Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Концепция системы моделирования элементов гидро привода 22
1.1. Задачи машиностроительной гидравлики и программные комплексы для их решения. Обзор и анализ литературных источников 22
1.1.1. Аналитический обзор задач машиностроительной гидравлики 22
1.1.2. Обзор программных комплексов для решения задач машиностроительной гидравлики 29
1.2. Концептуальная основа комплекса для моделирования и расчетов элементов гидропривода 37
1.3. Основные элементы комплекса 45
1.3.1. Общая структура комплекса 45
1.3.2. Система моделей, методик, библиотека моделей 47
1.3.3. Компьютерные программы комплекса 48
1.3.4. Концепция имитационного моделирования комплекса 50
1.4. Структура комплекс моделей гидроаппаратов и структура комплекса моделей гидромашин 66
1.4.1. Структура комплекса моделей гидроаппаратов 66
1.4.2. Комплекса моделей гидромашин и гидроприводов. Последовательность автоматизированного проектирования... 70
Выводы к главе 1
Глава 2. Моделирование потоков жидкости в каналах гидроаппаратов и гидромашин 78
2.1. 3-х мерное моделирование потоков жидкости в каналах гидроаппаратов 78
2.2. Методика расчета базовых значений гидравлических коэффициентов 83
2.3. Одномерная модель потока и методика расчета серий коэффициентов расходов и сил с использованием одномерной модели потока
2.3.1. Основные положения одномерного моделирования потока жидкости 89
2.3.2. Укрупненная структурная схема модели потока для расчета эпюры давления жидкости,действующей на затвор гидроаппарата 93
2.3.3. Дополнение (подробная структурная схема модели потока жидкости) 101
2.3.4. Модель коэффициента расхода 107
2.3.5. Модельные исследования характеристик клапана с использованием однокоординатной модели потока 108
2.3.6. Сравнение результатов эксперимента и расчетов 116
2.4. Моделирование потоков жидкости в зазорах гидромашин 121
2.4.1. ЗБ-модель потока в зазоре распределитель — блок цилиндров 122
2.4.2. Одномерная модель потока в зазоре распределитель — блок цилиндров 124
2.4.3. Модельные исследования гидростатической силы в паре распределитель — блок цилиндров 128
Выводы к главе 2 133
Глава 3 . Система имитационных моделей гидроаппаратов 135
3.1. Имитационные модели элементарных устройств 137
3.1.1. Шаблоны имитационных моделей элементарных устройств 137
а) Шаблоны моделей гидроемкостей (гидролиния, гидрообъемы) 137
б) Шаблоны моделей гидроиндуктивностей 141
б) Шаблоны моделей дроссельных устройств 144
- Дроссель типа дроссельная шайба 144
-Дроссели конусного и шарикогвого типа 150
- Дроссель золотникового типа 153
- Квадратичный дроссель типа «сопло-заслонка»... 155
3.1.2. Модельные исследования дроссельного устройства: расчет характеристики пропорционального распределителя РСП.80.16 156
3.2. Имитационные модели распределителей и модельные исследования 163
3.2.1. Шаблоны моделей распределителей 163
а) Гидропотенциометры и сервоусилители 164
б) Золотниковые распределители 167
3.2.2. Модельные исследования распределителей 170
а) Модельные исследования пропорционального электрогидравлического распределителя «ДУ-6»... 170
б) Модельные исследования распределителя «ДУ-16»
с открытым центром 185
3.3. Имитационные модели и модельные исследования напорных клапанов 202
3.3.1. Шаблоны имитационных моделей напорных клапанов..202
а) Клапан нормально-закрытый прямого действия 202
б) Клапан нормально-открытый прямого действия 209
в) Клапаны непрямого действия 215
3.3.2. Модельные исследования напорных клапанов 219
3.4. Имитационные модели поточных клапанов 240
3.4.1. Шаблоны имитационных моделей поточных клапанов 240
а) Регулятор потока 240
б) Делитель потока дроссельного типа 244
3.5. Идентификация моделей 252
а) Общий подход 252
б) Пример идентификации имитационной модели клапана.
