Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблем и тенденций развития гидроприводов с регулируемыми гидромоторами 14
1.1. Современное состояние, проблемы и тенденции развития гидроприводов моторного регулирования 14
1.2. Основные преимущества и предпочтительные области применения гидропривода с регулируемыми гидромоторами 20
1.3. Выводы 24
2. Исследование характеристик гидропривода с гидромоторными блоками расширенного диапазона бесступенчатого регулирования скорости 25
2.1. Структурные и параметрические возможности расширения диапазона гидромоторного регулирования 25
2.2. Критерии оценки и показатели качества гидроприводов с регулируемыми гидромоторами 27
2.3. Обзор существующих структур гидромоторных блоков расширенного диапазона регулирования скорости 29
2.4. Определение предельных регулировочных возможностей гидропривода с регулируемым гидромоторным блоком, одна из гидромашин которого является реверсивной и обратимой 47
2.5. Выводы 52
3. Математическое моделирование энергетического контура гидропривода машинного регулирования 54
3.1. Анализ проблем и постановка задач математического моделирования объемного гидропривода машинного регулирования 54
3.2. Схемотехнические исполнения энергетического контура гидропривода...56
3.3. Виды потерь энергии в объемном гидроприводе и их физико.-математическое описание 58
3.4. Моделирование энергетического контура гидропривода с комбинированным машинным регулированием 65
3.5. Модель энергетического контура гидропривода с регулируемым насосом 87
3.6. Модель энергетического контура гидропривода с регулируемым мотором 89
3.7. Модель энергетического контура гидропривода с регулируемым двухмашинным гидромоторным блоком 93
3.8. Сравнительный анализ статических характеристик энергетического контура гидропривода различных структурных исполнений 100
3.9. Исследование влияния параметров гидропривода и внешних возмущающих воздействий на основные динамические характеристики энергетического контура исследуемых структур гидроприводов 102
3.10. Выводы 107
4. Экспериментальное исследование статических характеристик гидропривода с регулируемым гидромоторным блоком 109
4.1. Постановка задач экспериментального исследования 109
4.2. Описание и возможности универсального экспериментального комплекса для исследования объемного гидропривода машинного регулирования 113
4.3. Программа и методика экспериментальных исследований энергетических и регулировочных характеристик электронасосного агрегата, входящего в состав гидропривода с машинным регулированием 121
4.4. Результаты экспериментального исследования энергетических и регулировочных характеристик электронасосного агрегата 124
4.5. Программа и методика экспериментальных исследований энергетических и регулировочных характеристик гидропривода с регулируемым гидромоторным блоком 125
4.6. Результаты экспериментальных исследований энергетических и регулировочных характеристик гидропривода с гидромоторным блоком различной комплектации 130
4.7. Сопоставительный анализ регулировочных характеристик объемных гидроприводов различных способов регулирования 136
4.8. Выводы 139
5. Анализ применимости современных типов электрогидравлических и электромеханических устройств для регулирования рабочего объема аксиальных гидромоторов 141
5.1. Функциональная структура механизмов управления аксиальных гидромашин 141
5.2. Сопоставительный анализ существующих и перспективных механизмов управления насосов и гидромоторов использующих различные принципы действия 144
5.3. Анализ характеристик современных электрогидравлических и электромеханических устройств и их применимости в механизмах управления 153
5.4. Выводы 158
Заключение 160
Список литературы 163
Приложения 170
- Основные преимущества и предпочтительные области применения гидропривода с регулируемыми гидромоторами
- Обзор существующих структур гидромоторных блоков расширенного диапазона регулирования скорости
- Моделирование энергетического контура гидропривода с комбинированным машинным регулированием
- Программа и методика экспериментальных исследований энергетических и регулировочных характеристик гидропривода с регулируемым гидромоторным блоком
Введение к работе
Объемный гидропривод (ОГП) с вращательным движением выходного звена представляет собой совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение рабочих органов (РО) машин и механизмов посредством преобразования механической энергии первичного двигателя в потенциальную энергию давления рабочей жидкости и далее вновь трансформации ее в механическую энергию движения РО. Обязательными функциональными элементами такого ОГП являются источник и потребитель гидроэнергии, в качестве которых чаще всего выступают гидромашины объемного принципа действия — насос (Н) и гидромотор (М) [1-9].
В большинстве технических объектов в процессе их эксплуатации требуется регулировать угловую скорость выходного звена по требуемому закону, что обосновывает необходимость регулирования самих ОГП, которое может быть дроссельным, машинным, или машинно-дроссельным. Преимущества машинного регулирования по сравнению с другими видами хорошо известны и детально описаны в существующей литературе [1-9].
Расширение бесступенчатого диапазона регулирования, увеличение адаптивности привода, как средства повышения его экономичности, улучшение энергодинамических показателей за счет применения энергоемких и экономичных гидромашин переменного рабочего объема — важнейшие направления развития и совершенствования данных систем.
