Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние методов расчета и проектирования гидравлических усилителей с плоским золотником на упругом подвесе 13
1.1. Методы расчета и проектирования 13
1.2. Методы определения регулировочных характеристик 18
1.3. Анализ специализированных программных комплексов для решения задач гидрогазодинамики 27
1.4. Выводы 30
2. Определение зависимостей коэффициента расхода дросселирующих щелей гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе от параметров течения жидкости 32
2.1. Постановка задач 32
2.2. Решение тестовой задачи для дросселирующей двухкромочной кольцевой щели 34
2.3. Моделирование течения в открытой дросселирующей щели гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе 40
2.4. Решение тестовой задачи для цилиндрического дросселя с широким диапазоном изменения относительной длины 46
2.5. Моделирование течения в перекрытой дросселирующей щели гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе 52
2.6. Выводы 57
3. Разработка теоретических основ методики расчета основных конструктивных параметров 59
3.1. Формирование массива выходных показателей гидрораспределителя 59
3.2. Определение основных конструктивных параметров распределительной части 61
3.3. Определение механических и прочностных характеристик подвижной рамки 63
3.4. Определение утечек рабочей жидкости 68
3.5. Определение перекрытий рабочих щелей 68
3.6. Определение регулировочных характеристик 80
3.7. Выводы 87
4. Исследование влияния основных конструктивных параметров гидрораспределителя на его характеристики 88
4.1. Исследование влияния параметров гидрораспределителя на механические и прочностные характеристики 88
4.2. Исследование влияния параметров гидрораспределителя на утечки рабочей жидкости 93
4.3. Исследование влияния параметров гидрораспределителя на регулировочные характеристики 95
4.4. Выводы 105
5. STRONG Разработка и применение программного модуля «расчет оптимальных конструктивных параметров гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе» 106
5.1. Назначение и структура программного модуля STRONG 106
5.2. Определение оптимальных параметров гидрораспределителя 125
5.3. Исследование области применения гидрораспределителя 146
5.4. Конструктивные изменения, направленные на улучшение
характеристик гидрораспределителя 149
5.5. Выводы 155
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 157
Литература 160
- Методы определения регулировочных характеристик
- Решение тестовой задачи для дросселирующей двухкромочной кольцевой щели
- Определение механических и прочностных характеристик подвижной рамки
- Исследование влияния параметров гидрораспределителя на регулировочные характеристики
Введение к работе
Электрогидравлические усилители с дроссельным управлением (ЭГУ) являются основной функциональной частью электрогидравлических следящих приводов и многих других силовых гидравлических систем [7, 9, 10, 11, 16 - 22, 31, 32, 36, 41, 42, 44, 46, 47 - 52, 54, 55, 57 - 67, 84, 86, 87, 88, 97 - 100, 103, 108]. ЭГУ преобразуют и усиливают до требуемого энергетического уровня входной маломощный электрический сигнал, формируемый внешней информационной системой. Данное усиление осуществляется за счёт гидравлической энергии, поступающей на усилитель от источника гидропитания. Усиление сигнала происходит путём управления величинами гидросопротивлений переменных дросселей ЭГУ при перемещении запорно-регулирующих элементов (ЗРЭ).
Укрупнённая функциональная схема ЭГУ включает следующие основные части:
- электромеханический преобразователь (ЭМП), воспринимающий маломощ ный электрический информационный сигнал и преобразующий его в сигнал механической природы (чаще всего поворотный, реже - поступательный и вращательный на неограниченный угол);
- систему гидроусилителей, состоящую, в общем случае, из нескольких каска дов (степеней) последовательного усиления энергетического уровня гидравлического сигнала до требуемого значения;
- систему обратной связи (ОС), которая может иметь различные схемо конструктивные исполнения.
Основная классификация электрогидравлических усилителей приведена на рис. В.1.
Основной технико-конструктивной частью каскада усиления ЭГУ является совокупность деталей, объединенных понятием «гидравлический распределитель» или «гидрораспределитель» (ГР).
ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ (ЭГУ) Л
по виду ГР первого каскада по числу каскадов усиления
Л
по наличию сигнала ОСЦИЛЛЯЦИИ по виду обратной связи
• однокаскадныи;
? двухкаскадный;
? трсхкаскадный;
• многокаскадный
- без осцилляции;
- с естественной осцилляцией;
- с принудительной осцилляцией
струйный с подвижной трубкой;
• струйный с подвижной плитой;
струйный с дефлектором;
• сдвоенный «сопло-заслонка» с подвижной заслонкой;
• счетверенный «сопло-заслонка» с подвижной заслонкой;
золотниковый с цилиндрическим ЗРЭ;
• золотниковый с плоским ЗРЭ на упругом подвесе;
ЗОЛОТНИКОВЫЙ С ПЛОСКИМ riOBODOTHblM ЗРЭ
- с силовой ОС;
- с гидравлической ОС;
- с механической ОС;
- с электрической ОС;
- с кинематической ОС;
- с комбинированной ОС
Рис. В.1. Классификация электрогидравлических усилителей мощности
В случае применения двух и более каскадных схем первый каскад должен воспринимать и обрабатывать (усиливать) информационные сигналы, обладающие низким энергоуровнем, что предъявляет особые требования по надежности, помехоустойчивости, чувствительности, линейности регулировочных характеристик и быстродействию этого каскада. Поэтому во входных каскадах используются, так называемые, проточные схемы, потребляющие гидравлическую энергию даже при отсутствии информационного сигнала, т.е. в ждущем режиме. Подавляющая часть многокаскадных ЭГУ имеет в первом каскаде ГР типа «струйная трубка», «сдвоенное сопло-заслонка», реже - «счетверенные сопла-заслонки» и золотниковые ЗРЭ. Выходные каскады усиления многокаскадных ЭГУ построены на базе непроточных золотниковых ГР с положительными или «нулевыми» перекрытиями дроссельных щелей ЗРЭ. Для однокас-кадных ЭГУ приходится искать компромисс между преимуществами проточ 7
ных схем и, обладающими существенно лучшей экономичностью и жесткостью характеристик, непроточными ГР [18, 21, 57, 61 - 66, 84, 86, 97 - 100, 108].
В связи с очевидным стремлением уменьшения количества каскадов в ЭГУ при одновременном улучшении его технико-эксплуатационных и экономических характеристик особого внимания заслуживает комплекс вопросов, связанных с расширенным применением ГР с плоским золотниковым ЗРЭ на упругом подвесе (или ГР с плоским золотником на упругом подвесе), который выделен на рис. В.1.
Конструктивная схема ГР с плоским золотником на упругом подвесе приведена на рис. В.2. Конструкция состоит из двух основных деталей плоский ЗРЭ— 1 и основания 2. В верхней части ЗРЭ выполнены два пропила 8 и 9 и четыре фрезерованных паза 7, образующих систему из четырех плоских упругих пластин. Тем самым подвижный ЗРЭ представляет собой упруго-деформируемую консольную П-образную рамку 10 (подвижная рамка), нижняя плита которой может совершать плоскопараллельное движение в пределах, ограниченных максимальным смещением хтах. Усилие, необходимое для деформации упругих подвесов (перемещения ЗРЭ), развивается магнитной системой (якорем) ЭМП. В центральную часть рамки запрессована втулка 4, в которой запрессован поводок 3 со сферическим хвостовиком для присоединения ЗРЭ к выходному звену ЭМП. Нижняя плита ЗРЭ с запрессованными в неё втулкой 4 и поводком 3 образует золотник. В основание с натягом установлена втулка 5, имеющая пропилы, которые образуют дросселирующие щели требуемой шириной рабочих каналов / /, внутренний диаметр dt образует внутренние дросселирующие щели (внутренние рабочие щели), внешний диаметр d2 образует внешние дросселирующие щели (внешние рабочие щели). Во втулку 5 запрессована втулка 6, через которую подаётся рабочая жидкость с давлением /;„ и расходом О„. Золотник, а также втулки основания, образующие дросселирующие щели, являются распределительной частью ГР.
Р1 J Рп \ Р2 5 On 6 42 1 • А ( \ /
Рис. В.2. Гидравлический распределитель с плоским золотником на упругом подвесе
При смещении ЗРЭ в каком- либо направлении (например влево) жидкость поступает по левому боковому каналу к потребителю (давление в канале pi и расход qi), а с помощью правого канала обеспечивается отвод жидкости от потребителя на слив (давление р2 и расход qi). При изменении полярности информационного сигнала ЗРЭ перемещается вправо и уже правый боковой канал становится напорным, а левый — сливным. Нужные значения перекрытий обеспечиваются допусками на изготовление перечисленных деталей и их соединений, а зазор между плоскостью втулки 3 и плоскостями втулок 5 и 6 8 — также специальными технологическими приёмами, например прокладками из фольги.