Моделирование характеристики коэффициента сил 254
Выводы к главе 3 259
Глава 4. Система имитационных моделей гидромашин, гидропередач и гидроприводов 263
4.1. Обобщенная модель гидромашины 263
4.1.1. Принцип действия гидромашин 264
4.1.2. Классификация гидромашин
2 4.2. Обоснование системы моделей гидромашин 268
4.3. Модели гидромашин первого уровня
2 4.3.1. Общая характеристика моделей гидромашин 271
4.3.2. Уравнения,описывающие гидромашину 272
4.3.3. Структурные схемы моделей гидромашин первого уровня 274
4.4. Модели гидропередач первого уровня 278
4.4.1. Примеры гидропередач 278
4.4.2. О модельных исследованиях гидромашин, гидропередач, гидроприводов 284
4.5. Модели рабочего процесса в поршневой камере гидромашины 296
4.5.1. Базовая модель рабочего процесса в поршневой камере насоса — модель «индикаторная диаграмма» 296
4.5.2. Производная модель рабочего процесса в поршневой камере насоса - модель «поршень» 317
4.6. Имитационная модель гидромашины. Второй уровень 330
4.6.1. Базовая имитационная модель гидромашины 330
4.6.2. Модельные исследования мгновенных значений параметров рабочего процесса гидромашин 333
4.6.2. Исследования нагрузок на органе регулирования подачи насосов от сил давления жидкости в порш невых камерах насоса 348
4.7. Модельные исследования гидроприводов 370
а) Модельные исследования гидропривода рулевого управления транспортным средством 370
б) Расчет энергетических характеристик гидропривода платформы экскаватора 391
Выводы к главе 4 399
Заключение 402
Список литературы
- Обзор программных комплексов для решения задач машиностроительной гидравлики
- Одномерная модель потока и методика расчета серий коэффициентов расходов и сил с использованием одномерной модели потока
- Шаблоны моделей гидроемкостей (гидролиния, гидрообъемы)
- Модели гидромашин первого уровня
Введение к работе
Актуальность. Машиностроительная гидравлика - это современная наукоемкая отрасль машиностроения. Гидравлические приводы являются неотъемлемым элементом высокоэффективной техники в силу большой удельной мощности, высокого быстродействия, малых габаритов, экономичности и сочетаемости с микропроцессорной техникой управления. Успешные отечественные предприятия - производители машиностроительной гидравлики - имеют современное компьютерное оснащение и связывают свой прогресс с использованием в процессе проектирования современных технологий САПР и новых компьютерных программ, позволяющих выполнять различные виды моделирования. Но очевидно, что эффективное использование современных технологий САПР для проектирования сложной гидравлической техники возможно лишь при наличии системы комплексного моделирования этой техники, учитывающей специфику машиностроительной гидравлики. Предпосылкой для выполнения работы в этом направлении является сформировавшаяся в различных отраслях машиностроения тенденция создания элементов комплексного модельного сопровождения жизненного цикла изделий. Вместе с тем анализ состояния дел в отечественной машиностроительной гидравлике показал, что моделирование элементов гидроприводов в процессе их проектирования не является отработанной типовой процедурой. Соответственно и автоматизация проектирования носит ограниченный характер.
Причинами такого положения являются:
недостаточность развития методик, ориентированных на имитационное моделирование элементов гидропривода;
в целом, недостаточность развития методик, ориентированных на алгоритмическое моделирование элементов гидроприводов;
отсутствие концепции комплексного использования программ САПР для расчетов элементов гидропривода;
сложность картины рабочих процессов гидроустройств из-за многофакторности этих процессов, недостаточная изученность, в ряде случаев, этих процессов из-за сложности их экспериментального исследования;
многообразие конструкций элементов, используемых в гидроприводе, что затрудняет разработку обобщенных методик;
В силу этих причин разработчики элементов гидроприводов ориентируются на частные аналитические методики и расчеты первого приближения, а использование современных программных продуктов носит единичный характер. Результатом такого подхода являются невысокая точность расчетов и, соответственно, необходимость включения в процесс проектиро-
вания, в каждом частном случае, большого объема сложных и дорогостоящих экспериментов, а также большие сроки проектирования.
