Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидроприводы испытательных машин 13
1.1. Обзор схем гидроприводов испытательных машин 14
1.2. Оценка необходимости применения гидростатических опор на штоке поршня гидроцилиндра 19
1.3. Выводы 27
Глава 2. Математическое моделирование и расчет гидростатических опор для штока гидроцилиндра 28
2.1. Принимаемые допущения при математическом моделировании гидростатической опоры 30
2.2. Уравнение распределения давления в рабочем зазоре гидростатической опоры 32
2.3. Толщина смазочного слоя в гидростатической опоре 36
2.4. Составление уравнений сил и расходов жидкости в гидростатических опорах штока 36
2.5. Определение интегральных характеристик гидростатической опоры 38
2.6. Составление упрощенной модели гидростатической опоры. Определение статических характеристик 39
2.7. Решение уравнений течения жидкости в гидростатической опоре в программном комплексе STAR CD 45
2.7.1. Основные сведения о программном комплексе STAR CD 45
2.7.2. Структура и комплектация STAR CD 46
2.7.3. Составление сеточной модели гидростатической опоры 47
2.7.4. Выбор метода решения уравнений гидродинамики для гидростатической опоры 52
2.7.5. Интегральные характеристики гидростатической опоры 59
2.7.6. Задание начальных и граничных условий 62
2.8. Анализ результатов расчета характеристик гидростатической опоры 65
2.9. Выводы 88
Глава 3. Математическая модель гидропривода испытательной машины .89
3.1. Нелинейная математическая модель гидропривода 91
3.2. Линейная математическая модель гидропривода 103
3.3. Выводы 114
Глава 4. Экспериментальные исследования гидропривода испытательной машины 115
4.1. Экспериментальная установка 115
4.2. Гидросхема испытательной установки 124
4.3. Расчет струйного насоса 124
4.4. Экспериментальные исследования статических характеристик гидростатических опор 134
4.4.1. Получение проливочных характеристик дросселей гидроопоры 136
4.4.2. Порядок и методика проведения экспериментальных исследований гидростатических опор 139
4.4.3. Результаты и обработка экспериментальных исследований 140
4.5. Экспериментальное исследование динамической характеристики гидропривода 141
4.5.1. Порядок и методика проведения экспериментальных исследований гидропривода 145
4.5.2. Результаты и обработка экспериментальных исследований 146
4.6. Выводы ...151
Общие выводы 152
Список литературы 154
Приложения 161
- Оценка необходимости применения гидростатических опор на штоке поршня гидроцилиндра
- Составление упрощенной модели гидростатической опоры. Определение статических характеристик
- Выбор метода решения уравнений гидродинамики для гидростатической опоры
- Экспериментальное исследование динамической характеристики гидропривода
Введение к работе
В настоящее время, несмотря на значительные успехи в области методов расчета конструкций на прочность и определения механических свойств материалов, важной проблемой является проведения экспериментальных исследований, с помощью которых можно было бы определить несущую способность конструкций с учетом всего многообразия комплексного воздействия эксплутационных факторов. Основные данные о прочности материалов, полученные по результатам экспериментальных исследований в условиях, близких к эксплутационным, вносятся в расчеты элементов конструкций, которые затем проходят стадию экспериментальной проверки.
В связи с этим основная задача испытательной техники состоит в том, чтобы максимально приблизить условия испытаний к реальным условиям эксплуатации и количественно определить изменение в этих условиях основных свойств, функций и характеристик материалов и конструкций. При моделировании внешних воздействий как в процессе создания новых материалов конструкций, так и при оценке качества готовой продукции необходимо четко представлять основные факторы, воздействующие на элементы конструкции в процессе эксплуатации.
Виды воздействующих факторов и их значения в зависимости от условий эксплуатации материалов и изделий устанавливаются в стандартах и технических условиях, а для вновь создаваемых конструкций - в технических заданиях на их разработку. В общем случае основными воздействующими факторами являются механические, климатические, биологические, специальные среды, ионизирующие и электромагнитные излучения.
Испытательная техника охватывает обширный круг вопросов в различных областях науки и техники [15]. Особое место испытательной техники уделяется в авиационной, космической, автомобильной промышленности, в строительстве и других областях.