Наибольшее распространение в ОГП получили аксиальные (поршневые и плунжерные) гидромашины (АПГМ) с наклонным диском (НД), с наклонным блоком цилиндров (НБ) и с шатунным приводом поршней, которые применяются в ОГП как в качестве насосов, так и гидромоторов [12, 19].
Несмотря на то, что в настоящее время сформирована подробная классификация способов регулирования ОГП и разработана агрегатная база для их технической реализации, на практике регулирование угловой скорости выходного звена приводов чаще осуществляется изменением рабочего объёма насоса. Менее освоенным, но имеющим ряд важных преимуществ, является регулирование угловой скорости выходного вала ОГП с помощью изме-нения рабочего объёма гидромотора, ещё большие возможности открываются при комбинированном - насос-моторном регулировании [1-9].
Как известно, при насосном регулировании максимальная подача и давление насоса выбираются из очевидного условия обеспечения наибольшей скорости вращения выходного вала ОГП, а также возможности развивать нерегулируемым гидромотором наибольший крутящий момент. Одновременное выполнение этих условий приводит к чрезмерному увеличению массогабаритных показателей привода (установленной мощности), хотя на практике часто требуется получение больших скоростей при меньших крутящих моментах на выходном валу и, наоборот, вращение нагруженного вала ОГП с малыми скоростями [1-9, 13].
Принципиальное преимущество гидромоторного регулирования заключается в том, что при изменении параметра регулирования гидромотора появляется возможность перераспределять составляющие выходной мощности, т.е. развиваемый момент и угловую скорость выходного вала при сохранении постоянной мощности передаваемой ОГП. Это преимущество наиболее значимо в многодвигательных ОГП, где источник гидроэнергии должен работать в строго оптимальном режиме или имеет ограниченную мощность, а также в централизованных ОГП, где питание всех потребителей гидроэнергии осуществляется от источника гидроэнергии постоянного давления. Таким образом, реализация гидромоторного регулирования придаёт гидроприводной системе в целом важное свойство адаптивности и позволяет достичь большей экономичности [1-9, 13].
Применение регулируемых гидромоторов (РМ) положительно сказывается также на повышении быстродействия, точности и жесткости исполнительной части ОГП благодаря непосредственному регулированию выходного звена привода. Наконец, использование гидромоторного регулирования позволяет осуществлять рекуперацию энергии при движении выходного звена привода с сопутствующими (положительными) нагрузками и за счёт инерционного «выбега» ротора насоса, соединённого с электродвигателем.
С учетом вышеизложенного можно заключить, что применение регулируемых гидромоторов является весьма перспективным способом совершенствования таких важнейших качеств ОГП, как расширение диапазона бесступенчатого регулирования скорости, улучшение экономичности и быстродействия.
Совместное же использование регулируемого насоса и регулируемого гидромотора, помимо существенного расширения диапазона изменения угловой скорости выходного вала ОГП и отмеченных выше других преимуществ, позволяет оптимизировать управление моментными и скоростными показателями выходного звена ОГП, что в свою очередь, приводит к снижению установленной мощности насоса, уменьшению массовых и габаритных показателей привода в целом.
Особенностью гидромоторного регулирования, традиционно отмечаемой в исследованиях по данной тематике, является сравнительно узкий диапазон регулирования угловой скорости выходного звена ОГП, который значительно ухудшается с ростом нагрузки на привод [7-9, 13]. Как показывает практика, диапазон бесступенчатого регулирования угловой скорости даже у лучших конструкций регулируемых гидромоторов не превышает 4:1, в то время как при насосном регулировании он может достигать 40:1 и более [7-9, 13, 19, 65-69]. Причина этого известна и заключается в том, что для увеличения угловой скорости вала РМ, необходимо уменьшить рабочий объём, а это ведет к снижению момента на валу гидромотора до значений, сопоставимых с моментами сил трения в гидромашине.
Кроме того, наличие только регулируемого гидромотора не позволяет получить неподвижное положение выходного звена при работающем насосе, существенно затрудняет режим пуска и остановки системы и т.д. Это требует оснащения ОГП дополнительной гидроаппаратурой для включения/выключения и разгрузки насоса, либо, что обычно практикуется, применения регулируемого насосного агрегата.
В этом случае существенное расширение бесступенчатого диапазона регулирования угловой скорости выходного звена, повышение адаптивности и быстродействия ОГП достигается путём усложнения конструкции привода, поскольку требуется установка двух механизмов управления (МУ) гидромашинами, организация их гидропитания и решение задачи совместного регулирования.