Из изложенного следует, что в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема разработки ориентированных на современные программные средства методов автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода. Таких методов, которые обобщили бы применительно к элементам гидропривода известные в машиностроительной гидравлике расчетные методики, но на новой вычислительной базе, и тем обеспечили бы повышение автоматизации и эффективности проектирования.
В научном плане это необходимо для создания единой методической основы - основы для обобщения известных методических разработок в области расчета и моделирования элементов гидропривода, а также для создания новых исследовательских методик.
Цель работы - теоретическое обоснование и разработка системы моделирования для автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода. Системы, предназначенной в едином ключе и комплексно выполнять моделирование элементов в процессе их проектирования.
Объектом исследования в работе являются основные элементы гидростатического привода (дроссели, клапаны напорные, клапаны поточные, распределители, гидроусилители, насосы, гидромоторы и др.) и в целом гидроприводы различного назначения. Предметом разработки являются математические модели элементов гидроприводов, библиотеки их имитационных моделей, алгоритмы комплексного использования разнородных моделей гидроустройств в процессе их проектирования.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка, на основе анализа групп задач по расчетам элементов гидропривода и анализа современных тенденций в методологии проектирования, концепции и общих подходов к вопросу моделирования элементов гидропривода. Выявление, обобщение и развитие существующих методов и моделей для их использования в автоматизированном проектировании элементов гидропривода;
обоснование и разработка, на основе существующей гидравлической модели потока, современных данных по свойствам рабочих жидкостей гидросистем и обобщений результатов исследований, выполненных с использованием гидромеханической модели потока - уточненной гидравлической модели потока жидкости;
анализ рабочих процессов элементов гидропривода методами механики, гидравлики, теории гидропривода, методами цифрового моделирования с целью разработки или уточнения их математических моделей;
разработка, на основе анализа конструктивных схем и рабочих процессов элементов гидропривода, системы имитационных моделей и методик имитационного моделирования элементов гидропривода для применения их в процедурах автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода;
разработка методики идентификации имитационных моделей гидр о-устройств на основе общей методологии идентификации;
- экспериментальное подтверждение адекватности моделирования;
Методы исследования. Для разработки методов автоматизированного
анализа и синтеза элементов гидропривода, модельных и других методик, а также для проведения других необходимых исследований в работе использовались: теория автоматизированного проектирования, методы математического и цифрового моделирования, аналитические методы гидравлики, гидромеханики, механики, теории автоматического управления, и др.
Также проводились экспериментальные исследования с использованием стандартной измерительной аппаратуры и оборудования.
Научная новизна.
1. На основе принципов автоматизированного проектирования, гид
равлики, гидромеханики, теории гидромашин и гидропривода, теории авто
матического управления, информатики, теории моделирования развит об
щий подход к решению научно-технической проблемы комплексного моде
лирования элементов гидропривода, включающий обоснование:
методологии моделирования элементов гидропривода, учитывающей: круг задач и методик машиностроительной гидравлики; принципы САПР и общую тенденцию в области проектирования технических устройств, заключающуюся в модельном сопровождении жизненного цикла изделий; перенос центра тяжести в проектировании элементов гидропривода с экспериментальных работ на моделирование; необходимость комплексного подхода к решению задач расчета;
общей системы моделей гидроустройств;
системы имитационных моделей гидроустройств;
гидравлической однокоординатной модели потока жидкости.
2. На основе анализа структур элементов гидропривода разработана
система имитационных моделей гидроустройств, в том числе:
выделены элементарные модельные структуры - базовые элементы;
разработана общая схема формирования моделей;
разработана библиотека шаблонов и базовых моделей гидроаппаратов и гидромашин;
разработаны производные модели гидроаппаратов и гидромашин и модели конкретных конструкций;
разработана схема моделирования элементов гидропривода на маршруте их проектирования;
3. На основе разработанной системы моделей элементов гидропривода
и принципов автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропри
вода усовершенствованы существующие методики расчета гидроаппаратов,
гидромашин и гидроприводов, а также разработаны следующие оригиналь
ные методики и модели:
методика расчета сил, действующих со стороны потока жидкости на элементы конструкций гидроустройств, и модельная методика определения этих сил по типовой экспериментальной расходно-перепадной характеристике устройства;
модель гидромашины, учитывающей процесс переноса жидкости "из полости в полость", модель рабочей камеры гидромашины, модельная методика исследования нагрузок на органе регулирования гидромашины; методика расчета силового взаимодействия торцевого распределителя и блока цилиндров аксиально-поршневой гидромашины;
модельная методика анализа, синтеза и идентификации гидроустройств.