Строительство подразделяется на такие отрасли как промышленное, жилищное, транспортное строительство. Основным материалом для перечисленных отраслей является железобетон. Основным недостатком железобетона является низкая прочность при растяжении. Поэтому при разработке железобетонных конструкций важную роль занимает их расчет и процесс испытаний.
На протяжении многих лет во всем мире накапливался опыт испытаний и эксплуатации железобетонных конструкций. Было найдено, что при металлической арматуре бетон хоть и не разрушается при растяжении, но трескается. Это отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах железобетонных конструкций и сооружений. Однако важнейшим достижением, в результате накопленного опыта, является получение технологии так называемого преднапряженного железобетона. Суть этой технологии заключается в создании на стадии изготовления или строительства железобетонной конструкции напряженного состояния в ней, при котором предварительный знак напряжения в бетоне противоположен знаку напряжения от эксплуатационной нагрузки. Такая технология позволяет наиболее эффективно использовать повышенную прочность бетона при сжатии.
С развитием технологии преднапряженного железобетона она стала завоевывать все большие области в строительстве. На сегодняшний день эта технология во всем мире используется при сооружении зданий, пролетных строений и опор мостов, железобетонных свай, труб, опор ЛЭП, мачт освещения, телебашен, различных морских сооружений и многого другого.
В России технология преднапряженного железобетона получила наиболее широкое применение в мостостроении. При строительстве мостов, по такой технологии, напрягаемой арматурой являются прядевые пучки высокопрочных канатов марки К7 [11], которые изготавливаются и поставляются канатными заводами. В настоящее время, как поставщик, так и заказчик проводят испытания канатов на растяжение до разрыва [10, 13, 66]. Поставщику эти испытания необходимы для текущего контроля и составления сертификата на готовые пряди, а заказчику, - с одной стороны, для проверки соответствия действительных характеристик их величинам, установленными техническими условиями или ГОСТом на пряди, и, с другой стороны, - для технологических целей, связанных с процессом изготовления и испытания предварительно напряженных железобетонных конструкций. Однако такие испытания не удовлетворяют реальным режимам работы каната при эксплуатации моста. Так как в реальных условиях канат испытывает сложный закон нагружения, который условно можно разбить на две составляющие: статическое и динамическое нагружение. Статическое нагружение возникает от действия постоянных нагрузок - предварительного натяжения каната, восприятия им массы моста и т.п. Динамическое нагружение возникает от действия знакопеременных нагрузок - движения транспорта, порывов ветра и т.п. Российские испытательные машины, позволяющие проводить испытания образцов при динамических нагружениях, не способны моделировать работу каната в реальных условиях. За рубежом существуют испытательные машины, позволяющие проводить испытания канатов при учете динамической составляющей нагрузки, максимально приближенной к реальной. Такие стенды разработаны фирмами Schenck, MTS, Instron и др. На основе таких испытаний были получены европейские стандарты характеристик канатов при динамических испытаниях [72]. Сравнение испытательных машин показывает, что зарубежные аналоги значительно дороже российских при этом они не позволяют проводить испытания в широком спектре законов нагружения.
Поэтому появилась необходимость в создании испытательной машины, параметры которой удовлетворяли бы реальным условиям работы каната.
Основываясь на опытных данных строительства и эксплуатации мостов, закон нагружения каната можно представить графиком, показанном на рисунке В.
t, с
Рис. В. График закона нагружения испытуемого каната: Р - усилие, нагружающее канат; t - время; Т - период колебаний; / -
частота колебаний в Гц
В этом случае статическая нагрузка составляет 150 кН, при такой нагрузке канат подвергается динамическому воздействию с амплитудой по усилию 10 кН и частотой 0-100 Гц. Диапазон частот обеспечивает варьирование режимов динамического нагружения каната, а также сокращение времени испытаний.
Кроме того, испытательная машина должна создавать широкий спектр законов нагружения на выходном звене, например синусоидальный, пилообразный, случайный закон.
Указанные требования можно удовлетворить с помощью электрогидравлического следящего привода. Его основные преимущества перед механическим, электрическим и пневматическим приводами - это большая энергоемкость, высокое быстродействие и способность регулировать выходную величину по желаемому закону.
