Методы расчёта и проектирования аксиально-поршневых гидромашин силовых регулируемых гидроприводов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность проблемы. Конкурентоспособность, техническое совершенство и функциональные возможности современных гидрофицированных рабочих машин и оборудования в значительной мере определяются техническими характеристиками используемых в них аксиально-поршневых силовых регулируемых гидравлических приводов. Постоянно растущие требования к рабочим нагрузкам, точности позиционирования, скоростям и ускорениям движения рабочих органов этих машин вызывают необходимость дальнейшего инновационного развития гидропривода, связанного с повышением удельной мощности, К.П.Д., надёжности и других показателей качества их основных элементов - аксиально-поршневых гидромашин (АПГМ). Реализация этих тенденций путём использования, в частности, высокого рабочего давления жидкости в настоящее время приводит к повышению объёмных и механических потерь, нагрузок и износа пар трения АПГМ и, тем самым, снижению К.П.Д., уменьшению диапазона и точности функционирования, ухудшению надёжности их работы и, в целом, снижению качества гидроприводов. Следует отметить, что при существующей тенденции дальнейшего повышения давления жидкости отрицательное влияние данных факторов на показатели качества работы АПГМ и силовых регулируемых гидроприводов будут возрастать.

Таким образом, сформировалась актуальная научно - техническая проблема повышения качества силовых регулируемых гидравлических приводов с АПГМ. Решение данной проблемы, в настоящее время, прежде всего связано с повышением эффективности существующего процесса проектирования этих гидроприводов и их элементов.

В этих условиях известные методы расчёта и проектирования АПГМ, базирующиеся, как правило, на упрощённых и полуэмпирических зависимостях и моделях, отражающие в большинстве случаев установившиеся режимы работы, не позволяют обеспечивать при проектировании необходимое качество гидромашин и гидроприводов в целом, в связи с чем увеличивается время на доводку опытных образцов и освоение серийного производства.

Поэтому перспективным направлением решения проблемы повышения качества силовых регулируемых гидроприводов является разработка и совершенствование методов расчёта и проектирования АПГМ, входящих в их состав.

Существующее противоречие между практической потребностью в повышении удельной мощности, К.П.Д. и надёжности АПГМ и силовых регулируемых гидроприводов, с одной стороны, и ограниченными возможностями известных методов их расчёта и проектирования, с другой, определяют актуальность исследований в этом направлении.

Данная работа, посвящённая решению проблемы повышения качества создаваемых силовых регулируемых аксиально-поршневых гидроприводов и реализующая указанное направление, содержит научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие отечественного гидроприводостроения, играющего важную роль в экономике и обеспечении обороноспособности страны.

Цель работы. Повышение качества силовых регулируемых гидроприводов за счёт совершенствования методов расчёта и проектирования АПГМ на основе формализации функционирования гидромашин как кинематически сложных механизмов с элементами различной физической природы.

Задачи исследований.

1. Разработка логических схем и методик проектирования силовых регулируемых гидроприводов и АПГМ.

2. Построение системы математических моделей АПГМ как кинематически сложных механизмов с элементами различной физической природы и различным уровнем идеализации протекающих в них процессов.

3. Разработка методов расчёта и методики определения оптимальных параметров АПГМ.

4. Создание программного обеспечения методов расчёта АПГМ.

5. Проверка адекватности методов расчёта и проектирования АПГМ.

6. Разработка методик экспериментальной оценки технических показателей работоспособности АПГМ.

7. Разработка на основе результатов расчётно-экспериментальных исследований новых конструктивных решений АПГМ.

Методы исследований. При разработке и исследованиях в диссертационной работе использованы основные положения механики жидкости и газа, теоретической механики, теории машин и механизмов, деталей машин, теории объёмных гидромашин и гидроприводов, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, методов математического моделирования, оптимизации, экспериментальных исследований. Достоверность и обоснованность полученных научных результатов подтверждаются корректностью использования известных научных положений математики, механики, гидравлики, результатами расчётных и экспериментальных исследований, практикой проектирования АПГМ и создания силовых регулируемых гидроприводов.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработаны логические схемы проектирования силовых регулируемых гидроприводов и АПГМ, включающие:

· алгоритм проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ, обеспечивающий возможность корректировки параметров и структуры АПГМ и гидропривода на каждом этапе проектирования;

· алгоритм проектирования АПГМ, отражающий возможность максимального использования существующей номенклатуры АПГМ с учётом условий и режимов работы гидромашин в гидроприводе.

2. Реализован системный подход к описанию функционирования АПГМ как кинематически сложных механизмов с элементами различной физической природы, заключающийся в совместном использовании математических аппаратов механики и гидравлики.

3. Разработана система математических моделей различного уровня идеализации, отражающих особенности конструкции и функционирования АПГМ и соответствующих решаемым задачам на отдельных этапах процесса проектирования.

4. Предложена методика определения оптимальных параметров АПГМ на основе исследования протекающих в них процессов.

5. Разработаны методы расчёта элементов АПГМ и полученные на этой основе средства коррекции их технических характеристик.

6. Разработаны методики и программное обеспечение для реализации проектных процедур в рамках предложенной логической схемы проектирования АПГМ.

Практическая ценность работы. Разработаны основы методического обеспечения расчётов и проектирования АПГМ, позволяющие:

· повысить качество АПГМ и гидроприводов, а также снизить затраты времени и средств на их разработку за счёт автоматизации расчётов и учёта на стадии проектирования гидромашин динамического взаимодействия их элементов;

· осуществить выбор конструктивных параметров АПГМ, обеспечивающих требуемые выходные характеристики гидромашины и гидропривода;

· улучшить существующие, разработать и исследовать новые конструкции АПГМ, отвечающие современным требованиям к силовым регулируемым гидроприводам.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные положения и результаты исследований, полученные в диссертационной работе, использованы при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проектированию, модернизации и доводке аксиально-поршневых гидромашин с наклонным блоком цилиндров и наклонным диском, а также при разработке и освоении серийного производства аксиально-поршневых гидроприводов различного назначения, на ряде предприятий, среди которых ОАО «Ковровский электромеханический завод», ФГУП «ВНИИ «Сигнал», Кирово-Чепецкий химический комбинат, ООО «Экскаваторный завод «Ковровец», КБ «Арматура» - филиала ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и другие.