Ввиду отмеченных преимуществ гидромоторного регулирования, задача расширения его регулировочных свойств является весьма актуальной, что подтверждается наличием работ российских и зарубежных ученых в этом направлении. Вместе с тем следует отметить, что число подобных исследований существенно меньше тех, которые направлены на совершенствование традиционного - насосного управления ОГП. Возможно, одна из причин такого положения дел связана с тем, что в настоящее время существенное расширение диапазона регулирования гидромоторов с помощью параметрического совершенствования конструкций гидромашин, в рамках их неизменных структур, представляется маловероятным. За последние несколько десятилетий не произошло качественных и даже заметных количественных изменений в этом направлении, а применяемые конструкции, используемые материалы и технологические решения известны свыше полувека. Энергетическую базу ОГП по-прежнему образуют АПГМ трех указанных выше основных типов: с НБ и шатунным ведением поршней, с НБ и двойным несиловым карданом, а также гидромашины с НД.
Поэтому, одним из наиболее перспективных путей решения задачи расширения бесступенчатого диапазона гидромоторного регулирования следует считать обоснованное, с точки зрения технико-эксплуатационных и (или) экономических показателей, структурное усложнение моторной части ОПТ, т.е. комбинирование нескольких гидромашин, работающих на суммирующий механический редуктор или непосредственно на нагрузку, с последующей параметрической оптимизацией конструкции. Подобная практика уже нашла применение в трансмиссионной технике. Однако, расширенный диапазон регулирования известных структур гидромоторных блоков (ГМБ) обычно складывается из нескольких поддиапазонов со ступенчатым переходом между ними, что не всегда удовлетворяет требованиям к гидроприводу со стороны конкретного технического объекта, или же система ГМБ получается чрезвычайно сложной и дорогостоящей, и поэтому на практике не реализуемой [8, 9, 56, 57].
Таким образом, исследования, направленные на изучение особенностей гидромоторного регулирования и решение вопросов создания перспективных многомоторных ГМБ, являющиеся темой данной диссертации, представляются весьма актуальными.
Цель работы заключается в совершенствовании гидроприводов с гидромоторными блоками расширенного диапазона бесступенчатого регулирования и улучшенными энергодинамическими показателями.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• сформировать систему критериев для оценки качества ОГП с регулируемыми ГМБ различного исполнения;
• проанализировать существующие структуры регулируемых ГМБ и разработать прототип ГМБ расширенного диапазона бесступенчатого регулирования;
• сформировать обобщенную математическую модель гидропривода машинного регулирования; • с помощью математической модели исследовать регулировочные и энергодинамические характеристики ОГП с регулируемым ГМБ и дать сравнительную оценку с другими видами машинного регулирования;
• разработать стендовый экспериментальный комплекс и провести исследования выбранного прототипа регулируемого ГМБ, а также получить численные значения параметров, характеризующих потери энергии в гидромашинах, для уточнения математической модели;
в определить области предпочтительно применения ОГП с регулируемым гидромотором и ГМБ;
• провести сравнительный анализ перспективных структур МУ гидромоторами и дать рекомендации по их применению. Методами исследования являлись: литературный поиск, патентный анализ, математическое моделирование и стендовый эксперимент. Теоретические исследования основаны на известных положениях в области проектирования и расчетов гидропривода машинного регулирования. Изучение динамических процессов осуществлялось частотными методами теории автоматического регулирования, с учётом уточненной, согласно экспериментальным данным, параметрии математических моделей ОГП. Экспериментальные исследования ГМБ предложенной структуры проводились по разработанной автором методике на стендовом комплексе, разработанном и созданном им же в ходе выполнения диссертационной работы. Научная новизна выполненной работы заключается в следующем: ® сформирована универсальная математическая модель гидропривода машинного регулирования, позволяющая выполнять комплексные исследования различных структур гидроприводов с требуемой степенью детализации;
• исследованы энергетические, регулировочные и динамические характеристики гидропривода с регулируемым ГМБ, дающие возможность оценить предельные энергодинамические и регулировочные возможности системы;
• разработан стендовый комплекс, с помощью которого получены экспериментальные энергетические и регулировочные характеристики ОГП с регулируемым гидромотором и ГМБ оригинального исполнения, защищенного патентом на полезную модель [64], и позволяющего существенно расширить диапазон моторного регулирования;
• на основании экспериментальных исследований определены значения потерь энергии в гидромашинах ОГП, а также предложена упрощённая модель для их расчета, обладающая достаточной степенью достоверности;
• исследованы и сопоставлены по совокупности показателей функциональности и конкурентоспособности традиционные и сравнительно новые виды электрогидравлических и электромеханических механизмов управления гидромоторами и ГМБ.
Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:
• по результатам экспериментальных исследований произведено уточнение математической модели ОГП с регулируемыми аксиально-поршневыми гидромашинами с наклонным блоком цилиндров. Полученная модель обеспечивает приемлемую точность расчетов и удобна для использования в инженерной практике;
• установлены области предпочтительного применения гидропривода с регулируемым гидромотором и много двигательным ГМБ;
• результаты экспериментальных исследований схемы объемного гидропривода с ГМБ заложены в основу эскизного проекта одной из технических систем, разрабатываемых в ФГУП «ЦНИИ АГ»;
• созданный универсальный стендовый комплекс предоставляет возможность проводить серии экспериментальных исследований при подго 12 товке магистерских диссертаций студентами, обучающимися по программе «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»;
® проведенные исследования новых видов электрогидравлических и электромеханических механизмов управления позволяют рекомендовать их при разработке современных регулируемых гидромашин.
Апробация работы. Основные положения диссертации отражены в печатных работах, докладывались и обсуждались:
• на Международных научно-технических конференциях «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития», СПб ГПУ, 2008, 2010 гг.;
© Всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов», ЮУрГУ, г. Челябинск 2009 г.;
• 15-ой и 16-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, МЭИ, 2009, 2010 гг.;
• заседаниях кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. B.C. Квятковского МЭИ(ТУ) в 2008, 2009, 2010 гг.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием фундаментальных физических и математических моделей ОГП, надежных численных методов, применением многократно апробированных стандартных расчетных пакетов, достаточной степенью соответствия результатов моделирования с экспериментальными данными, а также исследованиями других авторов. Достоверность новизны технического решения подтверждается патентом на полезную модель [64].
На защиту выносятся:
• уточненная универсальная математическая модель гидропривода машинного регулирования;
• схема двухмоторного ГМБ с расширенным диапазоном бесступенчатого регулирования, в котором одна из гидромашин является регулируемой и обратимой; • материалы экспериментальных исследований ОГП с РМ и ГМБ оригинального исполнения;
• результаты исследования влияния основных параметров ОГП и внешних возмущающих воздействий на основные характеристики энергетического контура ОГП с различными видами машинного регулирования;
• результаты исследований новых структур механизмов управления рабочим объемом аксиальных гидромашин;
• материалы исследований областей применения гидроприводов с гидромоторным регулированием.
По материалам диссертационной работы опубликованы две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК [40, 41], один доклад [42] и четыре тезиса докладов [43—46] на научно-технических конференциях, а также получен патент на полезную модель гидропривода [64].
Основные преимущества и предпочтительные области применения гидропривода с регулируемыми гидромоторами
Как уже отмечалось выше, принципиальным (концептуальным) преимуществом использования в ОГП какого-либо объекта, именно регулируемого, адаптивного гидромотора (потребителя гидроэнергии) вместо регулируемого насоса (источника гидроэнергии), является функциональное замыкании силовых и информационных потоков на конечную, сравнительно локальную часть системы, непосредственно реагирующую на внешние изменения, вызывающие потребность в регулировании.
На основании проанализированной литературы по построению, особенностям функционирования и применения ОГП моторного регулирования можно сформулировать его основные преимущества по сравнению с использованием насосного регулирования [1-9, 39, 48, 50, 51, 53]: 1. Возможность перераспределять составляющие выходной мощности — развиваемые моменты и скорости вращения выходного вала (вала М) в зависимости от режимов работы ОГП при сохранении постоянной потребляемой мощности гидромотором. Это придаёт системе свойство адаптивности - основу создания автоматически приспосабливающихся к условиям функционирования, экономичных приводов. 2. Снижение установленной мощности насоса и, следовательно, мощности источника первичной энергии (двигателя внутреннего сгорания или электродвигателя), а таюке оптимизация работы источника первичной энергии (ИПЭ) (по потребляемой энергии, расходу топлива и пр.) при сохранении требуемой функциональности ОГП, в том числе - сравнительно широкого бесступенчатого диапазона регулирования тяговых и скоростных свойств. 3. Возможность построения многодвигательного ОГП с регулируемыми гидромоторами и обеспечением независимой работы каждого из них при обеспечении гидропитания от централизованного источника гидравлической энергии постоянного давления (насоса, магистральной гидролинии высокого давления) [48]. 4. Возможность построения многодвигательного ОГП с постоянным давлением, регулируемым по внешнему информационному сигналу и/или сигналу с датчиков состояния ОГП, что существенно повышает экономичность системы и оптимизирует режим ИПЭ [48]. 