Как следует из приведенного описания, ГР с такими ЗРЭ имеют целый ряд преимуществ по сравнению с цилиндрическими и поворотными ЗРЭ, а также обладают свойствами, характерными для проточных высокочувствительных ГР типа «сопло-заслонка» и «струйная трубка» [62, 64 - 66]. Они имеют меньше деталей, существенно проще конструктивно и технологически, поскольку рабочими поверхностями являются плоскости, не имеют кинематических пар трения, так как перемещение плоского ЗРЭ при подаче управляющего сигнала происходит вследствие деформации (изгиба) упругих пластин. Это повышает чувствительность и надежность работы ГР. Попадание твердых частиц в зазор менее опасно, чем в цилиндрических золотников парах, поскольку за счёт деформации упругих пластин имеется возможность выдавливания частицы в проточный тракт без заклинивания системы.
В качестве недостатков ГР рассматриваемой схемы в существующей литературе обычно отмечается их менее удобная компоновка, а также сравнительно невысокие рабочие давления. В таких ГР практически исключена возможность реализации такого эффективного приёма, как создание «вложенных» и оболочечных конструкций по принципу «матрёшки», что весьма часто используется применительно к цилиндрическим золотниковым парам, размещаемым одна внутри другой, а всего комплекта - в штоке гидроцилиндра. Создание резервированных ЭГУ на базе таких ГР также наталкивается на трудности связанные с резким увеличением массогабаритных показателей.
Несмотря на то, что ГР с плоскими ЗРЭ на упругом подвесе используются уже несколько десятков лет, в литературе имеются лишь весьма отрывочные и разрозненные сведения по их расчёту, проектированию и конструированию. Поэтому решение задачи по формированию практически пригодного алгоритма и программы расчёта основных параметров и характеристик ГР, построенных с учётом возможностей современной компьютерной техники и ориентированных на интерактивное взаимодействие пользователя с компьютером, является актуальным.
Однако плоский ЗРЭ на упругом подвесе обладает целым рядом специфических свойств, пренебрежение которыми может привести к существенным погрешностям в расчётах, использующих общеизвестные соотношения и формулы. В указанной связи прежде всего, следует обратить внимание на течение жидкости в специфических дроссельных щелях такого ГР. В данных ГР имеется значительная гидравлическая сила, «отжимающая» ЗРЭ от плоскости основания (увеличивающая зазор 8), что приводит к росту объёмных потерь и ухудшению регулировочных характеристик. Наблюдающаяся тенденция повышения рабочих давлений в силовых гидросистемах различных объектов (а, следовательно, и ЭГУ) может привести к проблемам проектирования ГР из-за возможной потери продольной устойчивости подвижной рамки. Простое решение, связанное с увеличением жёсткости упругих подвесов, потребует установки более мощных и, тем самым, инерционных и крупногабаритных ЭМП, что неизбежно ухудшит динамические и массогабаритные показатели системы.
Таким образом, цель данной работы - обеспечить возможность расширения применения ГР с плоским золотником на упругом подвесе в однокаскадных ЭГУ, а также в первых каскадах усиления двух и более каскадных ЭГУ, за счет оптимизационного проектирования, основывающегося на алгоритмизированной методике расчета основных конструктивных параметров, которая реализует диалоговое взаимодействие разработчика ГР с современной компьютерной техникой.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- исследовать процесс течения рабочей жидкости через дросселирующие ще ли ГР;
- сформировать математическую модель, описывающую механические и
прочностные характеристики, образование начальных перекрытий и регулировочные характеристики ГР;
- исследовать влияние основных конструктивных параметров на характери стики ГР;
- разработать систему алгоритмов, обеспечивающих интерактивные способы
определения оптимальных сочетаний конструктивных параметров ГР; - создать и отладить программный модуль, реализующий разработанную сис тему алгоритмов;
- исследовать границы области применения ГР;
- провести анализ путей совершенствования конструктивной схемы ГР.