4. В процессе выполнения исследований с использованием разрабо
танных моделей объяснен ряд явлений, и в частности:
влияние, из-за содержания в рабочей жидкости нерастворенного газа, противодавления на статические характеристики гидроаппаратов, а также влияние давления в полости всасывания аксиально-поршневого насоса на нагрузки на его органе регулирования подачи;
для аксиально-поршневых гидромашин, при работе в области высоких давлений, возрастание с ростом давления коэффициента прижима распределителя к блоку цилиндров.
Практическая ценность и внедрение.
1. В рамках предложенной автоматизации анализа и синтеза элементов гидропривода разработана библиотека унифицированных моделей основных типов элементов гидропривода, использование которых обеспечивает:
комплексное, корректное и оперативное выполнение основных типов моделирования, в том числе статических, динамических и энергетических характеристик элементов гидроприводов и приводов в целом;
удешевление процесса проектирования гидроустройств за счет замены части экспериментальных исследований - модельными;
2. Разработана методология, позволяющая унифицировать процесс
разработки моделей элементов гидроприводов и модельных методик иссле
дований.
Разработан расчетный комплекс элементов гидропривода, который внедрен на предприятиях ОАО "СКБ ПА" и ОАО ЧКЭМЗ" (г. Ковров), и используется при проектировании гидроприводов и их элементов. Например, он использован при отработке конструкторской документации гидрообъемных передач механизмов поворота гусеничных машин. Для конкретных устройств и гидромашин с применением имитационных моделей исследованы: индикаторные диаграммы гидромашин с ходовой частью типа "Zauer", моменты на их органах регулирования подачи, динамические и статические характеристики клапанов и распределителей производства ОАО "СКБ ПАИ и ОАО "КЭМЗ" г. Ковров; функционирование рулевого агрегата транспортного средства; энергетические характеристики гидропривода платформы экскаватора. Разработанные методики используются в учебном процессе КГТА
Работа позволяет дополнить существующие комплексы и программы проектирования устройств машиностроительной гидравлики.
Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, рекомендаций и выводов основывается на корректном применении в исследованиях теоретических положений фундаментальных наук (математики, аналитической механики, теории автоматического управления и др.) и подтверждается сравнением результатов моделирования с результатами авторских экспериментов, а также с результатами экспериментальных исследований, опубликованных в технической литературе.
Апробация работы. В ходе выполнения диссертационной работы результаты работы докладывались и обсуждались:
на международной научно-технической конференции "Гидромашиностроение. Прошлое и будущее"; 4-6 октября 2004 года. - Москва, МТУ им. Н.Э. Баумана.
на международной конференции САПР и ГИС ЭКСПО, 4-6 декабря 2001года.- Москва: Русская промышленная компания;
на всероссийском научно-практическом семинаре 20-21 марта 2001 года "Автоматизация технической подготовки машиностроительных предприятий: опыт создания и внедрения комплексных систем".- Ковров: КЭМЗ;
на Российской научно-технической конференции. 2-4 июня 2002 года "Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании". - Ковров: КГТА;
на ежегодных научно-технических конференциях Ковровской государственной технологической академии (в период 1988-2004 гг.);
- на научно-технических семинарах кафедры гидропневмоавтоматики и гидропривода КГТА.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 34 печатные работы, в том числе 1 монография, 2 учебных пособия, 17 статей в журналах, входящих в перечень утвержденных ВАК РФ изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем учитываемого текстового материала - 426 страниц, 318 рисунков.
Обзор программных комплексов для решения задач машиностроительной гидравлики
Отечественная машиностроительная гидравлика развивалась в рамках отдельных отраслей промышленности: авиационной, судостроение, станкостроение и т.д. Это отражено в научных публикациях в 50-90 годы.