Однако при создании такого гидропривода испытательной машины заводские лаборатории сталкиваются со значительными техническими трудностями. Режимы работы гидропривода на базе промышленных гидроагрегатов осуществить достаточно сложно, а обеспечить режим динамического нагружения по требуемым законам практически невозможно.
Разработка гидропривода с точным воспроизведением реального закона нагружения каната требует исследования всех процессов, протекающих как в отдельных элементах, так и во всем гидроприводе в целом.
Одним из основных факторов, ограничивающих точность динамического закона нагружения, а также частоту колебаний, являются контактные уплотнения гидроцилиндра. При сложной форме моделируемого закона нагружения, силы сухого трения на контактных уплотнениях существенно искажают форму процесса. В тоже время контактное давление уплотнения на зеркало цилиндра при большой скорости относительного перемещения пар трения приводит к высокотемпературному режиму работы материала уплотнений, что сокращает ресурс работы установки.
Для преодоления указанного недостатка контактных уплотнений, непосредственно в гидроприводах испытательной машины, передовые фирмы применяют гидростатические опоры, методы расчета и проектирования которых не приводят.
В связи с перечисленными выше особенностями применения гидропривода в испытательных машинах, необходимо:
разработать методику расчета гидростатических опор гидроцилиндра;
исследовать режимы работы гидропривода испытательной машины, имитирующей динамические воздействия на канат, и создать математическую модель такой гидромеханической системы;
подтвердить адекватность математической модели реальной системе.
Диссертация посвящена решению этих задач.
Оценка необходимости применения гидростатических опор на штоке поршня гидроцилиндра
Основной причиной применения гидропривода в испытательных машинах является необходимость формирования больших нагрузок (до 1000 кН) при испытаниях образцов конструкций и их элементов. Это связано с применением, в настоящее время, в машиностроении все более современных высокопрочных материалов, характеристики которых значительно превосходят характеристики материалов, использовавшихся ранее. Первоначально ставилась достаточно простая задача статических испытаний материалов на растяжение-сжатие и изгиб. Упрощенная гидравлическая схема такой испытательной машины изображена на рис. 1.1. Она состоит из насоса 1, гидрораспределителя 2, гидроцилиндра (ГЦ) 3 и переливного клапана 4 [16, 42]. Расход жидкости от насоса 1 с давлением, регулируемым переливным клапаном 4, поступает на вход к гидрораспределителю 2. Гидрораспределитель соединяет полости ГЦ с давлением, идущем от насоса и со сливом, в зависимости от вида испытаний. Данная схема проста и может быть реализована на типовых устройствах.
Испытательные машины с гидроприводами широко известны на российском и зарубежном рынках. В России существуют прессы марок ИПС, ПММ, ПР [16], разрывные машины марок PC и РМ [16] и др. Зарубежные аналоги представлены фирмами: Schenck (Германия) моделями RB, RBS, UPM, PL, PSB [16, 59, 60]; MAN (Германия) моделями UBP, UPM, BPS [16]; Tonitechnik (Германия) моделями 1122, 1128, 2508 [16]; Torsee (Япония) моделями АС [16] и др.
При дальнейшем развитии испытательной техники встал вопрос об испытаниях материалов при циклических законах нагружения. Такой вид нагружения можно получить двумя способами. Осуществляя колебательное движение выходного звена гидропривода за счет энергии пульсирующего потока рабочей жидкости, подводимой непосредственно от насоса или от гидрораспределителя, золотник которого совершает колебания. Машины первого вида называют гидравлическими пульсаторами, машины второго вида - гидравлическими вибраторами [4].
Схема гидравлического пульсатора испытательной машины пердставлена на рис. 1.2 [21, 42]. В этой схеме циклический закон нагружения формируется за счет колебаний давления жидкости в полости гидроцилиндра 4. Колебания создает гидропульсатор 1, около статического значения давления жидкости, подводимой от насоса 6. Варьируя частоту вращения со и величину эксцентриситета е приводного вала гидропульсатора, можно изменять параметры циклического закона нагружения. В России производят пульсаторы, например, таких марок МУП, МУГП, МП [16] и др. Зарубежные аналоги представлены фирмами Losenchausen (Германия) моделями UHP, UHW, UHS [16]; Amsler (Швейцария) WPZ [16] и др. Для усложнения характера закона нагружения обычно объединяют два или несколько гидропульсаторов, при этом их приводные валы вращаются с различными скоростями. Этот механизм реализован в сейсмическом вибростенде марки ВП2КБ-50 [16], разработанный отечественной промышленностью.
Гидравлические вибраторы являются более перспективными, чем пульсаторы, так как позволяют моделировать более сложные законы нагружения. В основе работы вибраторов лежит электрогидравлическая система возбуждения [2, 3, 25, 41, 47, 67, 69, 70]. Простейшая схема гидравлического вибратора передставлена на рис. 1.3. В этой схеме циклический закон нагружения осуществляет исполнительный гидроцилиндр (ГЦ) 3 при колебаниях золотника электрошдравлического усилителя (ЭГУ) 2. ЭГУ имеет: электромеханический преобразователь, который входное напряжение преобразует в перемещение заслонки, расположенной перед соплами, дроссельный мост, состоящий из четырех дросселей и управляющий золотник. Перемещение золотника происходит под действием силы, вызванной перепадом давления на торцах золотника, который возникает при повороте заслонки.
С целью повышения энергетических показателей и расширения частотного диапазона режимов нагружения была разработана гидравлическая испытательная машина, работающая в резонансных режимах [1, 4, 16]. Конструкция такой машины, разработанной фирмой Schenck, представлена на рис. 1.4. Особенностью гидропривода этой машины является нагружающий ГЦ 3 и ГЦ возбуждения 4, на штоках которых выполнены гидростатические опоры. Благодаря применению гидростатических опор совершенно исключается сухое трение, что практически устраняет влияние на форму выходного сигнала силы трения покоя [65] и возникновения гистерезиса. Такая схема позволяет увеличить частоты моделируемых законов нагружения. В резонансном режиме гидроприводы позволяют создавать динамическое усилие на образце до 15 МН и проводить испытания на частотах до 60 Гц.
Отечественной промышленностью была разработана гидрорезонансная двухцилиндровая машина ЦЛУ ±30 [16]. Особенность этой машины состоит в применении пульсаторного ротора, который создает циклические резонансные режимы колебаний в ГЦ возбуждения. Наибольшая динамическая нагрузка такой машины при знакопеременных и знакопостоянных режимах составляет ± 300 кН в диапазоне врзбуждаемых частот 0,5 - 55 Гц. Реализованная гидравлическая схема в испытательной машине позволяет создавать циклические нагрузки через цилиндр возбуждения или непосредственно через нагружающий ГЦ.
Как показывает опыт крупнейших зарубежных фирм Schenck [4, 59, 60, 65, 73], MTS (США) [4], Hitachi (Япония) [16], Servotest (Великобретания) [16] наибольшее применение в машинах, создающих циклические нагрузки, получили системы, основанные на электродроссельной системе возбуждения. Исходя из опыта исследования гидродинамических процессов в таких системах, а также в результате обзора современных схем гидроприводов испытательных машин, была разработана схема гидропривода испытательной машины, показанная на рис. 1.5,
Основными элементами схемы являются насос 6, ГЦ 3 с размещенными в нем на штоках поршня гидроопорами и ЭГУ 2. Гидропневмоаккумуляторы 1 обеспечивают гашение пульсаций давления в напорной и сливной линиях, идущих от насоса. Струйный насос 4 обеспечивает сбор утечек рабочей жидкости, поступающих от гидроопор в атмосферу.
Теоретические и экспериментальные исследования данного гидропривода состояли в выборе параметров гидростатических опор, математическом моделировании процессов в гидроприводе и обеспечении создаваемых им нагрузок на испытываемое изделие.