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
- в анализе существующих методов расчета гидравлических параметров тече ния жидкости в дросселирующих щелях гидрораспределителя;
- в использовании современных способов расчета гидравлических параметров
течения рабочей жидкости в рабочих щелях ГР с плоским золотником на упругом подвесе и установлении зависимости изменения коэффициента расхода от числа Рейнольдса Re;
- в формировании целостной математической модели ГР, которая описывает
механические и прочностные характеристики, деформации втулок, вследствие которых образуются перекрытия дросселирующих щелей, и регулировочные характеристики, на базе которой сформирована методика расчета основных конструктивных параметров ГР;
- в установлении влияния различных конструктивных параметров и точности
изготовления ГР на его характеристики;
- в применении методов оптимизации при определении конструктивных пара метров ГР. Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:
- в разработке программного модуля расчета основных конструктивных пара метров ГР, реализующего методы оптимизации и интерактивное взаимодействие пользователя с компьютером, позволяющего получать варианты решения, что ускоряет расчеты и повышает качество разработки, который внедрен в программный фонд ЦНИИ АГ (приложение 8);
- в определении конструктивных параметров оптимизированного ГР, предна значенного для работы в первом каскаде двух и более каскадном ЭГУ, а также ГР предназначенного для работы в однокаскадном ЭГУ;
- в установлении области применения исследуемого ГР; - в усовершенствовании конструктивной схемы ГР.
На защиту выносятся:
- результаты исследования зависимостей коэффициента расхода открытых и
перекрытых дросселирующих щелей от Re;
- математическая модель ГР;
- результаты исследования влияния основных конструктивных параметров ГР
на его характеристики;
- методика и программный модуль расчета оптимальных конструктивных па раметров ГР;
- результаты определения конструктивных параметров ГР, работающих в ка честве первого каскада в двух и более каскадном ЭГУ, а также в однокас-кадном ЭГУ;
- результат исследования области применения ГР;
новые конструктивные схемы ГР, позволяющие улучшить его характеристи ки.
По материалам диссертационной работы опубликованы две статьи [15, 79J и четыре тезиса докладов на научно-технических конференциях [76 - 78, 80], а также получены два патента на полезные модели (приложения 6 и 7) [104, 105].
Методы определения регулировочных характеристик
Основной составляющей частью методики определения основных конструктивных параметров является расчет регулировочных характеристик. К регулировочным характеристикам относят регулировочную характеристику по расходу и регулировочную характеристику по перепаду давлений. Регулировочная характеристика по расходу (РХ) отражает зависимость установившихся расходов во внешних гидролиниях распределителя от смещения золотника, при наличии установившегося перепада давлений в этих гидролиниях. Регулировочная характеристика по перепаду давлений (ПХ) это зависимость установившихся значений перепада давлений во внешних гидролиниях от смещения золотника при протекании по гидролинии установившегося расхода рабочей жидкости [16, 17, 21, 29, 36, 44, 46, 50, 57, 62, 64, 65, 98, 99]. Регулировочные характеристики строятся на основании решения уравнений, в основе которых лежат выражения для расчета расхода рабочей жидкости через дросселирующие щели.
Анализируя работы [1, 7, 9, К), 13, 14, 16 - 22, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 36, 41 - 46, 47, 49, 53 - 55, 57 - 67, 72, 73, 76, 77, 80, 85, 86, 87, 90 - 92, 94 - 103, 106] можно выделить несколько методов расчета расхода рабочей жидкости через дросселирующие щели гидравлических устройств.
Авторы работ [9, 18 - 20, 36, 51, 63] предлагают выделять зоны перекрытых и открытых дросселирующих щелей и в зависимости от этого применять соответствующее расчетное выражение. Для перекрытых щелей используется выражение, рекомендованное для расчета расхода жидкости О через щелевые уплотнения [9, 10, 30] С 12-ц / 0-1) где hi — длина рабочей щели; 5 — зазор, определяющий ширину рабочей щели; Ар - перепад давления на щели; ирж — динамическая вязкость рабочей жидкости; / — перекрытие щели. Для открытых щелей используется общеизвестное выражение (1.2) где р. - коэффициент расхода; /- площадь проходного сечения щели; ррж -плотность жидкости.
Зависимости расхода О от величины открытия х или перекрытия / рабочего окна цилиндрического золотника показаны на рис. 1.1 . Расчет расхода ра 20 бочей жидкости, проходящего через открытую щель (кривая 1), производится по формуле (1.2) [50]. В области перекрытых щелей (/ 0) (кривая 2), используется формула (1.1). Анализ этой зависимости показывает, что при перекрытии, приближающемся к нулю, выражение (1.1) теряет смысл, поэтому его применение для расчета расхода через дроссельную щель с небольшим перекрытием невозможно. На рис. 1.1 также представлен результат эксперимента (кривая 3). Видно, что рассчитанные значения не совпадают с экспериментальными не только в зоне перекрытых, но и начале зоны малых открытий щели. Последнее несовпадение авторы объясняют тем, что коэффициент расхода, применяемый в выражении, не является постоянной величиной, а зависит от таких факторов как гидравлические параметры течения, геометрия щели, микрогеометрия входных кромок и поверхностей течения [13, 14, 27, 28, 33,45, 53, 90-92, 94].
Зависимость расхода от величины открытия или перекрытия рабочего окна цилиндрического золотника. Условия испытаний: золотник с прямоугольными кромками/; = 10 кгс/см2, 5= 0.0015 см, Л/ = 2.75 см, ррж = 900 кг/м3.
Таким образом, определение расхода на основании этого метода приводит к значительным неточностям в расчете. Для повышения точности авторы работ [16 - 18, 21, 27, 31, 33, 34, 94, 95 -100, 103] предлагают при расчете расхода жидкости учитывать экспериментальные зависимости коэффициента расхода либо от смещения золотника х, либо от Re. Причем зависимости описывают изменение коэффициента расхода, как при открытой щели, так и перекрытой щели, что позволяет в расчете расхода использовать только выражение (1.2). Зависимости, представляющие изменение коэффициента расхода от Re, носят более общий характер, так как не привязаны к геометрическим размерам дросселирующей щели. Кроме этого они отражают физическую суть процесса течения, так как Re характеризует гидравлические параметры течения жидкости.
В общем виде Re для дросселирующей щели рассчитывается согласно следующему выражению [27, 30] А-О рж in где урж — кинематическая вязкость рабочей жидкости; Пщ — смоченный периметр дросселирующей щели.
Для проведения численного расчета вместо графической зависимости удобно использовать аппроксимирующую её математическое выражение. Авторы работы [27] предлагают для аппроксимации графической зависимости использовать выражение = /(Re)=//1Itr (1.4) где \х щг. - установившееся значение коэффициента расхода; kfl — начальное значение производной зависимости ц f(Re). Пример зависимости \if(Re) и соответствующие ей параметры аппроксимирующего выражения представлены на рис. 1.2. На рисунке видно, что установившемуся значению коэффициента расхода соответствует критическое значение Re 200().
Решение тестовой задачи для дросселирующей двухкромочной кольцевой щели
В процессе функционирования ГР с плоским золотником на упругом подвесе образуются открытые и перерытые дросселирующие щели. Режим течения рабочей жидкости через такие щели изменяется от ламинарного до развитого турбулентного режима, что соответствует изменению Re от 10 до 10000. Большую часть времени ГР работает при установившейся температуре рабочей жидкости (равной примерно 50С), поэтому процесс течения можно считать изотермическим. Влиянием сжимаемости жидкости можно пренебречь, так как рассматриваются стационарные задачи течения при относительно невысоких давлениях.
Таким образом, задача исследования - установить зависимость изменения коэффициента расхода от Re при течении через открытую и перекрытую дросселирующую щель.
Для этого необходимо провести моделирование объемного, стационарного и изотермического течения вязкой несжимаемой жидкости, которое происходит в широком диапазоне изменения Re, т.е. моделированию подлежат как ламинарные, так и турбулентные течения. Моделью турбулентности в соответствии с рекомендациями работы [107] можно выбрать к-е модель.
Для проведения моделирования был выбран многоцелевой программный комплекс ANSYS. Комплекс реализует метод конечного элемента. Моделирование можно проводить для плоских и объемных течений однородной ньютоновой жидкости. В результате решения могут быть определены поля распреде 33 ления давлений и скоростей.
Для описания турбулентных течений в программе содержится шесть моделей турбулентности. Среди них имеется k-е модель, а также ряд ее модификаций.
В основе расчета лежат законы сохранения массы, количества движения и энергии. Эти законы и модели описываются частно-дифференциальными уравнениями, которые дискретизируются на конечно-элементной области.
Для обеспечения устойчивости и сходимости решения в программе имеется возможность применения ряда средств численных методов гидрогазодинамики, таких как введение искусственной вязкости и/или коэффициента релаксации.
