Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор работ по изучению функционирования гидроприводов в нестационарных режимах 17
Глава 2. Математическая модель работы гидропривода 31
2.1. Структурная схема гидропривода 31
2.2. Течение рабочей жидкости в трубах гидросистемы 31
2.3.Работа оборудования и арматуры 33
2.3.1. Тупиковый отвод 33
2.3.2.Соединения труб 34
2.3.3.Местные сопротивления. Фильтры 34
2.3.4. Разгрузочно-предохранительные клапаны 36
2.3.5. Обратный клапан 41
2.3.6. Насосы объемного действия 42
2.3.7.Подкачивающий насос 45
2.3.8.Силовой цилиндр 46
2.3.9.Аккумуляторы 48
2.3.10.Сложныеузлы(МНСидр.) 50
2.4. Начальный режим 52
Глава 3. Методика расчета 53
3.1. Разностная схема для решения начально-краевой задачи 53
3.2. Нахождение решения на границах 57
3.2.1.Общая схема разрешения граничных условий 57
3.2.2. Примеры разрешения граничных условий 59
3.3. Упрощенные методики расчета работы гидропривода 62
Глава 4. Проведение натурного эксперимента на действующем гидроприводе 63
4.1. Описание натурного объекта 63
4.1.1. Основные характеристики гидропривода 63
4.1.2.Описание объекта исследования 64
4.2..Описание эксперимента 64
4.2.1.Цели и план эксперимента 64
4.3. Результаты эксперимента 65
Глава 5. Результаты расчетов 76
5.1. Гидравлический удар в гидроприводе испытательного стенда 76
5.1.1. Сопоставление результатов вычисления по точной методике с экспериментом 80
5.2. Расчет системы снабжения рабочей жидкостью испытательных стендов 84
5.2.1.Работа системы защиты (предохранительные клапаны) 88
5.2.2.Опенка влияния аккумуляторов на процесс в системе 92
5.2.3 Работа регулируемых и нерегулируемых насосов объемного действия 95
5.2.4 Запуск насоса 98
Заключение 101
Список литературы 104
- Течение рабочей жидкости в трубах гидросистемы
- Разгрузочно-предохранительные клапаны
- Примеры разрешения граничных условий
- Сопоставление результатов вычисления по точной методике с экспериментом
Введение к работе
Объемные гидроприводы входят в состав многих гидротехнических и инженерных сооружений в качестве силового привода или системы управления. Например, открытие и закрытие ворот шлюза осуществляется при помощи гидропривода, такое уникальное гидротехническое сооружение, как судоподъемник Красноярской ГЭС (см. приложение 1) перемещается гидроприводом. Гидропривод также осуществляет силовое обеспечение многих строительных машин и механизмов [30, 40, 69,74], испытательных стендов (см. приложение 2) и др.
По сравнению с электроприводом (другим широко распространенным силовым приводом) гидравлический привод имеет ряд преимуществ (надежность и устойчивость в эксплуатации, большое начальное усилие, возможность получать любые требуемые характеристики работы и т.д.).
Гидропривод является типичным примером сложной напорной трубопроводной системы, в состав которой, как правило, входят: 1) трубопроводная сеть; 2) одна или несколько насосных станций, подающих рабочую жидкость в систему; 3) предохранительные и регулирующие клапаны для поддержания требуемых режимов и предохранения системы от перегрузок; 4) исполнительные устройства; 5) насос (или насосы) подпитки; 6) компенсаторы и другая арматура.
В отличие от таких широко распространенных трубопроводных систем как, водопроводная сеть или тепловая сеть, в гидроприводе в качестве рабочей жидкости, как правило, используется минеральное масло. Это обстоятельство создает свою специфику как в отношении гидродинамических процессов, так в отношении конструктивных особенностей гидропривода. Здесь чаще наблюдается переходный или даже лиминарный режимы течения. Т.к. рабочая жидкость является весьма дорогостоящей средой, а также по экологическим соображениям, возникает необходимость сбора дренажной и отработанной жидкости и повторного ее использования. Это, в свою очередь, порождает потребность в наличии в составе гидропривода систем сбора и очистки отработанной жидкости. Используемые в гидроприводах насосы, клапаны и другие устройства также весьма чувствительны к чистоте рабочей жидкости, т.к. наличие в жидкости металлической стружки и/или абразивных частиц резко усиливает износ оборудования, что приводит к его преждевременному выходу из строя. Особенно велики требования к чистоте рабочей жидкости, используемой для питания управляющих или регулирующих устройств. Поэтому в гидроприводах применяется, как правило, двойная система очистки - фильтры низкого давления (на подаче рабочей жидкости на вход насосов) и фильтры высокого давления (при подаче рабочей жидкости в систему).