Составление упрощенной модели гидростатической опоры. Определение статических характеристик
Методика проведения эксперимента была следующей. Предварительно были проведены работы по оснащению и подключению необходимого оборудования экспериментальной установки, а также по закреплению испытуемого образца каната при помощи специальных клиновых зажимов. Испытания проводились на канате длиной 1,6 м. Затем запитывались электрические цепи установки (датчиков и вторичной аппаратуры). Осциллограф нуждался в некотором предварительном прогреве для обеспечения отсутствия эффекта плавающего нуля. Время прогрева составляло 30 минут. После этого рабочая жидкость подавалась на установку. Производилась регулировка давлений питания, подводимых к установке. Давление питания, подводимое к ЭГУ, регулировалось дросселем на насосной станции и составляло 20 МПа. Давление питания, подводимое к ГО, регулировалось дросселем на экспериментальной установке и составляло 10 МПа, Далее, при помощи регулировочного резистора, подавалось постоянное напряжение на ЭМП ЭГУ, под действием которого происходило смещение золотника, вызывающее перепад давления на поршне ГЦ. Перемещаясь, поршень растягивал канат до заданного статического усилия 150 кН. При этом давление, соответствующее этому усилию, контролировалось датчиками давления. После этого происходил контроль положения поршня по датчику перемещения. Поршень находился в средней точке перемещения поршня ГЦ. Это позволяло приблизить условия эксперимента к условиям, описанным в расчетной математической модели. Далее с генератора сигналов подавалась переменная составляющая напряжения на ЭМП ЭГУ с амплитудой Ац при начальной частоте колебаний 2 Гц. Величина амплитуды отстраивалась до тех пор, пока амплитуда силы, нагружающей канат, не достигла заданной величины 10 кН. Амплитуда силы измерялась по датчикам давления с последующим учетом масштабного коэффициента. Одновременно с процессом отстройки амплитуды входного сигнала происходила регулировка коэффициентов усиления ЭГУ. Далее, изменяя частоту колебаний сигнала, подаваемого с генератора, фиксировалось значение амплитуды напряжения А (/) и силы Ap(f).
Обработка экспериментальных данных была проведена по методике, описанной в пункте 4.4,3, При получении экспериментальной зависимости снималось девять точек, каждая из которых задавалась десять раз (см. приложение 2).
Графики колебания сигнала, поступающего от датчиков давления и соответствующего перепаду давлений на поршне гидроцилиндра, в зависимости от частоты колебаний, представлены на рис. 4.15. Из представленных графиков видно, что при увеличении частоты колебаний существенно начинает проявляться генерация сигнала, идущая от блока управления ЭГУ. Это связано с тем, что электрическая схема блока управления не позволяет пропускать входной сигнал, идущий от генератора, без искажения при повышении частоты. При этом, частота среза блока управления, при которой периодический сигнал перестает прослеживаться, составляет 70 Гц. Таким образом, максимальная частота, при которой гидравлический привод может отрабатывать входной сигнал, ограничивается частотой среза блока управления ЭГУ. По результатам эксперимента был построен график логарифмической амплитудной характеристики для всего гидропривода в зависимости от частоты колебаний L = L(f). График представлен на рис. 4.16. Для сравнения экспериментальных результатов с теоретическими логарифмическая амплитудная характеристика была представлена в безразмерном виде — — Сравнивая расчетные данные с экспериментальными зависимостями для гидростатической опоры можно сделать следующие выводы: 1. Для концентричного положения штока поршня в цапфе гидроооры различие для расходной характеристики составляет 6%. С ростом эксцентриситета разница увеличивается до 14%. Для несущей способности максимальная разница составляет 11%. 2. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что математическая модель исследуемой гидростатической опоры соответствует физической. Следовательно, при проектировании гидростатических опор можно пользоваться разработанной методикой расчета. Сравнивая расчетные данные с экспериментальными зависимостями, полученными для всего гидропривода можно сделать следующие выводы: а) рабочий частотный диапазон гидропривода определяется блоком управления ЭГУ и составляет 70 Гц. б) разница между экспериментальной логарифмической амплитудной характеристикой и теоретической составляет: на частотах от 1 до 30 Гц - 7%, на частотах от 30 до 70 Гц - 2%.