Предложенные и научно обоснованные методы расчёта АПГМ, математические модели ходовой части АПГМ и критериальные уравнения распределительного узла, результаты расчётов оптимальных размеров блока цилиндров, поршней и распределительных дисков, алгоритмы проектирования АПГМ и гидроприводов, методы выбора АПГМ и их испытаний нашли применение в разной степени в следующих промышленных образцах и новых разработках:

· аксиально - поршневых гидромашинах с наклонным блоком цилиндров и наклонным диском с рабочими объёмами соответственно 3, 9, 16, 32, 140 см3/оборот и 9, 15, 33, 89, 112, 300 см3/оборот;

· партии аксиально - поршневых гидромашин с рабочим объёмом 16 см3/оборот для испытательных стендов;

· аксиально - поршневых гидроприводах поворота платформы и стрелоподъёмных механизмов экскаваторов ЭО - 4225А-06, ЭО - 4225А - 07, ЕТ-26;

· аксиально-поршневом насосе гидростанции насоса крови;

· электрогидравлических системах установок формообразования бесшовных соединительных деталей для трубопроводов космических объектов и наземных систем;

· аксиально - поршневых силовых регулируемых гидроприводах новых образцов систем наведения и валочно - пакетирующей машины EF - 26, находящихся в разработке;

· учебном процессе специальностей 121100 «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» и 071800 «Мехатроника» ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярёва».

Основные защищаемые положения диссертации:

· логические схемы проектирования, включающие алгоритмы проектирования АПГМ и силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ;

· системный подход к описанию функционирования АПГМ как кинематически сложных механизмов с элементами различной физической природы;

· система математических моделей различного уровня идеализации, отражающих особенности конструкции и функционирования АПГМ;

· методика определения оптимальных параметров АПГМ, разработанная на основе исследования протекающих в них процессов;

· методы расчёта элементов АПГМ и полученные на этой основе средства коррекции их технических характеристик;

· методики и программное обеспечение для реализации проектных процедур в рамках предложенной логической схемы проектирования АПГМ;

· результаты расчётных и экспериментальных исследований АПГМ и гидроприводов, полученные рекомендации и конструктивные решения узлов и деталей, результаты внедрения выполненных исследований в промышленные образцы и новые разработки.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: всесоюзной научно-технической конференции «Новое в проектировании и эксплуатации гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики (Ленинград, 1981 г.), научно-технических конференциях Владимирского политехнического института «Учёные института - народному хозяйству» (Владимир, 1984, 1985.), XXV научно-технической конференции Владимирского политехнического института «Научные исследования института - техническому и культурному прогрессу» (Владимир, 1990г.), всесоюзной научно-технической конференции Ассоциации специалистов промышленной гидравлики и пневматики «Проектирование, производство и эксплуатация систем гидропневмопривода, гидропневмоавтоматики, гидропневмомашин и их компонентов» (Киев, 1991г.), XIV, XV, XVI, XVII научно-технических конференциях Ковровского технологического института (Ковров, 1992, 1993, 1994, 1995г.), международной научно-технической конференции «Гидропневмоавтоматика и гидропривод» (Ковров, 1995г.), всероссийской научно-технической конференции «Системы управления - конверсия - проблемы» (Ковров, 1996г.), международных научно-технических конференциях «Гидромеханика, гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (Москва, 1996, 2000г.), международной научно-технической конференции «Гидравлика и пневматика - 98» (Брно, Чехия, 1998 г.), всероссийской научно-технической конференции «Пневмоавтоматика - 99» (Москва, 1999 г.), III международной научно-технической конференции «Управление в технических системах - XXI век» (Ковров, 2000 г.), международной научно-технической конференции «Проблемы транспортных и технологических комплексов» (Нижний Новгород, ГТУ, 2002 г.), международных научно-технических конференциях «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Ковров - 1999, 2000 г., Сочи - 2004 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано самостоятельно или в соавторстве более 60 работ, в том числе одна монография, 9 работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, 11 патентов и авторских свидетельств на изобретения и полезные модели, 15 тезисов докладов на всесоюзных, международных и всероссийских научно-технических конференциях.

1. Анализ состояния, перспектив и проблем применения и развития конструкций, условий работы, методов расчёта и проектирования современных АПГМ силовых регулируемых гидроприводов

Одним из наиболее перспективных направлений развития современного гидроприводостроения считается создание объёмных силовых регулируемых гидроприводов с роторными аксиально-поршневыми гидромашинами. Они получили широкое применение в электрогидромеханических системах станков, строительных и дорожных машин, в системах наведения различных видов вооружения и военной техники и других технических объектах (рис. 1).