По конструктивному исполнению гидроприводы могут быть выполнены как по разомкнутой, так и по замкнутой схеме. В первом случае одна и та же трубопроводная линия (или сеть) используется и для подачи высокого давления, и для сбора отработанной жидкости. Такая схема применяется там, где перемещение жидкости мало, т.е. жидкость используется, в основном, для передачи давления - как, например, в гидравлических прессах. Источником высокого давления в таких схемах служат, как правило, гидравлические аккумуляторы [74].
Сравнительно более распространенной является замкнутая схема. Такая схема используется там, где циркуляция жидкости существенна, например, при питании гидромоторов, гидропередач, и т.д., например, в гидроприводе Красноярского судоподъемника. Такой гидропривод предусматривает в своем составе наличие двух трубопроводных систем - магистрали высокого давления в виде разветвленной трубопроводной сети, подающей жидкость к исполнительным устройствам, и трубопроводной сети низкого давления (обратной магистрали), по которой осуществляется сбор отработанной жидкости и подача ее опять к насосам.
В качестве типичных примеров силового гидравлического привода можно рассматривать гидропривод Красноярского судоподъемника (см. приложение
1), схема которого представлена на рис. В.1, и гидропривод испытательного стенда (см. приложения 2 и 3), схема которого представлена на рис. 4.1.
Сравнивая эти два примера, можно выделить основные характерные черты гидропривода. В состав гидропривода, как правило, входят: напорная трубопроводная сеть, по которой подается высокое давление; трубопроводная сеть низкого давления, по которой осуществляется сбор отработанной жидкости и подача ее опять к насосам;. 3) одна или несколько насосных станций, подающих рабочую жидкость в систему; 4) исполнительные устройства; 5) предохранительные и регулирующие клапаны и другая арматура для поддержания требуемых режимов и предохранения системы от перегрузок. В случае судоподъемника исполнительным механизмом являются гидромоторы, а во втором случае в качестве исполнительного механизма будут выступать гидроцилиндры, создающие нагрузку.
По принятой в гидравлике классификации гидропривод относится к сложным трубопроводам [8, 43], точнее, является типичным примером сложной напорной трубопроводной системы, т.к. помимо труб, содержит еще насосы, клапаны, и другие устройства. Это обстоятельство роднит гидропривод с другими сложными напорными трубопроводами, как, например, водопроводная сеть, или, в еще большей степени, тепловая сеть. Последняя имеет еще больше сходственных черт, так как также выполнена по замкнутой схеме, имеет напорную и обратную магистрали, насосы, предохранительную арматуру и т.д.
В настоящей работе будут рассматриваться силовые гидроприводы, выполненные по замкнутой схеме. Сопоставление таких объектов исследования как гидропривод Красноярского судоподъемника и гидропривод испытательного стенда показывает, что, несмотря на различные области их использования, принципиальное различие между ними весьма незначительно. Оба гидропривода выполнены по замкнутой схеме, оба в качестве источника
ЧО рис. В.1. Упрощенная схема гидропривода Красноярского судоподъемника. 1 - гидронасос, 2 - обратный клапан, 3 и 4 - предохранительные клапаны, 5 - насос подпитки,
6 - компенсатор, 7 - гидромотор. качестве источника высокого давления используют насосы объемного действия.
Собственно специфика каждого гидропривода проявляется в исполнительных устройствах, в качестве которых выступают либо силовые цилиндры (для испытательных стендов), либо гидродвигатели (для судоподъемника).
Все остальные аспекты работы гидропривода являются типичными для любой трубопроводной системы - гидродинамика потоков в трубах и узлах системы (соединения труб, местные сопротивления - арматура, задвижки и т.п.), работа различных клапанов (предохранительных, регулирующих, сбросных).
Ввиду своей компактности и доступности установки измерительной аппаратуры в любой точке системы гидропривод испытательного стенда представляет собой удобный объект для экспериментальных исследований. Учитывая отмеченную выше общность с гидроприводом судоподъемника и другими гидроприводами, выполненными по замкнутой схеме, результаты таких экспериментальных исследований могут выявить достаточно характерные черты течений и нестационарных процессов в гидроприводах подобного типа. Эти результаты представляют собой ценность не только в отношении выявления закономерностей физики процесса, но и как ценный фактический материал для тестирования методик расчета.
Еще одной характерной чертой гидроприводов является высокая степень их автоматизации, насыщенность управляющей, регулирующей и предохранительной аппаратурой. Основной задачей этой аппаратуры является поддержание требуемых рабочих режимов и защита гидроприводов от перегрузок. Насосы могут быть снабжены специальной гидроавтоматикой (т.н. регулируемые насосы), регулирующей подачу насоса с целью поддержания заданного давления на выходе. Как нагнетательные линии насосов, так и потребители снабжаются предохранительными клапанами, сбрасывающими излишки давления в обратную магистраль. Для защиты от гидравлических ударов могут применяться компенсаторы (гидроаккумуляторы).