5. При нагрузке на гидромоторе в виде подвижных масс значительной инерционности и наличии разгонно-тормозных режимов работы рабочих органов системы, а также в случае движения РО с помогающими (отрицательными) нагрузками, применение регулируемых и обратимых М позволяет обеспечить эффективную рекуперацию энергии [9]. Это существенно повышает экономичность, снижает массогабаритные показатели насосной станции, позволяет уменьшить установленную мощность и реализовать плавный разгон приводного электродвигателя насоса при незначительном росте пусковых токов. 6. При построении ОГП по много двигательной схеме и совпадении по времени режимов движения одних рабочих органов, с положительными нагрузками, а других - с отрицательными, появляется возможность рекуперации и перераспределения потоков гидравлической энергии между регулируемыми и реверсивными гидромоторами [8, 9, 48]. Такое схемотехническое решение без ухудшения качества функционирования системы одновременно приводит к минимизации общего энергопотребления ОГП, снижению установленной мощности насосной установки и приводного двигателя. 7. Совместное использование регулируемых насоса и гидромотора даёт возможность оптимизировать управление тяговыми и скоростными показателями выходного (моторного) звена ОГП при расширении диапазона и повышении эффективности регулирования данных показателей [8, 9, 39, 50, 51,53]. 8. Объединение в одном блоке двух РМ, работающих на дифференциальный механический редуктор, даёт возможность, при незначительном росте массогабаритных показателей гидромоторного блока, существенно расширить диапазон устойчивых регулируемых скоростей вращения выходного вала от так называемых сверхмалых или «ползучих» (теоретически «с нуля») до скорости, вдвое превышающей максимальную скорость вращения вала каждой из гидромашин. Дополнительным преимуществом такой схемы является повышенная надёжность и живучесть, поскольку в случае отказа одного из М, вращение выходного вала блока осуществляется исправным гидромотором [8, 9, 56, 57]. 9. Комплектация ОГП технических объектов регулируемыми гидромоторами позволяет использовать данные гидромашины совместно с гидроаккумуляторами в режимах пуска ОГП и двигательной установки технического объекта (ТО). Данное решение особенно актуально для автономных систем ответственного назначения, эксплуатирующихся при низких и сверхнизких температурах, когда ёмкость электрических аккумуляторных батарей снижается и её оказывается недостаточно для запуска основных двигателей ТО [7]. 10. Применение РМ даёт возможность существенно повысить быст родействие, точность и жёсткость исполнительной части ОГП за счёт непо средственного управления состоянием выходного звена привода [1,5]. Перечисленные преимущества ОГП с РМ определяют предпочтитель 23 ные конкретные области применения данных силовых систем как адаптивных систем повышенной экономичности: гидрообъёмные регулируемые трансмиссии колёсных и гусеничных машин (тракторов, автогрейдеров, асфальтоукладчиков, самоходных кранов, универсальных автомобильных шасси, пожарных машин и пр.), представляющие в настоящее время подавляющую часть ОГП данного исполнения [8, 9, 50-53, 59]; ОГП с гидромоторами, интегрированными в структуру колёсных и/или гусеничных движителей (мотор-колёса, мотор-шестерни и т.п. двига-тельно-движительные блоки многоколёсных и/или гусеничных машин повышенной манёвренности и проходимости) [8, 9]; ОГП лопастных систем подруливающих устройств морских и речных судов, винторулевых колонок и плавучих платформ, в которых используется многодвигательный привод винтов [15]; многодвигательные ОГП, работающие при постоянном или регулируемом давлении в сети централизованного гидропитания [9]; многодвигательные ОГП с возможностью перераспределения потоков гидравлической энергии между гидромоторами, одни из которых работают в моторном, а другие - в насосном режиме (при сопутствующих нагрузках); ОГП с многопоточными схемами отбора мощности, в частности, ОГП стабилизации частоты вращения валов электрогенераторов [10, 11]; ОГП стационарных и мобильных объектов с оптимизируемыми по потреблению первичного энергоносителя ИПЭ или с ИПЭ ограниченной мощности [9];
Обзор существующих структур гидромоторных блоков расширенного диапазона регулирования скорости
Как следует из материалов первой главы, в настоящее время ОГП с гидромоторным управлением находятся на той стадии развития, когда улучшение их качества, при условии применения серийно выпускаемых комплектующих, наиболее вероятно за счет схемной модернизации. Таким образом, наиболее перспективным способом решение задачи расширения диапазона гидромоторного регулирования скорости следует считать экономически обоснованное структурное усложнение моторной части ОГП, т.е. комбинирование нескольких гидромашин, работающих на суммирующий механический редуктор или непосредственно на нагрузку. Это требует понимания особенностей выполнения такой работы и оценки качества формируемых решений:
Рост громоздкости структуры ОГП неизбежно повлечёт за собой увеличение массогабаритных и стоимостных показателей, усложнение управления системой и, вероятно, обслуживания. Вследствие очевидного ухудшения перечисленных выше показателей, следует рассматривать лишь такие структурные исполнения многодвигательных приводов, которые помимо расширения бесступенчатого диапазона регулирования скорости выходного звена, позволяют получить ряд других важных преимуществ (например, жёсткости, чувствительности, надежности и точности регулирования и пр.). 2. Для качественного и количественного сравнения различных вариантов структур ОГП должна быть сформирована оценочная шкала, на которой следует определить своеобразную точку отсчёта — начальное, обычно известное структурное решение, имеющее минимальную структурную сложность (данной точкой отчета логично выбрать ОГП с одним регулируемым гидромотором). 3. Поскольку структурная модернизация ОГП при условиях, оговоренных выше, связана с повышением степени громоздкости решения, оценка сложности каждой инновационной структуры может быть выполнена на основании количественных критериев - числа использованных гидромашин, гидроаппаратов и т.д.. 4. Независимо от конкретного схемотехнического и, тем более, конструкционного исполнения таких более сложных и громоздких систем, возможности улучшения качества регулирования заключаются в обеспечении рационального управляемого разделения и суммирования энергетических потоков. Данный эффект принципиально может быть получен с помощью суммирования/разделения гидравлических, механических потоков, а также комбинированным образом. Вследствие отмеченного обстоятельства, в структуру ОГП, имеющую увеличенное число гидромашин, потребуется ввести дополнительные механические, гидравлические и/или механогидравлические части, выполняющие функции управления потоками энергии. В соответствии с изложенным выше подходом к формированию перспективных структурных решений по ОГП, представляется целесообразным организовать рассмотрение данных вопросов в следующем порядке: сформировать критерии оценки и показатели качества ОГП с регулируемыми гидромоторами и моторными блоками; используя показатели структурной работоспособности и конкурентоспособности, проанали зировать уже имеющиеся структуры ОГП с многомоторными блоками расширенного диапазона регулирования для опре 27 деления возможности улучшения, главным образом, регулировочных характеристик ОГП, что позволит в дальнейшем сформировать прототип ГМБ для последующих исследований. В соответствии с основной задачей совершенствования ОПТ с регулируемыми гидромоторными блоками, поставленной в диссертации, - расширения диапазона бесступенчатого регулирования скорости движения выходного звена, а также, исходя из необходимости формирования сопоставительных критериев выбора предпочтительного решения, оценочный перечень может быть представлен в виде массива показателей качества Y, как совокупности двух групп (подмассивов) показателей: подмассива Гр, показателей работоспособности (ПР), определяющих функциональную пригодность того или иного структурного решения, а также подмассива YK, показателей конкурентоспособности (ПК), характеризующих степень совершенства решения [47]. Ниже, на основании материалов первой главы сформированы подмас-сивы основных ПР и ПК, пригодные для решения проектно-оптимизационных задач по ОГП с регулируемыми гидромоторами. Показатели работоспособности: Ур\ момент, развиваемый в оговоренных условиях эксплуатации системы; Ур2 - скорость движения выходного звена, имеющая место в оговоренных условиях (режимах) функционирования ОГП; Ур2ІУрі) - механическая характеристика (MX) ОГП, показывающая зависимость скорости движения выходного звена от развиваемых моментов на этом звене; Урз - ограничение положения выходного звена (наличие или отсутствие ограничений по вращению); уР4 - наличие бесступенчатого регулирования скорости движения выходного звена ОГП; ур5 - адаптивность, наличие структурной возможности автоматического перестроения системы при переходе к другим режимам, в том числе, при наличии отказов, форсировании системы и пр. (детализируется в каждом конкретном случае); Показатели конкурентоспособности: ук\ - широта диапазона бесступенчатого регулирования скорости; Ук2 - максимальное значение коэффициента полезного действия (КПД) ОГП в оптимальном режиме работы системы; Укз - изменение КПД системы при работе в пределах регулирования скорости движения выходного звена; Ук4 - наибольшая жёсткость MX системы, т.е. минимальная зависимость изменения скорости движения выходного звена ОГП от нагрузки; Ук5 — наибольшая динамическая жёсткость ОГП; Укб - чувствительность ОГП к изменению информационного сигнала.
Моделирование энергетического контура гидропривода с комбинированным машинным регулированием
Направляющие распределители Р1 и Р2 предназначены для подключения гидромоторов к линиям гидропитания и слива по последовательной схеме (включение электромагнита П), параллельной схеме (включение электромагнита Г2), а также для обеспечения работы ОГП в режимах меньшей потребляемой мощности (в этом случае снимается напряжение с обмоток управления МФ1 или МФ2 и соответствующие гидромоторы отключаются от своих выходных валов).
При наличии управляющего напряжения на обмотках обеих муфт на выходной вал ОГП передаётся суммарная мощность двух работающих гидромоторов. Принято считать, что если моторы включены по параллельной схеме, то на выходном валу ОГП развивается повышенный момент, если же схема включения моторов последовательная, то имеет место повышенная скорость вращения выходного вала. Однако даже качественный анализ функционирования ОГП в соответствии с этими схемами показывает, что такое представление является чрезмерно упрощённым (см. ниже).
Привод может работать в отказных режимах, при которых происходит заклинивание валов одного из гидромоторов, а также самопроизвольное разъединение вала мотора и вала механической части ОГП (так называемый «обрыв» какой-либо из электромагнитных муфт).
В первом случае от датчика момента (нагрузки) вала ДМ1 или ДМ2 отказавшего гидромотора срабатывает электромагнитная муфта, разъединяя заклинивший вал и вал соответствующего мотора, и происходит переключение схемы на параллельный режим работы гидромоторов (включается Y1 и отключается 71).
Во втором случае схема переходит на последовательное соединение гидромоторов и гидромотор, работающий на холостом ходу, становится дополнительной нагрузкой гидросистемы. Привод неработоспособен в отказных режимах, характеризующихся заклиниванием какого-либо из валов механической части ОГП, поскольку имеет место жёсткая механическая связь валов через зубчатые колёса. Это обстоятельство является существенным недостатком данного ОГП.
Очевидно, что гидравлическая схема ОГП с параллельным и/или последовательным подключением гидромоторов может отличаться от той, которая приведена на рис. 2.1. В частности, возможно применение нерегулируемого насоса или нерегулируемых гидромоторов, использование аккуму-ляторно-рекуперативных блоков, дополнительной регулирующей и направляющей гидроаппаратуры, обеспечивающей накопление энергии в ОГП при вращении выходного вала передачи с сопутствующими нагрузками, установка датчиков скоростей и моментов, позволяющих оптимизировать законы изменения параметров регулирования гидромашин и/или гидроаппаратуры и пр. Данные решения могут существенно расширить функциональные возможности ОГП, хотя обычно приводят к усложнению, удорожанию и росту массогабаритных показателей системы. Необходимость и целесообразность подобных модернизаций решается в каждом конкретном случае на основании соображений и причин, которые часто не представляется возможным установить на этапах схемотехнического проектирования. Поэтому ниже (для этой и последующих схем ОГП) основное внимание будет уделено качественному и, в ряде случаев, количественному анализу, главным образом, выходной, т.е. гидромоторно-механической части ОГП.
Исследование энергетических и регулировочных характеристик рассматриваемого ОГП целесообразно выполнить сначала для идеального привода, в пренебрежении потерями энергии, а затем с учётом данных потерь.
При параллельном включении двух моторов с равными рабочими объёмами, на каждом из них существует одинаковый перепад давлений, максимальное значение которого равно перепаду насоса. Таким образом, момент на выходном валу ОГП является удвоенным моментом, развиваемым каждым В реальных условиях, т.е. при наличии потерь, работа ОГП с последовательным подключением гидромоторов будет существенно отличаться от идеализированного случая. Действительно, такая схема ОГП имеет излишнюю степень синхронизации вращения выходных валов: по механическому каналу (жёсткой связи выходных валов через зубчатые колёса) и по гидравлическому каналу (равенство теоретических расходов через последовательно соединённые гидромоторы). Из-за перетечек жидкости в первом (по направлению движения жидкости от насоса к гидромоторной группе) моторе второй двигатель получит уже меньшее количество жидкости, что приведёт к снижению скорости вращения его вала по сравнению со скоростью первого мотора. Таким образом, будет иметь место взаимное нагружение моторов, что приведёт к снижению суммарного момента на выходном валу ОГП и понижению КПД привода.
Очевидно, с одной стороны, данное явление будет проявляться тем значительнее, чем выше жёсткость привода, а с другой стороны, чем ниже объёмные КПД гидромоторов.
Попытки компенсации расхода второй гидромашины за счёт установки специальной системы подпитки (дополнительного насоса, перераспределения жидкости, использования энергии встроенного гидроаккумулятора и пр.) неизбежно увеличат громоздкость, массовые, габаритные и стоимостные показатели схемы, снизят её надёжность. Поэтому, с практической точки зрения, последовательное включение моторов целесообразно, вероятно, только при наличии указанного выше отказного режима — «обрыва» электромагнитной муфты.
Программа и методика экспериментальных исследований энергетических и регулировочных характеристик гидропривода с регулируемым гидромоторным блоком
Вал насоса приводится во вращение с помощью идеального ЭД, получающего энергию от стабилизированного источника неограниченной мощности; люфты в силовой проводке, соединяющей КЭ с системой нагрузки технического объекта, отсутствуют; волновые процессы в силовых гидролиниях КЭ завершаются за пренебрежимо малые промежутки времени и не оказывают влияния на динамические характеристики исследуемого контура; силовые гидролинии КЭ с жидкостью, а также элементы силовой проводки и нагружающих факторов ТО, могут быть представлены как механические системы с сосредоточенными параметрами, что позволяет избежать описания нестационарных процессов в этих частях КЭ уравнениями математической физики в частных производных; моделирование КЭ производится в предположении неизменности температуры объекта исследования и окружающей среды, модуля упругости и плотности жидкости; объёмные потери в устройствах, комплектующих КЭ, моделируются в предположении о ламинарном режиме течения жидкости через уплот-нительные щели и имитирующие негерметичность узлы контура; в силы контактного трения представляют собой идеальные релейные функции относительной скорости перемещения контактирующих поверхностей. На основании принятых допущений в п. 3.4 данной главы, будет сформирована единая математическая модель контура энергетики гидропривода с комбинированным машинным регулированием. Сформированная модель является наиболее общей для сравниваемых КЭ приводов и позволяет получать требуемые частные случаи с помощью параметрических изменений.