Так как при моделировании используется ряд экспериментальных коэффициентов (коэффициенты в модели турбулентности, величина искусственной вязкости), то для того, чтобы установить их пригодность для моделирования рассматриваемых течений, необходимо провести проверочные расчеты. При выборе тестовых задач необходимо, чтобы они учитывали принципиальные особенности рассматриваемых течений, а также имели экспериментально снятые зависимости изменения их коэффициента расхода от Re.
В качестве тестовых задач были выбраны изотермические течения вязкой несжимаемой жидкости через двухкромочную кольцевую щель гидравлического устройства (аналог течения через открытую дросселирующую щель ГР) и через цилиндрический дроссель, длина которого изменяется в широком диапазоне (аналог течения через перекрытую дросселирующую щель ГР). Результаты экспериментальных исследований этих задач представлены в работгЕЗДи прЧ едении исследований в качестве рабочей жидкости принята жидкость со следующими физическими свойствами: плотность ррж = 850 кг/м ; коэффициент кинематической вязкости v,m = 2 сСт = 2 10 м /с; коэффициент динамической вязкости црж = 0.017 Па-с = 0.017 кг/(м-с). На основании экспериментальных данных, представленных в работе [27], можно заключить, что в обеих задачах переход от ламинарного режима течения к турбулентному происходит в диапазоне 100 Re 2000. Границы диапазона зависят от выражения, на основании которого определяется Re, поэтому они не имеют универсального значения, а соответствует выражению (2.1). Для проведения исследования, примем, что течения, Re которых изменяется от 100 до 2000, будут моделироваться как ламинарные.
Решение тестовой задачи для дросселирующей двухкромочной кольцевой щели В качестве тестовой задачи рассмотрено течение жидкости в двухкромочной кольцевой дросселирующей щели, показанной на рис. 2.1. Экспериментальные исследования зависимости коэффициента расхода ц от Re для данной щели, представлены в работе [27].
Двухкромочная щель гидравлического устройства
В результате исследования течения рабочей жидкости в такой щели были получены следующие данные для коэффициента расхода щели при развитом турбулентном течении или установившегося значения коэффициента расхода /ущт и начального значения производной зависимости // f(Re) &,,(см. рис. 1.2). /уЩ1 0.68...0.74 Для аппроксимации зависимости ju f(Rc) авторы используют выражение (1.4). Для данной кольцевой щели смоченный периметр равен, П = 2-(л-с1к + х), где dK — диаметр дросселирующей щели, показан на рис. 2,1. Так как смещение золотника х мало по сравнению с первым членом, то им можно пренебречь, поэтому Re в соответствии с выражением (1.3) определяется следующим образом 2-О Re = 7Г (1 V (2. I ) /I WK У рж V Принимая дш равным 0.72 получена зависимость // f(Re), которая показана на рис. 1.2. Было проведено численное моделирование течения в данной дросселирующей щели с помощью программы ANSYS. Исследование состоит из следующих этапов.
Определение механических и прочностных характеристик подвижной рамки
При определении деформации втулки, запрессованной в золотник, необходимо учитывать влияние её выступающей части. Для определения деформации выступающей части втулки, возникающей после соединения втулки 1 с втулкой 2 распределителя, рассмотрим схему представленную на рис. 3.6.