Такие трубопроводные системы, как водопроводные или тепловые сети, как правило, работают в стационарных режимах, а переходные процессы в них (переход с одного режима на другой) осуществляются достаточно плавно. Интенсивные нестационарные процессы (гидравлический удар) имеют место в таких системах, как правило, в результате нештатных, аварийных ситуаций. В отличие от них, нестационарные режимы входят в число штатных режимов работы гидропривода, связанных с изменениями нагрузки. Например, испытательный стенд штатно работает в режиме переменного нагружения по времени, что сопровождается нестационарными гидродинамическими процессами в гидроприводе. К нештатным режимам следует добавить различные аварийные ситуации - обесточивание насосов, выход из строя отдельных элементов системы, и т.п.
Гидроприводы обычно функционируют с весьма высокими рабочими давлениями (порядка 120 - 240 атм и выше), поэтому требование к прочности и надежности гидропривода является весьма актуальными [44], т.к. всплески давления вследствие гидравлического удара при нестационарных режимах работы могут достигать очень больших величин.
Для правильного проектирования гидроприводов и их эффективной эксплуатации необходимо знание всех параметров работы гидропривода, в первую очередь, давлений во всех точках системы, для всех, особенно экстремальных, режимов работы гидропривода. Именно знание возможных последствий той или иной ситуации позволит выбрать правильное конструктивное решение или режим защиты уже на стадии проектирования, или выдать соответствующие рекомендации эксплуатационникам.
Оценка параметров потока в нестационарном режиме представляет собой весьма сложную задачу, для решения которой недостаточно применение элементарной теории гидравлического удара и формулы Н.Е.Жуковского.
Дело в том, что исследуемый процесс развивается в сложной системе, и его параметры являются результатом взаимодействия гидродинамических процессов в трубах системы, динамики насосов, клапанов и другой арматуры, работающей в нестационарном режиме. Особенно трудно предсказуемы процессы в гидроприводах с длинными трубопроводами, когда частоты гидродинамических колебаний сопоставимы с частотами насосов, клапанов и другой регулирующей аппаратуры. В этом случае затруднительно разделить процесс на низкочастотные и высокочастотные составляющие (что дает возможность анализировать их по отдельности). К категории таких гидроприводов относятся системы снабжения рабочей жидкостью испытательных стендов с отдаленным расположением маслонапорной станции. Достоверно оценить параметры такого процесса возможно только на базе аппарата математического и имитационного моделирования, с использованием численных расчетов на ЭВМ.
Результаты такого моделирования выходят далеко за рамки исследования «чисто» гидропривода, т.к. наработанные методики моделирования и расчета имеют большое значение и для трубопроводных систем другого вида.
Особенно важны вопросы математического моделирования нестационарных режимов работы различных регулирующих устройств (клапанов, дросселей и др.), т.к. такие устройства входят в состав многих трубопроводных систем (водопроводные сети, системы теплоснабжения, и т.п.) и от их правильной работы зависит устойчивость и безопасность всей трубопроводной системы.
Особенно остро стоит вопрос построения достаточно простых моделей и способов расчета работы насосов, клапанов и т.п. в нестационарных режимах. «Полная» модель требует знания таких параметров, как масса движущихся частей, присоединенные массы, жесткости пружин, силы трения покоя и в движении и др. Получить такую информацию можно либо при ознакомлении с детальной документацией по соответствующему изделию, получить которую
13 зачастую невозможно, либо на основании проведения дополнительных стендовых испытаний, для чего не всегда имеется возможность. В распоряжении проектировщиков или эксплуатационников обычно имеются только стандартные паспортные данные изделия. Поэтому стоит задача разработки достаточно адекватных моделей (и на их основе — методов расчета), опирающихся только на «обычные» паспортные данные.
Настоящая работа посвящена решению вышеозначенных задач. Работа выполнялась в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре ГТС и гидравлике, а также в Сибирском научно-исследовательском институте авиации им. С.А.Чаплыгина. Тематика работы соответствует направлению «Разработка моделей и методов механики сплошных сред» в рамках приоритетного направления науки и техники «Математическое моделирование и методы прикладкой математики» в соответствии с заданием Министерства образования РФ на проведение научных исследований
Цели и задачи работы. Целью работы является исследование работы силового гидропривода и его элементов при нестационарных режимах, в том числе при наличии удаленной маслонапорной станции, и выявление наиболее рациональных режимов их работы и мер защиты от гидравлического удара. Задачи исследования:
Построение упрощенных моделей динамики регулируемых насосов и клапанов на основе паспортных данных.