К фундаментальным работам этого периода в области гидростатического привода летательных аппаратов относятся работы [5,6,7,8]. Анализ показывает, что эти работы посвящены в основном следующим вопросам: - Теория и расчет гидромашин. В частности, здесь анализируются кинематические схемы гидромашин и силовое взаимодействие их элементов в процессе функционирования, гидроэнергетические характеристики, специальный раздел теории машин посвящен механизмам распределения жидкости и гидростатическим опорам. — Теория гидроавтоматики. Здесь рассматривается проектирование распределительных устройств, напорных и поточных клапанов, пропорциональных элементов, гидроусилителей и др. Круг вопросов, которые освещаются: конструкции, характеристики рабочих зазоров, статические и динамические характеристики, расчетные алгоритмы. — Теория гидростатического привода как элемента следящей системы. Аналогичные вопросы рассматривались в работах, посвященных гидростатическому приводу станков [9,10,11,12,13]. Анализ этих работ позволяет сделать вывод о том, что здесь наибольшее внимание уделяется гидравлическим характеристикам дроссельных регуляторов различных типов, вопросам статических и динамических характеристик станочных гидроприводов, числовому программному управлению приводами.
Для мобильных машин на колесном и гусеничном ходу наиболее полно опыт разработки гидроприводов обобщен в следующих фундаментальных трудах [14,15,16,17,18]. Здесь, кроме подробного исследования кинематики и динамики аксиально-поршневых гидромашин, вопросов распределения жидкости и работы гидростатических опор, подробно рассмотрены механизмы управления подачей насосов. Рассмотрены вопросы статики, динамики и энергетики привода с объемным регулированием скорости гидродвигателя в линеаризованной постановке вопроса. В этих трудах разработана и теория уплотнений, в том числе и применительно к гидростатическим и гидродинамическим опорам, а также к торцевым распределителям гидромашин. Обширная литература посвящена исследованию вопросов течения жидкости в каналах гидромашин и гидроаппаратов и, соответственно, характеристикам гидроустройств, связанным с параметрами течения жидкости. Результаты этих исследований, основанные на экспериментальном материале, обобщены в работах [19,20,21,22,23]. Ряд работ специально посвящен методикам энергетического расчета, например [24,25], а применительно к пневмоприводу, как области близкой к гидроприводу, в работах [26,27].
В целом и в настоящее время выше указанные работы составляют теоретическую основу расчетных методик гидромашин, устройств гидроавтоматики, гидроприводов, гидросистем.
Существует еще большая группа специальных вопросов, которые принимаются во внимание при анализе и синтезе устройств машиностроительной гидравлики.
Прежде всего, сюда относятся вопросы прочностного анализа, анализа напряженно-деформированного состояния, вопросы трения, износа, ресурса, надежности, например, [28,29,30]. Другая группа работ посвящена вопросам волновых процессов в гидросистемах, например, [31,32,33].
На основе общих подходов рассмотрены и изложены в технической литературе и конкретные подробные методики проектирования отдельных гидроустройств. Обычно такие работы включают описание конструкций, математических моделей, результаты аналитических и экспериментальных исследований, порядок расчета.
Эти методики разрабатывались на протяжении многих лет и несут в себе опыт проектных организаций. Отметим некоторые из таких работ.
Характеристики элементарных гидравлических сопротивлений, дросселей представлены в работах [19,34,23]. Характеристики дроссельных распределителей широко представлены в работах [35-39,23].
Дроссельные распределители различных конструкций составляют основу гидроусилителей, электрогидроусилителей, механизмов управления насосов. Эти устройства и методы их расчетов рассматриваются, например, в работах [13,16,20,40].
Математические модели клапанов, их статические и динамические характеристики анализируются в работах [41,42,43,23]. Результаты исследований делителей и сумматоров потоков даны в работе [44].
Приведенные выше обобщающие труды опираются на многочисленные частные исследования и разработки частных методик расчетов. Большое количество таких работ по машиностроительной гидравлике в 70-90 годы было посвящено исследованиям рабочего процесса в поршневых камерах гидромашин [45-54], а также исследованиям различных характеристик гидромашин, которые напрямую зависят от рабочего процесса в камере.
