Введение к работе
Актуальность работы . Увеличение парка гидрофицированных объектов в сочетании с требованиями расширения их функциональных возможностей приводит к необходимости улучшения качественных показателей гидросистемы, в том числе экономичности, надёжности динамических характеристик, регулировочных свойств и т.п. Достижение этих высоких технико-эксплуатационных показателей гидросистем (ГС) в существенной степени зависит от показателей качества гидроаппаратуры ГС.
Наибольшее распространение в качестве регулирующей аппаратуры гидросистем получили гидравлические устройства, использующие при своём функционировании эффект дросселирования рабочей жидкости. Качество такого дросселирующего гидравлического устройства (ДГУ) , как известно, во многом зависит от его статических характеристик: регулировочной расходной (РРХ), регулировочной по давлению (РДХ) и комплексной расходно - перепадной (РПХ ), которые определяют соответственно предельные скоростные, тяговые свойства и механическую характеристику управляемого ДГУ гидравлического двигателя. В настоящее время при разработке гидроаппаратуры ввиду сложности физических процессов приоритет отдается экспериментальным методам получения характеристик проектируемого устройства. Однако следует заметить, что экспериментальные характеристики носят частный характер, а проведение эксперимента связано с значительными материальными, трудовыми и временными затратами (создание и отладка экспериментальной установки, длительность экспериментальных работ). Качество же конструкторской разработки во многом зависит от полноты информации о проектируемом устройстве.
Одним из характерных и сравнительно мало изученных режимов работы дроссельной гидроаппаратуры является зона небольших чисел Рейнольдса (Re). Такие режимы имеют место при пуске гидропривода, в ГС с исполнительными устройствами, перемещающимися с малыми (ползущими) скоростями, при работе следящих гидроприводов в области малых (около - нулевых) сигналов, например в системах стабилизации выходных параметров какого либо объекта. Режимы работы ДГУ с малыми Re имеют место и при использовании загущенных рабочих жидкостей, которые применяются в ГС с высокими давлениями, а также при отрицательных температурах окружающей среды в момент прогрева ГС. В этой связи особое значение приобретает получение и исследование РПХ,
4 РРХ и РДХ дроссельных элементов (ДЭ) гидравлических аппаратов при работе ГС при незначительных проходных рабочих сечениях, в условиях низких температур, с рабочими жидкостями большой вязкости, т.е. при ламинарном и переходном к турбулентному режимам движения. Данные режимы обычно с трудом моделируются в лабораторных условиях из-за сложности достоверного замера и обработки экспериментальной информации о малых значениях параметров исследуемых устройств. Такие режимы течения в дальнейшем будем называть докритическими.
И настоящее время и машиностроении широко распространены системы автоиа-nricckuio проектирования (САПР) Оффскінппосії. применения САПР в первую очередь зависит от степени адекватности математической модели решаемой задачи реальному физическому процессу. Расчет характеристик и инженерная оптимизация отдельных элементов ГС осуществляется в основном функциональном блоке, входящем в САПР ГС дроссельного регулирования (ГСДР). Однако в имеющихся САПР гидропривода расчет характеристик элементов ГСДР основан на полуэмпирических зависимостях, в основе которых лежат отмеченные выше экспериментальные методы получения необходимой исходной информации. Это принципиально сводит изначально поставленную задачу расчета и проектирования более качественного ДГУ к решению, основанному на частной информации об используемых аналогах, априори не обладающих требуемыми свойствами. Более того, такая постановка проектной задачи не позволяет в будущем реализовать наиболее эффективные алгоритмы синтеза ДГУ , сущность которых заключена в многокритериальной оптимизации. Вместе с тем существует универсальный метод решения прямых задач, основанный на использовании известных уравнений гидродинамики. Применение этих уравнений позволяет для проточных частей практически любой реализуемой формы получить структуру потока жидкости, управлять процессом получения нужных структур и параметров потоков.
Кроме того, в связи с качественно возросшим уровнем развития вычислительной техники и методов математического моделирования появилась возможность создания новых эффективных методик и реализующих их программных комплексов, с помощью которых можно получать желаемые статические характеристики (СХ) элементов ГСДР уже на стадии их конструкторской разработки без проведения дорогостоящих и длительных лабораторных экспериментов.