Математическое описание гидродинамических процессов в гидроприводе в целом и разработка методики его расчета.
Проведение экспериментальных исследований гидравлического удара в гидроприводе с целью установления основных характеристик динамического процесса и тестирования методики расчета .
Проведение серии численных экспериментов с целью определения характерных особенностей нестационарных процессов в гидроприводе с удаленным расположением МНС и выбора наиболее рациональных режимов их работы и мер защиты от гидравлического удара.
Методы исследований. Основные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований, как путем проведения численных экспериментов, так и путем натурного физического эксперимента. Теоретические исследования базировались на использовании основных положений механики, гидродинамики и гидравлики. При изучении протекающих в гидросистеме процессов применялись методы математического моделирования и численный эксперимент. Экспериментальные исследования проводились на действующем гидроприводе испытательного стенда.
Научная новизна разработана методика построения упрощенных математических моделей функционирования объемных регулируемых насосов и клапанов различного типа при нестационарных режимах; уточнена формула расхода клапана в неквадратичной зоне; проведен натурный эксперимент на гидроприводе при нестационарном режиме работы и получены характеристики переходного процесса; обнаружена возможность возникновения гидравлической неустойчивости в сложных системах при неправильном подборе конфигурации и режимов систем гидроавтоматики; установлены закономерности влияния работы различной гидроаппаратуры (клапаны, регулировочные устройства, аккумуляторы) на нестационарный процесс в гидроприводе.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением обоснованных допущений, принятых при математическом моделировании, проверенных более чем столетним опытом законов и формул гидравлики, использованием хорошо себя зарекомендовавших и многократно проверенных на практике численных методов, согласованием с результатами экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы. 1) Применяемая методика математического моделирования позволяет создавать достаточно простые и адекватные модели работы гидравлического оборудования на основе стандартных паспортных данных, что позволяет широко использовать их при проведении расчетов нестационарных процессов в реальных гидросистемах. 2) Применяемая методика численного расчета переходных процессов в гидроприводе позволяет достаточно точно оценивать параметры нестационарного процесса в трубопроводах и оборудовании гидропривода, что делает ее весьма полезной при проектировании, реконструкции и эксплуатации гидроприводов и других трубопроводных систем. 3) Полученные закономерности функционирования оборудования и системы в целом позволяют оценить степень влияния тех или иных защитных мер по защите гидропривода от высоких давления и правильно подобрать необходимые параметры гидроавтоматики.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использовались при проектировании и реконструкции гидроприводов испытательных стендов в Сибирском Научно-исследовательском Институте Авиации им. Чаплыгина.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава НГАСУ, на семинарах кафедры гидравлики НГАСУ, на IV Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-2000), посвященного памяти М. А. Лаврентьева (Новосибирск, 26 июня - 1 июля 2000 г.), на II Международной конференции по проблемам управления и моделирования в сложных системах (Самара, Самарский, научный центр РАН, 2000 г.); на VII Всероссийском семинаре «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (Вышний Волочек, 2000); на IV Международной конференции по гидравлическим наукам и приложениям (Сеул, Корея, 26 - 29 сентября 2000 г.); на юбилейной научно-технической конференции Ассоциации специалистов по промышленной гидравлике и пневматике (Кировоград, Украина, 2000); на XXIX Конгрессе Международной ассоциации по гидравлическим исследованиям (МАГИ) в Пекине (16-21 сентября 2001 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано: 1 коллективная монография, 4 статьи и тезисы доклада.
Личный вклад автора в решение проблемы заключается в разработке математических моделей отдельных узлов гидропривода, на основе анализа имеющийся литературы по вопросам исследования, и их реализации на ЭВМ; в выполнении численных (на ЭВМ) и натурных экспериментов (на гидроприводе действующего испытательного стенда), в обработке, анализе, сравнении и обобщении полученных результатов.
Защищаемые положения.
Методика построения упрощенных математических моделей гидрооборудования на основе стандартных паспортных данных.
Уточнение формулы расхода клапана при малых числах Рейнольдса;,
Результаты экспериментальных исследований нестационарных процессов в гидроприводе.
Результаты численных экспериментов по влиянию параметров гидроаппаратуры на переходной процесс в гидросистеме.
Течение рабочей жидкости в трубах гидросистемы
Теория гидравлического удара получила значительное развитие применительно к анализу работы гидроэлектрических станций в работах М.А. Мосткова [59, 60], Н.А.Картвелишвили [4, 42, 41], Г.И.Кривченко [47], А.Е.Жмудь [34].
В книге А.А.Сурина [79] уделено внимание учету гидравлических сопротивлений при гидравлических ударах и приведен анализ противоударных устройств.