Это, прежде всего, работы по исследованию нагрузок на органе регулирования подачи насосов [55-63], исследование и расчет энергетических характеристик [64-67], исследования напряженно-деформированного состояния гидромашин [68], их статических и динамических свойств [69-73]. Отдельные вопросы из этой области рассматривались и в наших работах того периода. Кинематика аксиально-поршневых гидромашин анализировалась в работе [74]. На основе кинематического анализа строились методики расчета давления в поршневых камерах гидромашин [75,76].
Одномерная модель потока и методика расчета серий коэффициентов расходов и сил с использованием одномерной модели потока
Наиболее значимым фактором, определяющим результаты расчета, является представление рабочей жидкости гидросистемы как механической смеси собственно жидкости и газа.
В нормальном состоянии при атмосферном давлении в жидкости примерно 1-е-5 % нерастворенного газа (по объему), но при снижении давления это соотношение изменяется в пользу газа. Газ как среда легко деформируемая, в свою очередь исключает резкое падение давления в жидкости в местах сужения потока. Давление в этом случае не имеет отрицательных значений, что соответствует реальной ситуации.
Связь плотности жидкости (точнее газожидкостной смеси) с давлением устанавливается следующей системой уравнений: где к - относительное, объемное содержание газа в жидкости при р0 -атмосферном давлении. Графическая зависимость рсм = f(p) представлена нарис. 2.21. Рис. 2.21. График функции рсы — f\P) Реализация вычисления рсм в структурной схеме показана на рис. 2.22.
Представление о том, что реальная рабочая жидкость в гидросистемах — это механическая смесь жидкости и газа (в основном воздуха), вносит определенные изменения и в расчет коэффициента расхода жидкости. На первый взгляд вопрос о коэффициенте расхода представляется более простым и однозначным, чем вопрос о коэффициенте сил. Действительно, коэффициент расхода изначально определен как экспериментальный коэффициент, и к тому же методика его получения - элементарна. Данные по коэффициентам расходов широко представлены в справочниках. Вместе с тем необходимо отметить, что коль скоро ставится вопрос о сужении экспериментальных работ в процессе проектирования, то возникает необходимость, на основе известных справочных данных, расчетным путем, а не путем постановки новых экспериментов, получать и значения коэффициентов расхода гидравлических сопротивлений. На основе справочных значений, но при их использовании в условиях, отличных от тех, при которых эти справочные данные получены. Наиболее важным, с нашей точки зрения, обстоятельством, которое требует перерасчета справочного значения коэффициента, это учет фактической формы эпюры давления жидкости и, в частности, значения давления в самом узком месте гидравлического сопротивления.
108 Рассмотрим это. Изменение пропорции жидкости и воздуха в узком сечении гидравлического сопротивления аналогично изменению относительного сжатия струи. Коэффициент изменения относительного сжатия струи из-за изменения плотности газожидкостной смеси равен отношению их плотностей для расчетного случая (р) и справочного (ро) —
Модельные исследования характеристик клапана с использованием однокоординатной модели потока
Проведем модельные исследования статических расходно-перепадных характеристик клапана фильтра, представленного на рис. 2.9. Исследования проведем с использованием разработанной в данной главе однокоординатной модели потока жидкости.
А Актуальность исследования. Актуальность такого исследования связна с тем, что известные расчетные методики не для всех режимов работы системы, по нашему мнению и опыту, дают результат, совпадающий с экспериментом. Более того, известные методики расчета не в состоянии учесть уровень давления, а сориентированы только на учет перепада давления на клапане. Таковы, в частности, подходы, использованные в работе [23], где наиболее полно обобщен опыт расчета клапанов и вообще гидроаппаратуры. В то же время уровень давления — это один из самых важных параметров, который может изменяться, и при использовании клапана в разных системах,и при использовании в одной и той же системе, но в разных режимах.
В частности, в рассматриваемом примере по условиям эксплуатации клапана возможны разные значения противодавления - давления слива. При этом важно знать, изменится ли и, если изменится, то в каких пределах, перепад давления на клапане. Известные в настоящее время методики расчетов, как отмечалось, не дают ответа на этот вопрос, экспериментальные же исследования показывают существенную зависимость перепада давления на клапане от величины противодавления. Расхождение результатов расчетов и экспериментов связано с тем, что используемые расчетные методики не опираются на расчет эпюры давления, действующего на клапан.