Схема соединения внутренних втулок распределителя Втулка 1 имеет выступающую часть длиною Lr. Можно предположить, что деформация этой части втулки будет определяться напряжениями, возникающими в месте контакта двух втулок. Для оценки влияния контактных напряжений на выступающую часть воспользуемся моментной теорией изгиба цилиндрических оболочек при симметричном нагружении [81, 83]. Зона влияния краевого эффекта защемления определяется на основании следующего выражения [81, 83] zKP = 2.7 -P4 L. 2L=Jbr. = 0.955 4d2r2-dXr2 . (3.34)
Если длина выступающей части больше критической зоны влияния краевого эффекта (т.е. гкр то в результате соединения внутренний и внешний диаметр втулки 1 останется без изменений. Если длина выступающей части меньше критической зоны (т.е. гкр f,r), то согласно теории изгиба цилиндрической оболочки, изгиб описывается функцией [81, 83]
Значения коэффициентов aj, 02, аз и а определяются, исходя из граничных условий: 1) деформация втулки 1 в начале выступающей части определяется деформаци ей, вызванной контактными напряжениями, возникающими при запрессовке втулок 1 и 2 ЕТ(0) = Л, (3.38) где Л — деформация, вызванная контактными напряжениями, возникающими при запрессовке втулок. 2) угол поворота поперечного сечения втулки 1 в начале выступающей части равен Р = 0; (3.39) 3) изгибающий момент в конце выступающей части отсутствует м = / тЛ = 0; (3.40) 4) поперечная сила в конце выступающей части также отсутствует ( l" dl - v dl (3.41) Подставляя выражение (3.35) в уравнения (3.38) (3.41) получим систему уравнений, из которой находим неизвестные коэффициенты а/, П2, aj и а а2+аА =Л, Таким образом, можно сказать, что при фиксированном значении Lr деформация крайнего сечения выступающей части втулки - есть функция, аргументом которой является деформация, возникающая при запрессовке втулок X. Определение деформации кромок рабочих щелей
Введем следующие обозначения: /( — допуск на размер; И.О. — нижнее отклонение размера; И.О. — верхнее отклонение размера; Ai —натяг в соединении втулок 1 и 2; А2 — натяг в соединении втулки 2 с распределителем или основанием; d— внутренний радиус втулки; D — внешний радиус втулки; деформация внутреннего диаметра втулки 2 в распределителе; J2P — деформация внешнего диаметра втулки 2 в распределителе; fio — деформация внутреннего диаметра втулки 2 в основании; J2o — деформация внешнего диаметра втулки 2 в основании; Индексы: обозначение относится к внутреннему радиусу втулки; D — обозначение относится к внешнему радиусу втулки; / — обозначение относится к втулке 1; 2 — обозначение относится к втулке 2; р — обозначение относится к распределителю; о — обозначение относится к основанию.
Отдельно рассмотрим соединение втулок распределителя и основания. На рис. 3.7 представлена расчетная схема соединения втулок распределителя. Сам распределитель заменен эквивалентной втулкой, внешний диаметр 1)р которой определяется как наименьшее расстояние от центральной оси до ближайшей границы распределителя.
Исходными данными для расчета являются: Допуск на внешний диаметр втулки 1 Д.ц.г, Допуск на внешний диаметр втулки 2Д.о.2; Нижнее отклонение внутреннего диаметра втулки 2 H.O.d.2, Верхнее отклонение внутреннего диаметра втулки 2 И.О.,1.2, Нижнее отклонение внутреннего диаметра распределителя H.O.j.p, Верхнее отклонение внутреннего диаметра распределителя B.O.tlp; Минимальный натяг в соединении втулок 1 и 2 Л\.тт Минимальный натяг в соединении втулки 2 с распределителем Д?.„„„
Минимальный натяг в соединении втулок 1 и 2 может сочетаться с минимальным или максимальным натягом при соединении объединенных втулок с распределителем. Максимальный натяг в соединении втулок 1 и 2 также может сочетаться с минимальным или максимальным натягом при соединении с распределителем. Таким образом, образуются четыре пары возможных сочетаний натягов, которым соответствуют четыре пары деформаций внутреннего и внешнего диаметра втулки 2. Четыре пары возможных сочетаний деформаций рассчитываются согласно следующим выражениям деформация выступающей части втулки, рассчитанная согласно выражениям (3.35) - (3.42), в которых Л = P AAJ AJhA) гзч(Д2ш;п)— деформация выступающей части втулки, рассчитанная согласно выражениям (3.35) (3.42), в которых
Исследование влияния параметров гидрораспределителя на регулировочные характеристики
1. Для обеспечения наибольшего ресурса работы необходимо стремиться уменьшать толщину упругих подвесов hi и их длину //.
2. Чтобы уменьшить жесткость упругих подвесов, а следовательно, и ме ханическую энергию перемещения подвижной рамки, необходимо уменьшать толщину hi и ширину b подвесов, а также увеличивать их длину //.
3. Минимальная величина параметров hi и Ь, максимальная величина па раметра /; ограничена возможностью потери продольной устойчивости под вижной рамки из-за действия сил давления.
4. Значение внешнего диаметра рабочих щелей d2 определяется на осно вании решения уравнения (4.4), что позволит значительно уменьшить утечки рабочей жидкости.
5. При назначении отклонений допуска внутреннего и внешнего диамет ров рабочих щелей нужно стремиться, чтобы относительная величина внутрен него и внешнего перекрытия (отношение величины перекрытия к величине за зора см. (4.6)) находилась в диапазоне от -1.5 до 1.5, что позволило бы добиться наилучших значений крутизны регулировочной характеристики по перепаду давлений и коэффициента усиления по расходу. Причем введение перекрытий в указанном диапазоне практически не ухудшило бы другие показатели регули ровочных характеристик. Однако, следует учитывать, что на суммарную вели чину перекрытий оказывает влияние несоосность и некруглость поверхностей втулок, поэтому кроме влияния на такие показатели, как несимметричность РХ и смещение нуля РХ, они оказывают косвенное влияние на другие показатели регулировочных характеристик, вследствие чего нужно стремиться к уменьше нию допусков на несоосность и некруглость поверхностей.
Программный модуль предназначен для расчета основных конструктивных параметров ГР с плоским запорно-регулирующим золотником на упругом подвесе применительно к схеме, показанной на рис. В.2. Принцип действия состав и назначение отдельных частей ГР были подробно рассмотрены в первой главе работы.
Программный модуль реализует методику расчета конкретной и неизменной структурной схемы ГР по совокупности энергетических, регулировочных характеристик и использует соотношения, приведенные в предыдущих главах работы. Модуль позволяет в диалоговом режиме взаимодействия пользователя и ПЭВМ: рассчитать основные конструктивные параметры распределительной (гидравлической) части ГР; рассчитать основные конструктивные параметры подвижной рамки ЗРЭ распределителя; предложить пользователю критерии выбора (назначения) тех или иных параметрических вариантов распределителя; осуществить выбор предпочтительных параметрических вариантов; рассчитать и построить основные регулировочные характеристики распределителя: по расходу и перепаду давлений.
Модуль имеет: структуру, блоки встроенных программ, систему межпрограммного и внешнего информационного обмена, позволяющих использовать его как автономным образом, так и в составе расширенного программного набора для расчета и проектирования ГР.
Укрупненная блок-схема программного модуля представлена на рис. 5.1. Детальное описание отдельных блоков приведено в последующих пунктах главы.
Работа с программой начинается с задания и ввода исходных данных. Для этого необходимо зайти в п. «Исходные данные». В данном пункте необходимо задать численные значения всех исходных данных, которые разделены на четыре категории. Параметры питания и показатели качества: 1. Номинальный расход, литр/мин; 2. Подводимое давление, МПа; 3. Коэффициент запаса по усталостной прочности подвижной рамки; 4. Коэффициент запаса по устойчивости подвижной рамки; 5. Доля утечек в номинальном расходе, %; 6. Механическая энергия перемещения подвижной рамки, мкДж; 7. Нелинейность РХ гидрораспределителя, %; 8. Несимметричность РХ гидрораспределителя, %; 9. Смещение нуля РХ гидрораспределителя, %; 10. Крутизна ПХ гидрораспределителя, %; Свойства рабочей жидкости и материалов: 1. Плотность рабочей жидкости, кг/м3; 2. Динамическая вязкость рабочей жидкости, кг/мс; 3. Модуль упругости стали, МПа; 4. Коэффициент Пуассона; 5. Предел текучести материала втулок, МПа; Конструктивные и технологические условия: 1. Коэффициент снижения давления; 2. Максимальная скорость в подводящем отверстии, м/с; 3. Коэффициент гидродинамической силы, Н/м; 4. Максимальное смещение подвижной рамки, мкм; 5. Технологический зазор между распределителем и основанием, мкм; 6. Ограничение по высоте ножек подвижной рамки, мм; Коэффициенты расхода:
Здесь задаются относительные перекрытия и соответствующие им коэффициенты расхода ц, а также начальные значения производной зависимости li-f(Re) V
Существует возможность сохранить (кнопка «Сохранить») все данные таблиц «Исходных данных» в файл или загрузить данные из файла (кнопка «Открыть»). Файлы, содержащие данные «Исходных данных» имеют расширение .dtl.
Заполнять таблицу «Коэффициенты расхода» нужно в порядке возраста ния относительного перекрытия щели (отношение длины щели к её высо те). 2. Все пункты каждой таблицы обязательно должны быть заполнены, без этого переход на следующие этапы расчета невозможен. 3. Работа с программным модулем обязательно должна начинаться с запол нения и/или проверки таблиц «Исходные данные». Расчет основных конструктивных параметров начинается с пункта программного модуля под названием «Основные конструктивные параметры». Реализация данного пункта расчета осуществляется путём последовательного выполнения перечисленных ниже шагов.