Рис. 1. Обобщённая структурная схема электрогидромеханической системы: ГП - силовые регулируемые гидропривода; ГМi - аксиально - поршневой гидромотор; Н - аксиально-поршневой насосный агрегат; ИС - измерительная система; УС - управляющая система; ИЭ - источник энергии; МПi - механическая передача; ОРi - объект регулирования; в - управляющий сигнал; qi - входной сигнал ГП, бi- регулируемый сигнал; ДД и ДУ -датчики давления и регулируемого сигнала

В соответствии с установившимися в настоящее время тенденциями развития этих отраслей очевидным направлением инновационного развития данных гидроприводов является повышение их удельной мощности, что реализуется за счёт применения высокого давления жидкости с использованием в качестве базовых элементов аксиально-поршневых насосов и гидромоторов повышенной удельной мощности. Такое техническое решение привело к ухудшению ряда показателей качества АПГМ: снижению объёмного и механического К.П.Д., увеличению минимально устойчивой частоты вращения вала и крутящего момента страгивания, повышению минимального времени изменения рабочего объема, характеризующего быстродействие АПГМ. Полученная тенденция изменения данных показателей является следствием повышенных потерь мощности в парах трения скольжения, особенно блок цилиндров - торцевой распределитель, поршни - стенки цилиндров, являющихся наиболее ответственными и типичными узлами данных гидромашин. Кроме того, в этих парах имеет место неравномерность локального износа сопряженных поверхностей, что приводит к снижению герметичности рабочих камер и распределительного узла, образованию сложной картины трения между ними, снижению устойчивости движения блока цилиндров, дополнительному загрязнению рабочей жидкости и другим нежелательным явлениям. Приведены особенности и недостатки общепринятых методов проектирования, расчёта и математических моделей АПГМ. Известные методы расчёта и математические модели АПГМ, как правило, описывают установившиеся режимы работы и основываются на упрощенных физических моделях узлов и полуэмпирических зависимостях, что не позволяет с достаточной достоверностью рассчитать оптимальные соотношения между параметрами элементов гидромашины. Отмечено, что процесс проектирования АПГМ представляет собой итеративный процесс, позволяющий постепенным улучшением первоначального варианта гидромашины (чаще опытным путём) подойти к варианту, удовлетворяющему заданным требованиям.

На основании результатов анализа конструкций, особенностей работы, методов проектирования и расчёта АПГМ сформулированы цель работы и поставлены задачи исследований.

2. Разработка методических основ проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ

На основе современной методологии создания машин и оборудования разработан обобщённый алгоритм проектирования силовых регулируемых гидроприводов, включающий процесс проектирования АПГМ (рис. 2).

Рис. 2. Алгоритм проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ

При его разработке на основе системного подхода и принципа декомпозиции обеспечена возможность корректировки параметров и структуры АПГМ и всего гидропривода на каждом этапе проектирования.

Сформулированы принципы построения процесса проектирования АПГМ, представлен, разработанный на их основе, алгоритм проектирования этих гидромашин (рис. 3). В основу подхода к проектированию АПГМ положен принцип первоочередного и максимального использования существующей номенклатуры этих гидромашин. Предлагаемый алгоритм проектирования АПГМ предусматривает три варианта построения проектировочного процесса. Первый вариант состоит в попытке отыскания и обоснования возможности применения уже известных типоразмеров гидромашин. Этот вариант реализуется путем анализа существующей научно-технической информации.

Если первый вариант не дает положительного результата, то исследуется возможность создания гидромашины под заданные требования на основе выбранной гидромашины-аналога, имеющей конструктивную типовую схему.

Второй вариант реализуется с помощью методик расчёта и программных продуктов, разработанных применительно к определенным конструктивным схемам деталей, узлов и гидромашин.

Третий вариант предусматривает создание АПГМ на основе оригинальных конструктивных решений составных частей и базируется на обобщённом математическом и программном обеспечении.

Проектирование АПГМ по второму и третьему вариантам проводится с использованием асимптотического метода формирования облика объекта проектирования, предусматривающего начальный выбор конструктивных параметров на основе статических моделей и последующее уточнение этих параметров на этапах анализа характеристик, корректировки и оптимизации параметров, базирующихся на динамических моделях (системах: критериальных уравнений торцевого распределительного узла и математических моделей ходовой части АПГМ).

Исходя из условий и режимов работы АПГМ с учётом основ теории подобия роторных гидромашин определены критерии и разработана методика автоматизированного выбора АПГМ - аналогов.

В соответствии с техническим заданием формируется блок исходных данных и производится выбор гидромашин по степени близости технических характеристик к заданным.

Осуществляется расчёт критериев, характеризующих работоспособность и технические возможности выбранного ряда гидромашин, и по их значениям с учётом энергетических потерь, массогабаритных характеристик, величины максимального давления производится выбор АПГМ - аналога. В качестве основных критериев были приняты следующие: технические параметры АПГМ - рабочий объем (V0), перепад давлений, частота вращения (n), К.П.Д., динамический коэффициент вязкости жидкости (м), рабочий диапазон температур; Св - коэффициент скорости; П - приёмистость гидродвигателей; Gуд - удельный вес гидромашины; х - металлоёмкость конструкции.

Рис. 3. Алгоритм проектирования АПГМ

При создании алгоритма проектирования АПГМ были также реализованы следующие основные положения:

- предложенная система проектных процедур позволяет вести направленный поиск параметров конструкции гидромашин на всех уровнях проектирования, оперируя лишь с ограниченной информацией, т.е. реализован принцип декомпозиции процесса проектирования;

- процесс проектирования АПГМ построен на основе системного подхода, базирующегося на том, что функционирование деталей и узлов АПГМ оказывают влияние на работу других элементов гидромашины;

- разработанная система проектирования АПГМ предполагает использование математических моделей с различным уровнем идеализации и позволяет проводить качественную проработку конструкций деталей и узлов АПГМ.

3. Математические модели ходовой части АПГМ, описывающие с различным уровнем идеализации конструктивные и функциональные особенности АПГМ как кинематически сложных механизмов с учётом наличия жидкости как элемента конструкции

Математическая модель ходовой части АПГМ с наклонным блоком цилиндров. В качестве объекта исследования рассмотрена нерегулируемая АПГМ с наклонным блоком цилиндров, шатунным ведением поршней и плоским торцевым распределителем. Для исследования кинематических характеристик ходовой части этой гидромашины введены неподвижная система координат OXOYOZO с центром в точке пересечения оси вала и плоскости центров сферических головок шатунов и подвижные системы координат: OВXВYВZВ - жестко связанная с валом и вращающаяся с ним со скоростью щ; O2XБКYБКZБК - связанная с блоком цилиндров, вращающаяся со скоростью щ1 и отклоненная от неподвижной системы координат на углы г1, г2, б1; CП XП YП ZП - жестко связанная с поршнем; CШХШYШZШ - жестко связанная с шатуном. Для определения движений блока цилиндров использованы углы , , , характеризующие его повороты относительно осей; величина yсбц, характеризует осевое перемещение центра масс блока цилиндров; углы , , определяют положение поршня относительно блока цилиндров; углы , , определяют положение шатуна относительно поршня.

Рассматриваемая механическая система -- ходовая часть АПГМ -- состоит из блока цилиндров, n - поршней и n - шатунов. Кинетическая энергия данной системы T равна сумме кинетических энергий блока цилиндров Тбл., поршней Тi и шатунов Тj: Т = Тбл +? (Тi + Тj), где i, j =1,2,...n.

На механическую систему блок цилиндров -- поршни -- шатуны действуют внешние силы, в соответствии с которыми построены выражения для обобщённых сил Qд, Qм, Qн, QyСБЦ, Qсi, Qуi, Qчi, Qi рассматриваемой механической системы.

Для вывода уравнений движения механической системы блок цилиндров -- поршни -- шатуны использовано уравнение Лагранжа 2-го рода. В результате получена математическая модель ходовой части АПГМ с наклонным блоком цилиндров в виде системы 8-го порядка нелинейных дифференциальных уравнений с правой частью, зависящей от обобщенных координат. (В виду большой сложности уравнений эта система в автореферате не приведена).

При этом следует отметить, что четыре уравнения описывают движения блока цилиндров, три -- движения i-го поршня и одно уравнение -- движение i-го шатуна.

Математическая модель ходовой части АПГМ (обобщённая). В качестве объекта исследования выбрана нерегулируемая АПГМ с углом наклона блока цилиндров к вертикали г, плоским торцевым распределительным диском, работающая в режиме насоса.

Под действием внешних сил между сопряженными поверхностями распределительного диска и блока цилиндров образуется зазор, заполненный рабочей жидкостью под давлением и имеющий форму клина.

При вращении блока цилиндров с полостью высокого давления соединяется (n ± 1)/2 цилиндров, что является причиной ступенчатого характера изменения величины гидравлических сил блока с частотой , а также изменения высоты zc стыкового зазора и угла наклона торцевой поверхности блока к сопряжённой поверхности распределительного диска.

Считалось, что связи, наложенные на блок цилиндров и поршни, - идеальные; на механическую систему действуют только внешние активные силы; влиянием на движение блока цилиндров с поршнями массы, температуры, вязкости и плотности жидкости, находящейся в цилиндрах и зазоре между распределительными поверхностями, пренебрегаем.

Рассмотрена кинематика механической системы, состоящей из блока цилиндров массой М и n поршней с массами mi, перемещающихся поступательно внутри блока в цилиндрических отверстиях диаметром dц (рис. 4). Здесь точка О - центр масс блока цилиндров при статическом равновесии механической системы; XYZ - неподвижная система координат, жестко связанная с торцевым распределителем; - подвижная система координат с началом в точке С - центре масс блока цилиндров; X1Y1Z1 - система координат с началом в точке O1 - центре окружности радиуса , на которой расположены центра сферических головок шатунов (точки Li); ось O1Z1 направлена по нормали к поверхности Земли под углом к оси OZ. Точка O1 в системе XYZ имеет координаты: x01 = 0, y01 = a, z01 = b.



Рис. 4. Кинематическая схема механической системы блок цилиндров - поршни

При работе гидромашины блок цилиндров совершает сферическое движение вокруг точки С и поступательное движение вдоль оси OZ. При этом механическая система блок - поршни имеет четыре степени свободы, характеризующиеся четырьмя обобщенными координатами - zc, , , (, -углы поворота блока вокруг осей OZ и С).

Кинетическая энергия системы Т равна сумме кинетических энергий блока цилиндров Тбл. и поршней Тi. Получены выражения для определения абсолютных координат точки Мi и скоростей их изменения; величины поступательного перемещения i-го поршня внутри блока цилиндров и его скорости; длины i-го шатуна li; траекторий движения точки Li в системе координат X1Y1Z1; проекций активных внешних сил и радиус-векторов, проведённых в точки их приложения, на оси неподвижной системы координат XYZ. В соответствии с известным выражением для определения обобщённой внешней силы, соответствующей обобщённой координате qi, были построены выражения для обобщённых сил Qz, Qц, Qш, Q.

С помощью уравнения Лагранжа второго рода получена математическая модель движения блока цилиндров с поршнями в виде системы четырёх обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка с правой частью, зависящей от обобщённых координат (1).

(1)

Здесь:t - время; bj = bj (t, zc, ц, ш, ); To = To (t, zc, ц, ш, ); bji =bji (t, zc, ц, ш, , ?aij/?t, ?bj/?qj); aji =aji (t, zc, ц, ш, ); cji =cji (t, zc, ц, ш, , ?aij /?qj); dji =dji (t, zc, ц, ш, ,?aij/?qj).

Известно, что кинематика и предельные характеристические возможности АПГМ с наклонным блоком и наклонным диском в большинстве случаев равноценны. Поэтому можно считать, что система уравнений (1) при некоторых допущениях также описывает движения блока цилиндров с поршнями АПГМ с наклонным диском, работающих в режиме насоса. Учитывая, что нерегулируемые АПГМ являются обратимыми машинами, то согласно общей теореме об обратимых машинах, построенная система уравнений (1) может быть использована (при определённых уточнениях) для описания движения блока цилиндров с поршнями АПГМ, работающих в режиме мотора.

Математическая модель ходовой части АПГМ при стационарном режиме работы. Рассмотрен стационарный режим движения блока цилиндров с поршнями, характеризуемый равномерным вращением блока при отсутствии отклонений по координатам zc, , . Известно, что этот режим движения является наиболее благоприятным с точки зрения износа сопряженных поверхностей блока цилиндров и торцевого распределителя, а также объёмного КПД гидромашины. Учитывая малость величин zc, , , путём линеаризации в окрестности стационарного режима движения блока цилиндров с поршнями, было проведено упрощение система дифференциальных уравнений (1). В результате была получена система уравнений, описывающая движение блока цилиндров с поршнями при стационарном режиме:

(2)

Здесь: - отклонения параметров движения рассматриваемой механической системы от стационарного режима.

4. Методы расчёта элементов АПГМ и результатам проектирования АПГМ с наклонным диском и силового регулируемого гидропривода с АПГМ

Метод расчёта параметров движения блока цилиндров, поршней и шатунов АПГМ с наклонным блоком цилиндров. Данный метод расчёта базируется на решении математической модели движения ходовой части АПГМ с наклонным блоком цилиндров, представляющей собой систему 8-го порядка нелинейных дифференциальных уравнений с правой частью, зависящей от обобщенных координат (см. главу 3). Решение этой системы реализуется численным методом Рунге-Кутта с помощью программного комплекса «GIDRMASH». Для серийной АПГМ с наклонным блоком цилиндров и рабочим объёмом 16 см3 на оборот был проведён расчёт параметров движения , , блока цилиндров, , , поршней, шатунов. В результате расчёта получены графики изменения этих параметров во времени, при этом характер и величина перемещений блока цилиндров соответствовали реальной картине его движения.

Метод расчёта отклонений параметров движения блока цилиндров с поршнями АПГМ от стационарного режима. Математическая модель движения блока цилиндров с поршнями (2) была представлена в виде системы восьмого порядка линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами. В основу метода расчёта положено решение этой системы уравнений численным методом Рунге - Кутта с использованием программы расчёта на ПЭВМ «ROTOR» (рис. 5).

Рис. 5. Блок - схема программы «ROTOR»

Осуществлялось формирование блока основных параметров гидромашины, построение системы уравнений, описывающей движение блока цилиндров с поршнями, интегрирование системы и построение графиков изменения во времени параметров z и и. При этом число цилиндров, соединённых с окном высокого давления распределителя, выбиралось с учетом угла поворота блока и параметров поступательного движения поршней. С целью апробации данного метода был проведён расчёт параметров z и и для серийной нерегулируемой АПГМ с наклонным блоком цилиндров и рабочим объемом 16 см3 на оборот, работающей в режиме насоса.

Метод расчёта рабочих параметров ходовой части АПГМ при стационарном режиме работы. Необходимые условия стационарного режима движения блока цилиндров с поршнями можно представить в виде следующих уравнений:

(3)

Разрешая первое и четвертое уравнения относительно давления Рс, а второе и третье - относительно крутящего момента Мс, приложенного к блоку, получены выражения для расчёта величины давления рабочей жидкости и момента, необходимых для равномерного вращения блока с поршнями:

(4)

При достаточной близости реального режима движения рассматриваемой механической системы к стационарному опытные величины давления Р рабочей жидкости, а также момента Мкр. должны быть примерно равными Рс1 и Рс4; и Мс2 и Мс3. В противном случае, необходимо проводить подбор частоты вращения и конструктивных параметров АПГМ.

С помощью системы уравнений (4) для АПГМ с V0 = 16 см3/оборот были рассчитаны величины давления рабочей жидкости и момента блока, необходимых для равномерного вращения блока цилиндров с поршнями при стационарном режиме движения.

Метод расчёта конструктивных параметров торцевого распределительного узла АПГМ. Торцевой распределительный узел АПГМ предназначен для выполнения уплотнительной, распределительной и опорной функций, каждая из которых базируется на совокупности характерных процессов: уплотнительная - на процессах течения жидкости в зазоре по опорно-уплотняющим поверхностям в радиальном и окружном направлениях; опорная - на динамическом равновесии блока цилиндров; распределительная - на течении жидкости в окнах распределителя и блока цилиндров.

Приняв за основу такую функциональную модель и применяя методы теории подобия и известные уравнения гидромеханики, была проанализирована работа торцевого распределительного узла АПГМ и получены следующие критериальные уравнения:

(5) ,

где r, R, , о, h, hmax, D, l, F - конструктивные параметры; Vоr - усреднённая мгновенная скорость течения жидкости в окне распределителя; - кинематический коэффициент вязкости жидкости; Р - сила тяжести блока цилиндров, с - удельная теплоемкость жидкости, Т температура, Мкр - крутящий момент на валу; - критерии Лагранжа, Рейнольдса и Струхаля (для вращательного движения) соответственно; - критерии Эйлера и Струхаля (для поступательного движения) соответственно.

Метод расчёта конструктивных параметров торцевого распределительного узла АПГМ, базирующийся на уравнениях (5), может быть представлен в виде следующей последовательности операций:

- выбирается АПГМ - аналог с близким заданному режимом работы, имеющая высокие технико-экономические показатели;

- рассчитываются для торцевого распределительного узла АПГМ - аналога значения обобщенных технических параметров (критериев подобия и симплексов), входящих в уравнения (5);

- учитывая равенство (линейный характер изменения) значений критериев подобия и симплексов при одинаковых граничных условиях для проектируемого распределительного узла и аналога, производится расчёт конструктивных параметров проектируемого распределительного узла.

С помощью данного метода были проведены расчётные исследования по оценке подобия конструкций торцевых распределительных узлов АПГМ второй модификации с рабочим объемом V0 = 3, 9, 16 см3/оборот. В результате было подтверждено приближенное геометрическое и кинематическое подобие конструкций распределительных узлов этих АПГМ.

Результаты проектирования новой АПГМ с наклонным диском рабочим объёмом 9 см3/оборот, частотой вращения 5000 мин -1 и максимальным рабочим давлением 45 МПа. На основе принципа первоочередного и максимального использования существующих АПГМ с помощью методики выбора гидромашины - аналога (глава 2) был проведён анализ параметров данного типа гидромашин и в качестве аналога выбрана АПГМ с наклонным диском рабочим объемом 15 см3 за оборот, зарекомендовавшая себя качественной работой в следящих гидроприводах. На основе анализа значений критериев Лагранжа и Рейнольдса доказана возможность форсирования АПГМ-аналога до требуемых значений рабочих параметров. С использованием разработанных методов расчёта элементов АПГМ и методики определения оптимальных параметров были уточнены конструктивные параметры блока цилиндров, торцевого распределителя и других деталей АПГМ-аналога. Таким образом, были получены для требуемых значений рабочих параметров конструктивные решения деталей и узлов проектируемой АПГМ с наклонным диском, проработана ее компоновка, разработана конструкторская документация.

Предложенная логическая схема проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ (глава 2) в достаточно полной мере были реализованы при выполнении работ по созданию гидропривода пресса специальной установки формообразования бесшовных соединительных деталей для трубопроводов космических объектов и наземных систем. В соответствии с основными принципами и разработанным алгоритмом проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ (глава 2) был построен алгоритм проектирования гидропривода пресса данных установок. Элементная база гидропривода была сформирована по первому варианту схемы, описывающей построение проектировочного процесса гидроэлементов (АПГМ). Использование разработанных принципов построения и алгоритма проектирования силовых регулируемых аксиально-поршневых гидроприводов позволили повысить качество проектирования, сократить время создания гидропривода пресса, а также повысить эксплуатационные характеристики гидропривода и всей установки.

5. Задача оптимального управления

Сформулировано её решение, приведены методика определения оптимальных параметров АПГМ в виде алгоритма и примеры её реализации, а также полученные на основе результатов расчётных исследований серийно выпускаемых АПГМ новые конструктивные решения их ходовой части и торцевого распределительного узла.

Задача оптимального управления и методика определения оптимальных параметров АПГМ. Одними из основных рабочих параметров АПГМ, определяющих надежную и долговечную работу, являются высота и величина клиновидности стыкового зазора между сопряженными поверхностями блока и распределителя. Стабилизация высоты этого зазора и угла наклона торцевой поверхности блока к сопряженной поверхности распределительного диска за счёт минимизации амплитуды их колебаний обеспечивают высокий объёмный К.П.Д. АПГМ, пониженные уровень и неравномерность износа распределительных поверхностей. Поэтому при проектировании АПГМ целесообразно задаваться такими конструктивными параметрами деталей, которые обеспечили бы минимизацию амплитуды колебаний высоты этого зазора и величины угла . В связи с этим в качестве критерия оптимальности был выбран функционал определяющий суммарную величину отклонения от стационарного режима по переменным z и . При этом задача оптимального управления была поставлена следующим образом: необходимо выбрать параметры гидромашины так, чтобы на всех траекториях системы уравнений (2) обеспечивался минимум целевой функции Fo.

Система дифференциальных уравнений (2) была представлена в виде:

, (6)

где А, В, С - матрицы, зависящие от времени и параметров АПГМ;

Х - вектор обобщенных координат системы; F(t) - вектор-функция внешних возмущений;

Были построены также функция Гамильтона:

(7)

и сопряженная система дифференциальных уравнений:

, (8)

где - четырехмерные вектор-функции.

Согласно принципа максимума Понтрягина должен обеспечиваться максимум функции Гамильтона, но поскольку матрицы А, В, С представляют собой чрезвычайно громоздкие выражения, то поиск оптимальных значений конструктивных параметров, целесообразно проводить методом покоординатного спуска. Реализация этого на ПЭВМ связана с интегрированием систем дифференциальных уравнений (6), (8) и вычислением функции Гамильтона (7) для при фиксированных значениях параметров.

При использовании математической модели (2) и систем дифференциальных уравнений (6, 8) разработан алгоритм определения оптимальных параметров конструкций АПГМ (рис.6), реализованный через программный комплекс расчёта АПГМ «GidrAcs» и систему автоматизированного проектирования гидромашин «HydrAcs».

Разработанная методика определения оптимальных параметров конструкций АПГМ позволяет рассчитать оптимальные размеры деталей АПГМ с наклонным блоком или наклонным диском, работающей в режиме насоса либо мотора, в заданной области изменения параметров.

Результаты расчёта оптимальных параметров АПГМ. Конструктивные решения узлов АПГМ. С целью усовершенствования конструкций АПГМ были проведены расчёты отклонений параметров движения z, и блока цилиндров с поршнями от стационарного режима движения и выбор оптимальных конструктивных параметров 12 серийно выпускаемых АПГМ с наклонным блоком и наклонным диском, плоским и сферическим распределителями. По результатам этих расчётов разработаны конструктивные решения узлов данных гидромашин, обеспечивающие повышение их надёжности, долговечности и К.П.Д. В частности, были разработаны конструкции распределительных узлов для АПГМ второй модификации с V0 = 9 и 16 см3/оборот (рис. 7, 8). Здесь в результате изменения размеров опорно-уплотнительных поясков и рабочих окон обеспечивается уменьшение величины и смещение к периферии распределителя точки приложения отжимающей блок цилиндров силы и, тем самым, уменьшение высоты и величины клиновидности стыкового зазора.

Рис. 6. Алгоритм определения оптимальных параметров АПГМ



Рис. 7. Распределительный узел для АПГМ с V0 = 16 см3/оборот

Рис. 8. Распределительный узел для АПГМ с V0 = 9 см3/оборот

Эффективность разработанных конструктивных решений подтверждена результатами экспериментальных исследований образцов АПГМ, а новизна-полученными свидетельствами на изобретения и патентами.

6. Методики экспериментальной оценки технических показателей работоспособности АПГМ, результаты экспериментальных исследований аксиально-поршневых гидромашин и силовых регулируемых гидроприводов

Способ оценки трения между блоком цилиндров и торцевым распределителем АПГМ заключается в том, что в экспериментальной установке в питающих окнах двух встречно установленных блоков цилиндров создаётся давление жидкости, измеряется крутящий момент и по нему судят о трении между блоком цилиндров и распределителем. Отличительная особенность этого способа состоит в обеспечении жидкостного режима трения в одной из пар трения блок цилиндров - торцевой распределитель и выборе давления жидкости в питающих окнах с разницей не менее 10%.

Методика экспериментальной оценки влияния опрокидывающего момента блока на характер износа торцевого распределителя АПГМ отличается возможностью оценки влияния отдельных составляющих опрокидывающего момента блока цилиндров. Это реализуется при работе испытательного стенда с помощью трёх комплектующих его АПГМ, обеспечивающих за счёт конструктивных решений действие на блок разных составляющих опрокидывающего момента.

Методика экспериментального определения соотношений прижимающих и отжимающих сил в стыке блок цилиндров-торцевой распределитель АПГМ отличается использованием АПГМ с нулевым углом наклона блока цилиндров, способами определения момента раскрытия стыкового зазора в распределительном узле и соотношения прижимающих и отжимающих сил в стыке блок - распределитель.

Методика определения величины клиновидности стыкового зазора в распределительном узле АПГМ заключается в измерении с помощью датчиков микроперемещений величины смещения оси симметрии блока цилиндров относительно оси, перпендикулярной торцевой поверхности распределительного диска, непосредственно в работающей гидромашине.

Методика экспериментального определения параметров колебаний блока цилиндров при работе АПГМ отличается использованием для измерения микроперемещений торца блока тензометрических датчиков, методами определения времени срабатывания тензометрической измерительной системы и спектра частот колеблющегося блока цилиндров. Эта методика была реализована для серийной нерегулируемой АПГМ с наклонным блоком цилиндров и рабочим объемом 16 см3 на оборот, работающей в режиме насоса.

Эффективность разработанных методик и средств подтверждена результатами экспериментальных исследований, а новизна - полученными свидетельствами на изобретения.

Сравнение полученных в главах 4 и 6 результатов расчётных и экспериментальных исследований движений блока цилиндров АПГМ с рабочим объемом 16 см3 на оборот. Сравнение результатов данных исследований показало, что расхождения расчётных и экспериментальных значений z и и по амплитуде не превышают 18%, расхождения по частоте изменения этих параметров находились в пределах 12%-16%, полученные результаты качественно совпадают с известными из литературы результатами экспериментальных исследований.

Результаты экспериментальных исследований АПГМ с модернизированными конструкциями торцевого распределительного узла. Целью экспериментальных исследований являлась проверка работоспособности модернизированных АПГМ. Модернизация гидромашин была проведена в соответствии с полученными в главе 5 результатами расчёта оптимальных параметров блока цилиндров и торцевого распределительного диска. В качестве объектов исследований были выбраны аксиально - поршневые насос с рабочим объёмом 9 см3 на оборот и гидромоторы II гаммы с наклонным блоком цилиндров рабочими объёмами 9 и 16 см3 на оборот и опытными распределительными узлами (см. рис. 7, 8). Испытания проводились на ОАО «Ковровский электромеханический завод» в соответствии с техническими условиями и на штатных стендах, используемых для испытаний серийных гидромашин этих типоразмеров.

В результате 1000 часов наработки установлено, что модернизированные АПГМ работоспособны и удовлетворяют предъявляемым к гидромашинам данного типоразмера требованиям, а по сравнению со штатными АПГМ имеют:

- более стабильный во времени характер изменения величины утечек рабочей жидкости из корпуса гидромоторов, а саму величину утечек - на ~ 30-40% меньше;

- более равномерный и в ~ 2,5 - 3 раза меньший износ сопряжённых торцев блоков цилиндров и распределителей;

- меньшую в среднем в 2 раза величину минимально стабильной скорости вращения вала гидромоторов;

- стабильные во времени, а по величине - в ~ 1,5 раза меньшие, изменения чувствительности и жесткости насоса.

Результаты сравнительных испытаний АПГМ с рабочим объёмом 9 см3 на оборот модернизированной и штатной конструкциями торцевого распределительного узла в составе гидропривода изделия Д - 219. Целью экспериментальных исследований являлось сравнение технических характеристик аксиально - поршневых гидромоторов с модернизированной (см. рис. 6) и штатной конструкцией торцевого распределительного узла и определение влияния модернизированной конструкции на динамические характеристики гидропривода.

Испытания проводились во ФГУП «ВНИИ «Сигнал» в соответствии со штатными техническими условиями, используемыми при испытаниях серийных гидроприводов изделий Д - 219. В результате испытаний было установлено:

- аксиально-поршневой гидромотор с модернизированной конструкцией торцевого распределительного узла по сравнению с гидромотором штатного исполнения имеет повышенный на 1,5-2% К.П.Д. при работе на оптимальных скоростях, уменьшенные вдвое минимально стабильную скорость и в среднем на 30-35% крутящий момент страгивания, меньший в ~ 3,5 раза суммарный износ распределительных поверхностей;

- применение в составе силового следящего гидропривода АПГМ с модернизированным распределительным узлом улучшает динамические характеристики гидропривода на малых сигналах управления, т.е. расширяет полосу пропускания частот на 30%, вдвое увеличивает плавность сигналов угловой скорости гидромотора, на 40% повышает точность отработки входного сигнала привода.

Заключение

гидромашина аксиальный поршневой

В процессе выполнения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение актуальной научно-технической проблемы обеспечения качества силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ, получены следующие основные результаты.

1. Разработаны методические основы проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ, отличающиеся:

· логическими схемами проектирования, включающими алгоритмы проектирования АПГМ и силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ, построенные на основе принципа первоочередного и максимального использования существующей номенклатуры АПГМ, с применением асимптотического метода формирования облика объекта проектирования, обеспечивающих возможность качественной проработки основных узлов, выбора и корректировки параметров и структуры АПГМ на каждом этапе проектирования;

· методиками и средствами реализации проектных процедур: выбора АПГМ - аналогов, анализа характеристик и оптимизации параметров АПГМ, испытаний АПГМ.

2. Построена система математических моделей, включающая три системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих с различной степенью детализации конструктивные и функциональные особенности АПГМ как кинематически сложных механизмов с элементами различной физической природы.

3. Разработана методика определения оптимальных параметров важнейших узлов и АПГМ в целом на основе исследования протекающих в них процессов, реализованная с помощью программных средств, эффективность которых подтверждена результатами расчётных исследований, а новизна - полученным свидетельством о регистрации.

4. Предложены и апробированы методы расчёта элементов АПГМ, на этой основе получены средства коррекции их технических характеристик.

5. Разработаны методики испытаний АПГМ, позволяющие более качественно осуществлять экспериментальную оценку технических показателей работоспособности их узлов, эффективность методик подтверждена результатами экспериментальных исследований, а новизна - полученными свидетельствами на изобретения.

6. По результатам проведённых расчётных и экспериментальных исследований работоспособности серийно выпускаемых и модернизированных АПГМ установлено следующее:

· подтверждена адекватность математических моделей ходовой части АПГМ и методов расчёта параметров их элементов, методики определения оптимальных параметров АПГМ, системы критериальных уравнений торцевого распределительного узла и метода его расчёта;

· получены новые конструктивные решения деталей и узлов серийно выпускаемых АПГМ с наклонным блоком и наклонным диском, обеспечивающие повышение их надёжности, долговечности и К.П.Д., эффективность решений подтверждена результатами экспериментальных исследований образцов гидромашин, а новизна - полученными свидетельствами на изобретения;

· при работе в режимах мотора и насоса АПГМ с рабочими объёмами 9 и 16 см3 на оборот и модернизированными в соответствии с результатами расчётов конструкциями торцевого распределительного узла

- работоспособны и удовлетворяют предъявляемым к гидромашинам данного типоразмера требованиям;

- по сравнению со штатными гидромашинами, имеют более стабильные во времени и улучшенные по величине технические характеристики;

- улучшают энергетические и динамические характеристики гидропривода на малых сигналах управления (при работе модернизированной АПГМ с рабочим объёмом 9 см3/оборот в составе гидропривода изделия D - 219).

7. При проведении опытно-конструкторских работ по проектированию АПГМ с наклонным диском и гидропривода УФТК с использованием предложенных логических схем проектирования установлено повышение качества процесса проектирования аксиально - поршневых гидромашин и гидроприводов.

8. Получено внедрение основных результатов работы:

· при разработке и модернизации АПГМ с наклонным блоком цилиндров и наклонным диском рабочими объёмами соответственно 3, 9, 16, 32, 140 см3/оборот и 9, 15, 33, 89, 112, 300 см3/оборот; в научно-исследовательской работе НВ 9 - 191 - 84, в партии гидромашин данного типа для испытательных стендов; ходовой части аксиально-поршневого насоса гидростанции насоса крови;

· в аксиально-поршневых гидроприводах поворота платформы и стрелоподъёмных механизмов экскаваторов ЭО - 4225А - 06, ЭО - 4225А - 07, ЕТ - 26;

· в конструкторской документации аксиально-поршневого гидропривода пресса электрогидравлических систем установок формообразования бесшовных соединительных деталей диаметром до 50 и 100 мм для трубопроводов космических объектов и наземных систем;

· в аксиально-поршневых силовых регулируемых гидроприводах новых образцов систем наведения и валочно-пакетирующей машины EF - 26, находящихся в разработке;

· в учебном процессе специальностей 121100 «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» и 071800 «Мехатроника» гоу впо «КГТА им. В.А. Дегтярёва».

Литература

1. Воронов С.А. Расчёт и проектирование аксиально-поршневых гидромашин с торцевым распределением жидкости: монография / С.А.Воронов. - Ковров: КГТА, 2003.-112с.

2. Воронов С.А. Анализ усилий, действующих в распределительном узле аксиальных гидромашин / С.А.Воронов, Н.Ф.Терехов; Вестник машиностроения - 1984. - №9. - С. 26-28.

3. Воронов С.А. Экспериментальное исследование влияния некоторых силовых факторов на характер износа торцевых распределителей аксиально-поршневых гидромашин / С.А.Воронов, В.Н.Прокофьев, А.Н.Густомясов, А.Ю.Рыбаков; Известия вузов. Машиностроение - 1985. - №6. - С. 141-143.

4. Воронов С.А. Исследование изменений стыкового зазора в распределительном узле аксиально-поршневой гидромашины / С.А.Воронов, А.Ю.Рыбаков, Е.П.Тетерин, А.Н.Густомясов; Известия вузов. Машиностроение - 1988. - №1. - С. 77-81.

5. Воронов С.А. Гидроприводы стрелоподъёмных механизмов экскаваторов и лесных машин / С.А.Воронов, Л.Ю.Кондратьева, А.В.Романов, В.С.Лукашов; Строительные и дорожные машины - 2001. - № 6. - С.5 - 7.

6. Воронов, С. А. Методика расчёта динамических параметров гидропривода стрелы экскаватора при разгоне и торможении / С.А.Воронов, Л.Ю.Кондратьева, А.В.Романов; Строительные и дорожные машины - 2001. - №12. - С. 9-11.

7. Воронов С.А. Экспериментальное исследование формы зазора в паре трения блок цилиндров - распределитель аксиально - поршневой гидромашины / С.А.Воронов; Трение и смазка в машинах и механизмах - 2008. - № 4. - С. 14 - 16.

...