Шаблоны моделей гидроемкостей (гидролиния, гидрообъемы)
Конкретных конструкций напорных клапанов может быть достаточно много. Уместно ограничиться разработкой шаблонов основных типов клапанов: предохранительного, переливного, редукционного. Клапаны целесообразно рассмотреть в вариантах прямого и непрямого действия.
Структура напорного клапана включает дроссели нерегулируемые, дроссели с автоматически изменяющейся проводимостью, междроссельные объемы и механические элементы - затворы (ЗРЭ — запорно-регулирующие элементы), перемещающиеся под действием сил.
По уровням модели клапанов можно разделить следующим образом: 1 уровень. Клапан описывается статической характеристикой, а для приблизительного учета его динамики последовательно с блоком статической характеристики включается апериодическое или колебательное звено. 2 уровень. Клапан подробно описывается уравнениями неразрывности расхода и уравнениями динамики.
Рассмотрим модели типовых клапанов. а) Клапан нормально-закрытый прямого действия В эту группу входят обратные клапаны, переливные, предохранительные. Общая расчетная схема (рис. 3.75) представлена одним из вариантов клапана - клапан с прямым током жидкости. Схема отражает конструкцию. Показаны основные элементы клапана: корпус с седлом и с подводящим и отводящим каналами, затвор и пружина. На схеме приведены конструктивные и режимные параметры, а также объем, к которому подключен клапан. Хотя объем не является частью клапана, необходимо при моделировании рассматривать их вместе.
На рис. 3.76 приведена расчетная схема клапана обратного тока. Из сравнения схем клапанов прямого и обратного тока видно, что в плане моделирования эти отличия не вносят существенного элемента. Это касается и других вариантов конструкций. Отличия в количестве поверхностей, которые необходимо иметь ввиду рассчитывая суммарную гидростатической силы, действующую на клапан. «ц» и «\j/» - могут быть введены в модель, если имеются соответствующие экспериментальные данные (или расчеты, выполненные в программе FLOW-3D). В модель удобно эти коэффициенты вводить в виде статической зависимости \i(h) и \/(/z) после расчета этих зависимостей в модели одномерного потока (см. гл. 2).
Если представлять модель клапана, состоящую из подмоделей, то в ее состав входят: присоединенный объем, сам клапан (его затвор) и автоматически изменяющая свою проводимость клапанная щель - дроссель. Развернутая и укрупненная структурные схемы клапана имеют вид, приведенный на рис. 3.80.
Модель клапана КЛ2, модернизированная в модель Ml (рис.3 .83), может быть использована для анализа экспериментальных статических характеристик клапанов с целью получения данных по коэффициентам сил. Идея данной модели (и такого рода моделей для других типов клапанов, гидроаппаратов и прочих устройств) состоит в сравнении экспериментальной характеристики с расчетной и в минимизации их расхождения за счет рассчитываемого параметра. Подробнее вопрос рассмотрен в разделе 3.5.
На базе редукционных клапанов (как, впрочем, и переливных, обратных и т.д.) могут быть построены различные гидроаппараты; их модели 1 уровня, соответственно, включают и модель редукционного клапана.
Так, например, клапан суммы давлений, имеющий функцию Р\+Рг = const, где Р2 - давление редукционного клапана, Р\ — независимая переменная, имеет структурную схему, изображенную на рис. 3.88.
При разработке шаблонов моделей второго уровня можно учесть, что, как это видно из расчетной схемы, элементы редукционного клапана аналогичны клапану, рассмотренному выше. Отличаются структурные связи. Подробные модели клапанов приведены в библиотеке, рис. 3.89: КЛ7 — модель 1 уровня редукционного клапана прямого действия.
Модели гидромашин первого уровня
Суть этого подхода состоит в том, что на основе теории описывается механизм гидромашины и ее рабочий процесс. Описание проводится с опорой на определенные представления о физической картине процесса (определенной теории) на основе определенной системы допущений и, соответственно, с использованием соответствующего математического аппарата. Системный подход для моделей гидромашин, гидроустройств и гидросистем в содержательном плане реализуется выбором центральной универсальной модели. Для гидростатических машин, приводов такой моделью предлагается модель рабочего процесса в отдельном объеме. Таким отдельным объемом, элементарной ячейкой, является отдельная поршневая камера насоса. Именно здесь происходит процесс преобразования механической энергии в гидравлическую и обратно, формируются все потоки рабочей жидкости, давление и силовые параметры, связанные с этим давлением.