Следующий параграф посвящен анализу потерь энергии в КЭ ОГП и современным подходам к их моделированию, так как способ учет потерь является неотъемлемой частью моделирования ОГП и существенным образом влияет на точность получаемых статических и динамических процессов.
В ОГП, как известно, имеет место достаточно сложная совокупность потерь энергии, которые принято подразделять на объёмные, гидравлические и механические потери. Физическая природа потерь первой группы обусловлена утечками жидкости из гидромашины во внешнюю среду, межполостными утечками (перетечками) жидкости, а также условными или деформационными утечками, имеющими место вследствие деформации газовой фазы жидкости и изменения плотности жидкости при различных давлениях. Причина второй группы потерь заключается в наличии гидравлических сопротивлений в проточных трактах системы. Третья группа потерь связана с трением между контактирующими подвижными поверхностями деталей и в жидкости [1, 5, 8, 32—35, 46]. Вследствие подробно описанных в литературе затруднений, возникающих при практическом (экспериментальном) разделении потерь между второй и третьей группами, принято данные потери рассматривать в общем комплексе, введя понятие суммарных гидромеханических потерь. Как известно, перечисленные виды потерь характеризуются объёмным г0, гидравлическим л,, механическим т)м КПД, а при объединении двух групп потерь - гидромеханическим КПД ггм. Эти потери имеют место, в гидромашинах и, общем случае, в соединительных гидролиниях ОГП.
В настоящее время накоплен весьма обширный теоретический и экспериментальный материал, позволяющий расчётным путём определить составляющие потерь в гидролиниях с требуемой для практики точностью, а при необходимости, провести и дополнительные экспериментальные исследования. Чаще всего целесообразность подобных расчётов возникает для разнесённого гидропривода, в котором насос и гидромотор (гидромоторы) соединены длинными гидролиниями малого проходного сечения. Поскольку гидравлические сопротивления таких линий обычно существенно зависят от специфики их размещения на объекте, то подобные расчёты, как правило, носят итерационный характер: на проектной стадии осуществляется предварительное определение гидросопротивлений линий, а необходимое уточнение производится в ходе выполнения поверочных расчётов, когда известны особенности конструкции, места и радиусы изгибов трубопроводов, размещение переходников и пр.
Обычно же в подобных исследованиях нет необходимости, поскольку в рационально спроектированном ОГП объёмные потери в соединительных гидролиниях отсутствуют, а гидравлические потери компактно выполненного ОГП в большинстве случаев удаётся минимизировать. Наибольшую сложность вызывает изучение потерь энергии в гидромашинах объёмного, в частности, объёмно-роторного принципа действия, оказывающих определяющее влияние на КПД системы и, в известной степени, на широту диапазона эффективного регулирования параметров машин. Первые попытки математического моделирования работы таких машин с учётом потерь энергии были предприняты ещё в 30-х годах прошлого века известными теоретиками объемно-роторных гидромашин (ОРГМ) В.В. Мишке и В.Е. Вильсоном [8, 9, 26, 27, 33, 38]. В основу этого моделирования были положены хорошо согласующиеся с имевшимися в то время отдельными экспериментальными данными и близкие к линейным зависимости объёмных потерь (перетечек) от разности давлений между полостями высокого и низкого давлений гидромашины. Доля объёмных потерь во всевозможных щелях, образованных подвижными поверхностями деталей рабочих органов машин (так называемых фрикционных потерь жидкости), предполагалась незначительной. Кроме того, механические потери определялись как функции постоянного коэффициента сухого (контактного) трения, хотя в [26, 27] подчёркивалось условность самого понятия «сухое трение» для машины, полости которой заполнены минеральным маслом, отмечалась сложность и малая изученность механизма такого трения для контактирующих поверхностей высокого класса чистоты, разделённых тонким слоем минерального масла переменной толщины. Тем не менее, в результате даже такого упрощённого представления о возникновении потерь и их влияния на характеристики ОРГМ, удалось сформировать так называемую линейную математическую модель потерь в гидромашинах, достаточно простую и удобную в инженерной практике, которой успешно пользуются до сих пор.
В соответствии с этой теорией предполагается, что утечки и перетечки жидкости характеризуются ламинарными режимами течения, а эквивалентный расход объёмных потерь qon и потери мощности Non, обусловленные потерями, определяются следующим образом:
