improvement of operating characteristic of Jet Final Control Sets (JFCS) at the expense of improvement static and dynamic characteristics of the electro pneumatic valve (EPV) are presented. It is reached by increasing of its throughput and speed. On the developed adequate mathematical models current pictures in the target channel are received at different positions block element, throughput of the valve, processes of opening and closing EPV. The dependence of hydrodynamic force which operates on block element of the valve from a working environment is found. Adequacy of mathematical model is confirmed by comparison of pictures of the current received by a method of visualization, and pressure distribution on a surface slot-hole diffuser with data of numerical experiment. Approximation expressions of closing time both total time of opening and closing EPV from parameters of the unloading device are received. Their optimum parities have allowed to receive minimum time of opening and closing. The technique of engineering calculation JFCS is added by the account of features improved EPV and allows to receive JFCS with higher static and dynamic characteristics.

Keywords: jet final control sets, electropneumatic valve, diffuser, mathematical model, static and dynamic characteristics, throughput.

Размещено на Allbest.ru

...