Свойства рабочей жидкости, как это принято в одномерной гидравлике, относят к механическим элементам гидромашины. Например, упругость жидкости относят к рабочей камере, ее объему. Объемы принимаются сосре 269 доточенными, волновыми процессами пренебрегают. В этом случае в качестве основного математического аппарата при моделировании используют обыкновенные дифференциальные уравнения.
Кроме двух основных подходов при моделировании гидромашин можно, очевидно, воспользоваться еще, по крайней мере, двумя.
Экспериментально — теоретический.
Полезно на практике обобщенные, максимально упрощенные модели создавать на основе обработки внешних характеристик, но полученных не из натурного эксперимента, а из модельного, выполненного с использованием «теоретических» моделей, подробно воссоздающих картину рабочего процесса. Полученные в результате модельного эксперимента характеристики обычно подвергают аппроксимированию и интерполированию и таком виде эти характеристики учитываются в моделях, создаваемых по экспериментальной методике.
Эффективность экспериментально-теоретического подхода связана с совмещением простоты моделей и ее высокого быстродействия с точностью счета, свойственного «теоретическим» моделям.
В данной работе подробно не рассматривается еще один род возможных теоретических моделей: когда жидкость описывается самостоятельным динамическим звеном гидромашины. При этом, в наиболее сложном случае, свойства жидкости описываются как волновые. Малая распространенность этого метода, с одной стороны, связана с малыми объемами камер гидромашин. Постоянная времени, вызванная волновыми свойствами жидкости, несоизмеримо мала по сравнению с постоянными времени остальных динамических звенев гидромашины, и ею можно пренебречь. С другой стороны, это очень сложные модели с большим временем счета. В тех случаях, когда игнорировать длину трубопроводов некорректно, но есть потребность описать процесс с использованием обыкновенных дифференциальных уравнений, время распространения волны учитывают типовым динамическим звеном запаздывания.
В соответствии с изложенным выше подходом все модели гидромашин, гидроприводов и гидросистем делим на два уровня (см. также гл. 1 и 3).
Первый уровень. Модель описывает гидромашину без детализации ее рабочего процесса и, в частности, без расчета индикаторной диаграммы.
Здесь можно выделить подуровень: модель, описывающая гидромашину, не детализирует рабочий процесс, но используются зависимости, полученные аппроксимацией расчетов в моделях второго уровня. Например, могут быть линеаризованы формы индикаторных диаграмм и в такой форме введены в модель.
Второй уровень. Здесь моделируется рабочий процесс в камере гидромашины. Модель рабочего процесса гидромашины является ядром модели второго уровня. В наших работах [например, 77] приведена модель, имитирующая рабочий процесс в поршневой камере гидромашины, которая имеет название «Индикаторная диаграмма» (ИД), и эта модель позволяет связать конструкцию насоса с его внешними характеристиками. Разработанная модель входит модулем в модель насоса. Объединение моделей всех поршней гидромашины в одну схему дает ее базовую модель. Модель, объединяющая модели насоса и мотора, имитирует гидропередачу и т.д. (подробно вопрос рассмотрен ниже). При таком подходе модели разных конструкций гидромашин отличаются друг от друга вариантами кинематических связей между их элементами.
Здесь также может быть выделен подуровень, когда процесс в поршневой камере описывается как волновой.
Для гидромашин, совершенно так же, как для гидроаппаратов, целесообразно разделение на базовые модели и производные. Для каждого уровня. Базовые модели (шаблоны) являются ядром для производных моделей, которые оснащаются дополнительными процедурами для моделирования характеристик, имеющих непосредственное отношение к решаемым задачам.
Примером таких производных моделей может быть модель гидронасоса, в которой моделируются нагрузки на органе регулировании насоса или вычисляются энергетические характеристики.
Похожие диссертации на Методы и модели автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода
