Методологічні основи проектування аксіально-поршневих гідромашин високого технічного рівня

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)

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)

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.

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. 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 похи-лим 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 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. 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.

Анотації

Ніколенко І.В. Методологічні основи проектування аксіально-поршневих гідромашин високого технічного рівня. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.02.02 - машинознавство. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2006.

Дисертація присвячена створенню методології проектування аксіально-поршневих гідромашин високого технічного рівня. Обґрунтована та розроблена методологія проектування АПГ високого технічного рівня з застосуванням ієрархічної багаторівневої моделі, створеної на основі морфологічного принципу декомпозиції з встановленням внутрирівневих та міжрівневих зв'язків за значенням критеріальних показників технічного рівня і умовам працездатності, що визнані визначальними для цих зв'язків. Для такої моделі АПГ основою проектування є аналітичне визначення раціональних параметрів КВ вузла шляхом системного розгляду кінематики, умов міцності, жорсткості, довговічності й енергетичної ефективності. Виконано аналіз впливу конструктивних схем на питомі показники АПГ. Розроблена методика вибору розмірів ЦПГ по відносних параметрах, встановлені значення кутів нахилу блоку циліндрів або диска для забезпечення мінімальних осьових габаритів гідромашини. Розроблена методика розрахунку довговічності гідромашин, яка лімітується втомленою міцністю блоку циліндрів. Досліджено вплив деформацій деталей ЦПГ на енергетичну ефективність гідромашини. Представлені основні способи та параметри гідравлічного розвантаження ЦПГ та розроблена його математична модель. Створені та досліджені гідромашини із похилим блоком і конічним регулюванням робочого обєму.

Ключові слова: аксіально-поршнева гідромашина, циліндро-поршнева група, блок циліндрів, модель, міцність, жорсткість, довговічність.

Николенко И.В. Методологические основы проектирования аксиально-поршневых гидромашин высокого технического уровня. - Рукопись. - Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.02 - машиноведение. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2006.

Диссертация посвящена созданию методологии проектирования аксиально-поршневых гидромашин (АПГ) высокого технического уровня. Обоснована и разработана методология проектирования АПГ высокого технического уровня с применением иерархической многоуровневой модели, созданной на основе морфологического принципа декомпозиции с установлением внутриуровневых и межуровневых связей по значениям критериальных показателей технического совершенства и условиям работоспособности, которые признаны определяющими для этих связей. Основой проектирования АПГ для такой модели есть аналитическое определение рациональных параметров качающего узла путем системного рассмотрения кинематики, условий прочности, жесткости, долго-вечности и энергетической эффективности.

Проанализировано влияние конструктивных схем гидромашин на показатели технического уровня. Исследованы показатели типоразмерных рядов серий гидромашин основных фирм производителей, которые определяют современный технический уровень. Установлены наилучшие показатели серий АПГ по удельной массе, энергоемкости, габаритам, удельной стоимости единицы массы и мощности в виде зависимостей относительно рабочего объема.

Обоснован выбор расчетной схемы цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), разработана ее многопараметрическая модель и представлены основы выбора рациональных геометрических параметров качающих узлов АПГ. Сформулированы условия выбора рациональных относительных размеров блоков цилиндров, которые заключаются в том, что радиальные его размеры выбираются из условия равнопрочности опасных сечений, а диапазон осевых размеров определяется из условия обеспечения рациональной жест-кости цилиндров блока и его донной части.

Представлена методика выбора рациональных конструктивных размеров ЦПГ по относительным параметрам из совместного рассмотрения условий кинематики, равнопрочности блока цилиндров и рациональной жесткости его цилиндров. Методика дает возможность при заданном рабочем объеме, максимальном давлении гидромашины и прочностных характеристиках материала блока цилиндров определять минимальные радиальные и осевые размеры качающих узлов. Определены условия и параметры при которых обеспечиваются минимальные габариты качающих узлов.

Разработана методика моделирования и расчета долговечности гидромашины, которая лимитируется усталостной прочностью блока цилиндров. Определены цикли-ческие напряжения в опасных зонах блока на основе расчетных зависимостей для на-хождения радиальных, осевых, окружных и интенсивности напряжений в сечениях перемычки между цилиндрами. Экспериментально определены характеристики усталости сплавов на основе меди, из которых изготавливают блоки цилиндров. Определены уровни номинального давления, которых можно достичь при использовании сплавов на основе меди и применении разных технологических операций по упрочнению этих материалов.