Более точный подход к решению задачи о нестационарных процессах в гидроприводах аналитическим путем состоял в линеаризации зависимости потерь на трение от средней скорости течения. Полученную систему уравнений можно решить, используя различные интегральные преобразования [29] или ряды Фурье [29, 46]. Наиболее последовательно и полно такой подход изложен в монографии И.А. Чарного [89]. Полученные им решения используют специальные функции [46] и представление в виде рядов Фурье. Такой подход применялся в работах Л.М.Тарко [82] для исследования волновых процессов в гидроприводе.
Г.Г.Калиш, А.И.Долбин и Ю.В.Крылов [49] провели анализ волновых процессов в гидравлических системах с местными объемами на концах трубопроводов. Анализ явлений гидравлического удара в гидропрессах проведен Б.В.Розановым и Н.С.Добринским [31].
Другое направление этого подхода базируется на аналогии между течением жидкости и течением электрического тока [11, 97]. Линеаризованная система уравнений гидравлического удара по форме совпадает с так называемым, телеграфным уравнением [46], описывающим распространение электрического сигнала в проводнике, где напряжению соответствует давление, а величине электрического тока - расход. Эта аналогия открывает путь к применению для расчетов нестационарных процессов в гидросистеме разработанных в электротехнике методов расчета электрических цепей (теория четырехполюсников, передаточные функции и др.). Примером такого подхода являются работа [25]; в работе [72] предлагается аналитический метод на основе теории 4-х полюсников, использующий линеаризацию исходной системы и замену ее эквивалентной схемой с сосредоточенными параметрами.
В некоторых случаях применение моделей с сосредоточенными параметрами позволяет получить аналитическое решение непосредственным интегрированием системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Так, в монографии А.А. Атавина, О.Ф.Васильева и А.П.Яненко [5] для расчетов колебательных процессов в гидроприводе используется модель с сосредоточенными параметрами, но учитываются связанные колебания воды и судна в камере судоподъемника при его движении. Другой пример такого подхода приведен в работе [6]; в работах [6, 94] дается обоснование этой методики.
Только с появлением ЭВМ стало возможно решение указанной задачи в полном объеме, без дополнительных упрощающих предположений.
Первые работы, посвященные расчетам гидросистемы гидропривода, использовали метод характеристик [68], хорошо разработанный к тому времени, или методы, основанные на его применении.
Метод характеристик для расчетов гидравлического удара в гидроприводе предлагался в работе [11]. В работе [13] приводится пример расчета динамики разветвленной гидросистемы, включающей в себя аксиально-поршневой насос, напорный трубопровод и различные гидроустройства при помощи метода характеристик.
Однако, как отмечалось в работах отечественных [61] и зарубежных авторов [96], применительно не к одиночному трубопроводу, а к системам трубопроводов классический метод характеристик [68, 73] становится неудобным, т.к. требует кратности времен пробега волны гидравлического удара по разным трубам системы. Для достижения этого применялись различные ухищрения, обычно в виде «корректировки» длин труб или скорости волны гидравлического удара до ближайших кратных значений. Это вносило погрешности в частотные характеристики системы и при неудачном стечении обстоятельств могло привести к значительным погрешностям [96].
Более удобны в этом отношении явные разностные схемы, в частности, метод бегущего счета, представленный в монографии Б.Л.Рождественского и Н.Н.Яненко [73]. Являясь дальнейшим развитием метода характеристик, этот метод не требует кратности времен пробега волны по различным трубам системы, а требует только выполнения более мягких ограничений на шаг счета (так называемое условие Куранта для явных схем). Более того, обладают определенной счетной вязкостью (при числах Куранта меньших единицы), метод дает результаты лучше согласовывающиеся с экспериментальными данными для реальной жидкости ввиду того, что вязкие эффекты в реальной жидкости частично имитируются счетной
По-видимому, впервые при расчетах гидроприводов явная схема бегущего счета была использована А.К.Войновым [15] для моделирования на ЭВМ нестационарных процессов в гидроприводе Красноярского судоподъемника при условии «замороженного» судна. Им была использована явная схема бегущего счета с аппроксимацией правой части по нижнему временному слою. Такая аппроксимация неудобна тем, что налагает дополнительные ограничения на шаг по времени, связанные с устойчивостью по правой части [73].
В работе [103] также предлагается явный конечно-разностный метод, представляющий собой модификацию метода характеристик. Правая часть дифференциальных уравнений здесь также аппроксимируется по нижнему слою по времени.
Разгрузочно-предохранительные клапаны
По принятой в гидравлике классификации гидропривод относится к сложным трубопроводам [8, 43], точнее, является типичным примером сложной напорной трубопроводной системы, так как помимо труб, содержит еще насосы, клапаны, и другие устройства. Это обстоятельство роднит гидропривод с другими сложными напорными трубопроводами, как, например, водопроводная сеть, или: в еще большей степени, тепловая сеть. Последняя имеет еще больше сходственных черт, так как также выполнена по замкнутой схеме: имеет напорную и обратную магистрали, насосы, предохранительную арматуру и т.д.
Поэтому полученные в результате эксперимента на гидроприводе данные будут отражать многие общие закономерности, характерные для напорных трубопроводных систем, и разработанные на основе их модели и методика расчета будут применимы и для этих случаев.
По сравнению с другими гидравлическими системами гидропривод в силу свой специфики является более удобным объектом эксперимента. По причине компактности гидропривода и доступности его в любой точке можно легко размещать датчики в необходимых точках гидросистемы и обрабатывать сигналы в едином обрабатывающем узле. Затраты на телеметрические коммуникации небольшие. С другой стороны, применяемое в гидроприводах оборудование достаточно хорошо изучено, имеется богатая информация по его функционированию. В случае недостатка каких-либо данных, легко провести дополнительные испытания отдельных узлов и замерить их характеристики.
Схема гидравлической сети, на которой проводился эксперимент, представлена на рис. 4.1. Размеры и характеристики гидропривода приведены в приложении 3. Рабочая жидкость (масло ИГП-30 при температуре 50 С) подавалось в сеть насосами Н1-Н7 типа РНАС 250/320 с циркуляцией Q=206,8 л/мин. По напорной магистрали через группу фильтров Ф5 - Ф40 и гидрокран Кр марки ГА-158 жидкость поступала к силовым цилиндрам и далее в сливную магистраль. Насос снабжен предохранительно-разгрузочным клапаном К2 типа БГ-52 с dy = 40, настроенным на давление ру=26,0МПа, при достижении которого происходит сброс жидкости из напорного коллектора в расходный бак. Сеть снабжена также предохранительным клапаном К1 типа М-КП-ООРЭ сру = 22МПа. Расположение измерительной аппаратуры. Датчики давления типа «Сапфир» расположены в точках Pj - Р6, отмеченных на рис. 4.1 соответствующим значком; кроме того, на выходе из насосной станции, и на сливах установлены датчики расхода, отмеченные на схеме какДр1-ДрЗ. Целью эксперимента является определение параметров процесса при нестационарном режиме работы, а именно: - определения основных характеристик нестационарных течений в напорной и сливной магистралях трубопровода, в первую очередь колебаний давления; - изучение работы насосов в нестационарных условиях; - закономерности прохождения волн давления через арматуру (фильтры, клапаны, соединения труб). План эксперимента состоит в следующем. Путем закрытия быстродействующего гидрокрана в напорной линии гидропривода создается гидравлический удар, который распространяется через фильтры к насосной станции и воздействует на работу насосов, предохранительных и регулирующих клапанов. Расположенные на трубопроводной сети и насосной станции датчики фиксируют возникшие колебания давления и расхода, которые записываются при помощи электронной аппаратуры. Полученная информация позволяет оценить различные параметры нестационарного процесса: скорость волны гидравлического удара, закономерности прохождения волн давления через фильтры, клапаны и тройники трубопроводной сети, параметры работы насосов и клапанов в нестационарных условиях и др.
Переходной процесс (гидравлический удар) создавался закрытием гидрокрана Kpl (время закрытия 0,02 сек.). Т.к. время закрытия гидрокрана составляет 0,02сек, а суммарная длина напорной магистрали около 94 м, то длительность фазы гидравлического удара составляет примерно 0,14 сек, что намного превышает время закрытия гидрокрана, т.е. мы имеем дело с ярко выраженным прямым гидравлическим ударом.
На графике четко видно преобладание на начальных стадиях процесса волновых явлений, вызванных гидравлическим ударом. Первый пик возникает вследствие гидравлического удара при закрытии гидрокрана. Последующее затем понижение давления (при t « 0,076 сек) обусловлено подошедшей отраженной от фильтров и тупиков волной понижения давления. Следующая фаза повышения давления также просматривается весьма отчетливо, хотя и обладает меньшей амплитудой, затем интенсивность волнового процесса постепенно снижается, и он вырождается в относительно незначительные осцилляции давления с амплитудой порядка 0,2 - 0,5 МПа. Из графика на рис. 4.2 видно, что примерно после 0,2 сек доминирующей составляющей переходного процесса становится относительно плавное повышение давления, вызванное опрессовкой трубопровода вследствие того, что насосы продолжают закачивать рабочую жидкость в систему. На этот процесс накладываются волны повышения и понижения давления, соответствующие отражению волн гидроудара от тупиков, тройников, фильтров и другой арматуры. При достижении давления ру открывается предохранительный клапан К2 (при t « 0,5 - 0,6 сек от начала процесса), после чего наблюдается стабилизация давления.
На рис. 4.5 представлен экспериментальный график поведения давления у входа в фильтры (датчик Р6 на схеме рис. 4.1). Этот график демонстрирует картину, аналогичную предыдущему случаю, но с временным сдвигом порядка 0,021 сек, представляющим собой время прохождения волны гидравлического удара от источника возмущения до датчика.
На рис. 4.6 представлен экспериментальный график давления в точке Р5 (у предохранительного клапана К] на выходе из насосной станции, датчик Р5 на схеме рис. 4.1). Этот график также демонстрирует картину переходного процесса, аналогичную предыдущему случаю, но с временным сдвигом порядка 0,07 сек, представляющим собой время прохождения волны гидравлического удара от источника возмущения до датчика Р5.
Примеры разрешения граничных условий
Средняя скорость волны, вычисленная по этим данным, равна 1180,6 м/сек, погрешность по сравнению с теоретической формулой (2.49) составляет около 9%.
Таким образом, полученные графики поведения давления в различных точках системы показывают, что на начальных стадиях переходного процесса преобладают волновые явления, вызванные гидравлическим ударом. Гидравлический удар особенно интенсивен в первой фазе повышения давления, в последующих фазах амплитуда колебаний давления постепенно уменьшается. Снижение амплитуды вызвано взаимной компенсацией (интерференцией) и дисперсией волн гидравлического удара при прохождении через фильтры и другую арматуру и отражении от них. Вследствие этого интенсивность волнового процесса постепенно снижается, и он вырождается в относительно незначительные осцилляции давления с амплитудой порядка 0,2 -0,5 МПа. Во второй стадии переходного процесса (примерно после 0,2 сек) начинает доминировать относительно плавное повышение давления, вызванное опрессовкой трубопровода насосами МНС. После срабатывания предохранительно-разгрузочных клапанов этот процесс повышения давления прекращается и давление стабилизируется на уровне 25 МПа.
На основании результатов эксперимента были сделаны следующие выводы: На полученных графиках видны четко выраженные пики колебания давления, вызванные гидравлическим ударом. Скорость волны гидравлического удара близка к теоретической, что позволяет говорить об отсутствии в системе распределенных (в виде мелких пузырьков) значительных объемов растворенного и/или нерастворенного воздуха. Переходный процесс в гидроприводе представляет собой наложение колебаний давления, вызванных гидравлическим ударом (высокочастотная составляющая) на относительно медленно протекающий процесс опрессовки трубопровода работающими насосами НС (низкочастотная составляющая). Основной вклад в результирующее повышение давления дают насосы НС вследствие практически полного перекрытия циркуляции. Характерные времена переходного процесса составляют от нескольких сотых до десятых долей секунды (см. третий столбец в таблице 4.1), а характерное время волновых явлений в насосах, клапанах и другой гидроарматуре, учитывая их размеры, не превышает тысячной доли секунды, поэтому переходной процесс в трубопроводной системе гидропривода будет «медленным» по отношению к нестационарным гидродинамическим процессам внутри гидроарматуры и насосов. Из вышесказанного следует, что, учитывая динамику механических характеристик гидропривода (частота вращения насосов, изменение подачи, ход клапана и т.п.), можно характер течения внутри насосов клапанов и др. гидроарматуры по сравнению с параметрами переходного процесса в основных трубопроводах считать квазистационарным, т.е. гидравлику работы насосов и клапанов можно описывать теми же зависимостями, что и в стационарном случае.
С целью тестирования методики расчета, предложенной в главе 3, проводился расчет переходного процесса (гидравлического удара) в гидроприводе испытательного стенда, описанном в главе 4, результат которого сравнивался с результатами вышеописанного эксперимента.
Расчетная схема гидропривода (см. рис. 4.1) представлена на рис. 5.1. Здесь окружностями изображены пронумерованные узлы гидросистемы, стрелки между ними соответствуют трубам, а направление стрелок соответствует направлению оси х (совпадает с направлением потоков при стационарном режиме). Сплошные линии соответствуют высоконапорным трубопроводам, а пунктирные - низконапорным (сливным).
Узел 5 соответствует гидрокрану Кр} (см. рис. 4.1), узел 37 - разветвлению труб (точка A j на рис. 4.1); узел 15 - разветвлению труб (точка А3 на рис. 4.1); узлы 19-27 соответствуют фильтрам Ф5 - Ф40; узел 6 соответствует разветвлению труб (точка А5 на рис. 4.1); узел 4 соответствует фильтрам Ф1 — Ф4; узел 54 - предохранительному клапану К1; узел 1 соответствует насосной станции HI - Н7; узел 51 - соединение труб и узел 52 соответствует предохранительному клапану К2.