Выбор метода решения уравнений гидродинамики для гидростатической опоры
Сравнивая расчетные данные с экспериментальными зависимостями для гидростатической опоры можно сделать следующие выводы: 1. Для концентричного положения штока поршня в цапфе гидроооры различие для расходной характеристики составляет 6%. С ростом эксцентриситета разница увеличивается до 14%. Для несущей способности максимальная разница составляет 11%. 2. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что математическая модель исследуемой гидростатической опоры соответствует физической. Следовательно, при проектировании гидростатических опор можно пользоваться разработанной методикой расчета. Сравнивая расчетные данные с экспериментальными зависимостями, полученными для всего гидропривода можно сделать следующие выводы: а) рабочий частотный диапазон гидропривода определяется блоком управления ЭГУ и составляет 70 Гц. б) разница между экспериментальной логарифмической амплитудной характеристикой и теоретической составляет: на частотах от 1 до 30 Гц - 7%, на частотах от 30 до 70 Гц - 2%. в) падение экспериментальной логарифмической амплитудной характеристики на рабочем диапазоне частот составляет 2,5 дБ. При этом амплитуда выходного сигнала снижается на 3%. Такое снижение амплитуды для испытательных образцов является незначительным. Ниже представлены основные результаты и выводы диссертационной работы. 1. Разработан и апробирован метод решения пространственной задачи для течения жидкости в зазоре гидростатической опоры, определяющий поле давления в слое смазки и ее основных характеристик. Новизна метода заключается в следующем: а) впервые уравнения гидродинамики для тонкого слоя смазки в гидростатической опоре решались в полной постановке с применением программного комплекса STAR CD; б) впервые задача гидродинамики для течения жидкости в зазоре гидроопоры решалась с учетом перекоса штока в цапфе гидроопоры под действием внешней радиальной нагрузки, что приводило к клиновидной форме зазора. 2. Рассчитаны и представлены интегральные характеристики гидростатической опоры (несущая способность и расход жидкости). 3. Составлена и апробирована математическая модель гидропривода для динамических испытаний канатов, учитывающая влияние гидродинамических процессов в гидроопорах на динамику гидропривода. 4. Рассчитаны и представлены динамические характеристики гидропривода для всего диапазона рабочих частот. 5. Создан экспериментальный стенд для испытания гидропривода и проведены испытания, подтвердившие основные теоретические положения диссертации. Результаты испытаний следующие: а) получены значения несущей способности и расхода жидкости через гидростатическую опору. Расхождение расчета с экспериментом для концентрического положения штока в цапфе гидроопоры не более 6%, для случая с перекосом штока не более 14%; б) получена логарифмическая амплитудная характеристика для всего гидропривода. Выявлена частота пропускания входного сигнала без существенного искажения выходного сигнала, которая составляет 70 Гц. При этом логарифмическая амплитудная характеристика падает на 2,5 дБ, что составляет 3% падения амплитуды выходного сигнала. 6, Основываясь на международных нормах для динамических испытаний канатов, которые накладывают условия испытаний до 2 млн. циклов, можно сделать вывод, что при 70 Гц время испытания канатов будет составлять около 8 часов непрерывной работы, что значительно меньше времени, при котором необходимо проводить испытания на существующих отечественных установках. 7. Результаты диссертационной работы применены при проведении динамических испытаний в лаборатории при ООО "Фирма "Следящие тест-системы". Кроме того, ведется подготовка результатов экспериментов и методики проведения испытаний для сертификации стенда.
Экспериментальное исследование динамической характеристики гидропривода
В России технология преднапряженного железобетона получила наиболее широкое применение в мостостроении. При строительстве мостов, по такой технологии, напрягаемой арматурой являются прядевые пучки высокопрочных канатов марки К7 [11], которые изготавливаются и поставляются канатными заводами. В настоящее время, как поставщик, так и заказчик проводят испытания канатов на растяжение до разрыва [10, 13, 66]. Поставщику эти испытания необходимы для текущего контроля и составления сертификата на готовые пряди, а заказчику, - с одной стороны, для проверки соответствия действительных характеристик их величинам, установленными техническими условиями или ГОСТом на пряди, и, с другой стороны, - для технологических целей, связанных с процессом изготовления и испытания предварительно напряженных железобетонных конструкций. Однако такие испытания не удовлетворяют реальным режимам работы каната при эксплуатации моста. Так как в реальных условиях канат испытывает сложный закон нагружения, который условно можно разбить на две составляющие: статическое и динамическое нагружение. Статическое нагружение возникает от действия постоянных нагрузок - предварительного натяжения каната, восприятия им массы моста и т.п. Динамическое нагружение возникает от действия знакопеременных нагрузок - движения транспорта, порывов ветра и т.п. Российские испытательные машины, позволяющие проводить испытания образцов при динамических нагружениях, не способны моделировать работу каната в реальных условиях. За рубежом существуют испытательные машины, позволяющие проводить испытания канатов при учете динамической составляющей нагрузки, максимально приближенной к реальной. Такие стенды разработаны фирмами Schenck, MTS, Instron и др. На основе таких испытаний были получены европейские стандарты характеристик канатов при динамических испытаниях [72]. Сравнение испытательных машин показывает, что зарубежные аналоги значительно дороже российских при этом они не позволяют проводить испытания в широком спектре законов нагружения.