Предложена методика моделирования энергетических потерь в качающих узлах и выполнено исследование влияния деформаций деталей ЦПГ на потери мощности. Установлено, что при фиксированной длине цилиндра существует предельная длина уплотнительной части поршня, дальнейшее увеличение которой не приводит к сни-жению утечек в ЦПГ, а при фиксированной длине уплотнительной части поршня при изменении длины цилиндра утечки достигают некоторой постоянной величины, которая не зависит от длины цилиндра. Определены суммарные потери мощности в ЦПГ и установлено, что на величину средних и амплитудных значений потерь мощности наибольшее влияние оказывает величина рабочего давления. Потери мощности на жидкостное трение уменьшают влияние технологических зазоров на потери мощности на утечки.

Запатентованы конструкции и определены параметры гидравлической разгрузки ЦПГ, которые позволяют повысить прочность, жесткость и долговечность качающих узлов. Несомненным преимуществом гидравлической разгрузки является сохранение размера и формы зазора в ЦПГ при повышении рабочего давления, которое стабилизирует и повышает энергетическую эффективность и долговечность гидромашины. Выполнен сравнительный анализ основных способов гидравлической разгрузки. Разработана математическая модель гидравлической разгрузки, на основе которой создана методика расчета относительной радиальной деформации цилиндров для разных способов гидравлической разгрузки. Показано, что эффективность гидравлической разгрузки по-вышается с увеличением угла наклона качающего узла и длины уплотнительной части поршня.

Выполнена сравнительная оценка различных способов регулирования рабочего объема АПГ с наклонным блоком цилиндров. Разработан и запатентован новый способ регулирования рабочего объема - “коническое регулирование”, которое состоит в том, что изменение угла между осями вала и блока осуществляется путем поворота оси обращения блока по воображаемой поверхности конуса, ось которого проходит через точку пересечения осей вала и блока и образует с осью последнего острый угол. Определены основные кинематические характеристики гидромашин с коническим регулированием. Установлено, что при коническом регулировании обеспечивается увеличение числа регулировочных характеристик, реверсирования рабочего потока при оптимальных минимальных углах наклона, снижения усилий регулирования, уменьшение энергетических потерь, а также улучшение технологичности конструкции.

Разработан и запатентованный ряд конструкций гидравлических стендов с реку-перацией мощности, в которых для расширения функциональных возможностей по изменению и автоматизации режимов испытаний применены регулированные гидро-машины.

Ключевые слова: аксиально-поршневая гидромашина, цилиндро-поршневая группа, блок цилиндров, модель, прочность, жесткость, долговечность.

Nikolenko I.V. The methodological bases of designing axial piston hydromachine of a high technical level. - Manuscript. - The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor technical sciences on a speciality 05.02.02 - engineering science. - Odessa national polytechnic university, Odessa, 2006.

The dissertation is devoted to creation of methodology of designing of axial piston hydromachines (APH) of a high technological level. The methodology of designing APH of a high technical level with application of the hierarchical multilevel model created on the basis of a morphological principle of decomposition with definition of connections inside levels and between levels on values of criterion parameters technical perfection and conditions of serviceability which are recognized determining for these connections is proved and developed. For this model APH the methodological basis of designing is analytical definition of rational parameters of the swinging unit by system consideration of kinematics, conditions of solidity, rigidity, durability and power efficiency. The analysis of influence of constructive circuits on specific parameters of axial piston hydromachines is executed. The choice of the settlement circuit is proved, the mathematical model of pumping unit is created and bases of a choice of their rational geometrical parameters are formulated. The technique of a choice of the sizes of pumping unit on relative parameters is developed, values of corners of an inclination of the block of cylinders or a disk for maintenance of the minimal axial dimensions of the hydromachine are established. The design procedure of durability of hydromachines which is limited fatigue by durability of the block of cylinders is developed. Influence of deformations of details pumping unit on power characteristics of the hydromachine is investigated. The basic ways and parameters of hydraulic unloading of pumping unit are submitted and its mathematical model is developed. Questions of creation and research of hydromachines with the inclined block of cylinders and conic regulation of working volume are considered.

Key words: an axial piston hydromachine, the pumping unit, block of cylinders, the model, solidity, rigidity, durability.

Размещено на Allbest.ru

...