Цель работы. Совершенствование метода расчета СХ , характеризующих пропускную способность гидравлических ДЭ, для докритических режимов течения, с учетом изменения структуры потока в проточных камерах гидравлических аппаратов . Задачи исследования. В работе ставились и решались следующие задачи:
- разработать методику расчета статических характеристик ДЭ гидравлических дроссе
лирующих устройств с осесимметричнои проточной частью на основе гидродинамиче
ского метода (ГДМ ) при докритических режимах течении рабочей жидкости;
разработать алгоритм расчета и программу компьютерной реализации ГДМ;
применить предлагаемую методику получения СХ, для ДЭ гидроаппаратуры с целью проверки её работоспособности и достоверности получения локальных и интегральных характеристик этих элементов;
- провести экспериментальное исследование золотникового устройства и сравнить ре
зультаты численного и натурного экспериментов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
в применении ГДМ для построения СХ гидравлических аппаратов, использующих дросселирование рабочей жидкости при докритических режимах её течения;
в выявлении особенностей структуры потока в проточных камерах гидравлических элементов ГСДР при докритических режимах течения рабочей жидкости;
в установлении влияния режимов течения и основных геометрических размеров проточных камер ДГУ на структуру и параметры потока гидравлических устройств дроссельного регулирования;
в анализе и интерпретации влияния изменения структуры и параметрии потока в проточных камерах ДЭ на статические характеристики ДГУ.
Степень достоверности и обоснованности результатов исследования подтверждается:
использованием в качестве ГДМ численного ( на базе конечно- разностных схем) метода решения уравнений Навье - Стокса, достаточно точно описывающих течение вязкой несжимаемой жидкости для докритических режимов;
проверкой работы наиболее важных численных процедур на тестовых примерах;
удовлетворительным согласованием полученных результатов по структуре и основным параметрам потока в ДЭ с результатами численных и натурных экспериментов, проведенных другими исследователями,
согласованием результатов численного эксперимента по нахождению коэффициентов гидравлического сопротивления и расхода, СХ золотниковых элементов ГСДР с результатами, полученными экспериментально в данной работе и другими авторами.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработан численный метод гидродинамического расчета СХ элементов регули
рующей аппаратуры дроссельного регулирования, с помощью которого можно с боль-
щей степенью достоверности определять потери в проточных камерах ДЭ при течении
рабочей жидкости с докритическими Re.
-
В результате численного эксперимента получены новые сведения о структуре потока в исследованных гидравлических ДЭ.
-
Предложены зависимости, связывающие параметры режима течения и структуры потока, с основными геометрическими размерами ДЭ. Данные зависимости могут быть использованы в инженерных расчетах и исследованиях. Предлагаемая методика построения СХ может быть использована для решения задач проектирования гидравлической аппаратуры с высокими технико-эксплуатационными показателями.
4. Разработанный метод позволяет проводить расчеты для проточных элементов ДГУ
при докритических Re в широком диапазоне изменения геометрических размеров ДЭ и
дает возможность сократить время на дорогостоящие и трудоемкие экспериментальные
работы заменой их на численную реализацию на основании предложенной математиче
ской модели.
Реализация работы. Метод и программы построения статических характеристик ДЭ гидроаппаратуры использованы в Центральном научно-исследовательском институте автоматики и гидравлики (ЦНИИАГ) и в МЭИ (ТУ) на кафедре гидромеханики и гидравлических машин для определения гидравлических характеристик проектируемой дроссельной аппаратуры.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Московской городской конференции молодых учёных и специалистов / г. Москва, 1983 /, научных конференциях МЭИ/ г. Москва, 1982, 1983 /, ХУІ всесоюзном научно-
7 техническом совещании по гидравлической автоматике/ г. Киев, 1983 /, всесоюзных научно-технических конференциях / г. Харьков, 1989,1991 /, научных семинарах кафедры Гидромеханики и гидравлических машин МЭИ / г. Москва, 1983, 1988, 1991, 2000/, II международной научно-технической конференции "Управление в технических системах"/ г. Ковров 1998 г./.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 6 статей и 4 тезиса докладов, написан в соавторстве научно-исследовательский отчёт.
Личный вклад автора в решении проблемы заключается в создании ГДМ построения' СХ гидравлических устройств дроссельного регулирования на основе анализа имеющейся литературы по вопросам исследования, в составлении и отладке на ЭВМ комплекса прикладных программ, реализующих предлагаемый метод, в выполнении численных (на ЭВМ ) и натурных (на созданном гидравлическом стенде) экспериментов, в обработке, анализе, сравнении и обобщении полученных результатов. Автор защищает:
метод расчета пропускной способности ДЭ гидроаппаратуры при докритических режимах течения рабочей жидкости;
результаты исследования структуры потока в гидравлических устройствах, а также влияния на структуру и параметры потока изменения режимов течения и основных геометрических размеров ДЭ гидроаппаратуры;
расчетные зависимости, связывающие основные геометрические размеры ДЭ с параметрами, характеризующими режим течения и структуру потока;
Структура и объём работы. Диссертация состоит из предисловия, введения, четырех глав и заключения. Изложена на <^Я?страницах машинописного текста, содержит // таблиц, 1/LQ рисунков, список использованной литературы (112 наименований), а также приложениях на л. страницах.