Поэтому появилась необходимость в создании испытательной машины, параметры которой удовлетворяли бы реальным условиям работы каната. Основываясь на опытных данных строительства и эксплуатации мостов, закон нагружения каната можно представить графиком, показанном на рисунке В. В этом случае статическая нагрузка составляет 150 кН, при такой нагрузке канат подвергается динамическому воздействию с амплитудой по усилию 10 кН и частотой 0-100 Гц. Диапазон частот обеспечивает варьирование режимов динамического нагружения каната, а также сокращение времени испытаний. Кроме того, испытательная машина должна создавать широкий спектр законов нагружения на выходном звене, например синусоидальный, пилообразный, случайный закон. Указанные требования можно удовлетворить с помощью электрогидравлического следящего привода. Его основные преимущества перед механическим, электрическим и пневматическим приводами - это большая энергоемкость, высокое быстродействие и способность регулировать выходную величину по желаемому закону. Однако при создании такого гидропривода испытательной машины заводские лаборатории сталкиваются со значительными техническими трудностями. Режимы работы гидропривода на базе промышленных гидроагрегатов осуществить достаточно сложно, а обеспечить режим динамического нагружения по требуемым законам практически невозможно. Разработка гидропривода с точным воспроизведением реального закона нагружения каната требует исследования всех процессов, протекающих как в отдельных элементах, так и во всем гидроприводе в целом. Одним из основных факторов, ограничивающих точность динамического закона нагружения, а также частоту колебаний, являются контактные уплотнения гидроцилиндра. При сложной форме моделируемого закона нагружения, силы сухого трения на контактных уплотнениях существенно искажают форму процесса. В тоже время контактное давление уплотнения на зеркало цилиндра при большой скорости относительного перемещения пар трения приводит к высокотемпературному режиму работы материала уплотнений, что сокращает ресурс работы установки. Для преодоления указанного недостатка контактных уплотнений, непосредственно в гидроприводах испытательной машины, передовые фирмы применяют гидростатические опоры, методы расчета и проектирования которых не приводят. В связи с перечисленными выше особенностями применения гидропривода в испытательных машинах, необходимо: разработать методику расчета гидростатических опор гидроцилиндра; - исследовать режимы работы гидропривода испытательной машины, имитирующей динамические воздействия на канат, и создать математическую модель такой гидромеханической системы; - подтвердить адекватность математической модели реальной системе. Диссертация посвящена решению этих задач. Испытательные машины для определения механических свойств материалов весьма разнообразны по конструкции и характеристикам. В большинстве случаев они имеют индивидуальное конструктивное исполнение даже в рамках машин одного класса и назначения. Поэтому на стадии разработки и создания новой испытательной машины, чтобы обеспечить требуемые от нее характеристики, необходимо сопоставление проектных вариантов с уже созданными образцами.
В настоящее время перед разработчиками испытательной техники ставятся все более высокие требования к характеристикам приводов, моделирующих сложные законы нагружения, в том числе циклические законы. Это связано, во-первых, с необходимостью максимального приближения моделируемого закона нагружения испытуемой конструкции или ее элемента к реальному; во-вторых, сокращение времени испытаний за счет увеличения частоты гармонических законов нагружения; в-третьих, моделирование случайных законов нагружения; в- четвертых, создание испытательных стендов с нагружением по нескольким координатам.
В общем случае машины с гидроприводами для испытания материалов при циклическом нагружении подразделяются на пульсаторные, следящие, автоколебательные, электрогидравлические и самоуправляющиеся вибраторы, отличающиеся от всех остальных наличием положительной обратной связи между управляющим золотником и гидр о двигателем [4]. Из этого ряда машин перечисленные выше требования можно выполнить только при помощи электрогидравлического следящего привода, основным преимуществом которого является: получение больших усилий при ограниченных размерах гидродвигателя, возможность варьирования в широком диапазоне законов нагружения, достаточно простая конструкция, возможность использования машины для других видов испытаний материалов.