Ввиду того, что гидрокран Kpl весьма быстро отсекает напорную магистраль от сливной, высоконапорная и низконапорные части гидропривода оказываются гидравлически невзаимосвязаны (до момента срабатывания клапанов). К тому же, даже при наличии такой связи, ввиду того, что давления в сливной магистрали на два порядка меньше, чем давления в напорной магистрали, влияние колебаний давления в низконапорной магистрали на величину давления в высоконапорной магистрали весьма мало, и им можно пренебречь.
Сопоставление результатов вычисления по точной методике с экспериментом
Работа посвящена различным аспектам исследования работы гидравлических приводов при нестационарных режимах, рассматриваются вопросы математического моделирования и методики расчетов гидропривода с учетом динамики переходных процессов, исследуются работа конкретных гидроприводов испытательного стенда.
Надежность работы гидропривода во многом зависит от точного учета параметров потока и оборудования при нестационарных процессах.
В работе предлагается методика, позволяющая весьма точно рассчитать гидравлические параметры потоков и параметры оборудования в гидроприводе при нестационарных режимах работы.
При помощи этой методики была проанализирована работа конкретного объекта (гидропривода испытательного стенда), выявлены "узкие места" систем защиты и регулирования и даны предложения, позволяющие улучшить характеристики гидропривода и повысить его надежность.
По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы. 1. Используемая математическая модель и методика расчета позволяют с достаточной степенью точности рассчитывать нестационарные режимы работы гидроприводов, обладающих сложной структурой, снабженных системами автоматики и регулирующей гидроаппаратурой, с учетом волновых процессов в трубопроводной сети и нестационарного функционирования оборудования, расположенного в узлах гидросистемы (насосы, регулировочные и предохранительные клапаны, аккумуляторы и др.). Предложенный упрощенный подход позволяет достаточно просто учитывать динамику работы предохранительных и обратных клапанов, регулируемых насосов, силовых цилиндров в условиях недостатка исходных данных. Этот подход опирается на общедоступную информацию, содержащуюся в паспортных данных оборудования, каталогах и справочниках.
Натурный эксперимент, проведенный на гидроприводе испытательного стенда, позволил получить данные, характеризующие особенности переходных процессов в больших гидроприводах. Установлено, что переходной процесс представляет собой наложение высокочастотных волн гидравлического удара на низкочастотный процесс колебаний масс, причем в начальной стадии процесса доминирует первая составляющая, которая с развитием процесса затухает и на первый план выходит почти квазистационарный процесс опрессовки трубопровода насосами МНС. После срабатывания предохранительно-разгрузочных клапанов этот процесс повышения давления прекращается и давление стабилизируется.
Сравнение результатов натурного эксперимента с результатами расчета показало хорошее совпадение с экспериментом как качественных, так и основных количественных характеристик нестационарного процесса, что подтвердило пригодность применяемых математических моделей и методов расчета. Это позволило широко использовать численный эксперимент как один из основных методов исследования нестациоарных процессов в гидроприводе.
Были изучены различные режимы работы проектируемой системы снабжения рабочей жидкостью испытательных стендов. Особенностью этой гидросистемы является наличие длинных трубопроводов, соединяющих МНС с потребителем. Оценка влияния на нестационарный процесс таких факторов, как полное или частичное перекрытие потребителя, запуск насоса или группы насосов на работающую систему, увеличение расхода на потребителе позволило выделить наиболее опасные с точки зрения надежности гидропривода режимы работы, оценить степень влияния на работу гидропривода различных устройств -разгрузочно-предохранительных клапанов, автоматики регулирования подачи насосов.
Выявлена возможность возникновения гидравлической неустойчивости (при использовании регулируемых насосов) в ситуациях пуска насоса (или группы насосов) на заполненную систему или перекрытия потребителя, если характерное время реагирования системы автоматического регулирования подачи насоса и время пробега волны гидравлического удара близки. Для повышения надежности работы системы было рекомендовано уменьшить скорость изменения подачи регулируемых насосов. 6. Установлено, что такие параметры гидроаппаратуры, применяемой для защиты гидропривода от высоких давлений, как установочное давление предохранительного клапана или объем воздуха в компенсаторе (гидроаккумуляторе) не оказывают решающего влияние на снижение максимальных давлений в системе, а наибольшую чувствительность гидравлическая система демонстрирует к пропускной способности предохранительных клапанов. Для повышения надежности работы системы рекомендуется устанавливать предохранительные клапаны с заведомо завышенной пропускной способностью. 7. Разработанные рекомендации по улучшению работы испытательных стендов внедрены в проектную и эксплуатационную практику СибНИА им. С.А.Чаплыгина, что повысило надежность их работы. 8. Хотя конкретные результаты работы относятся к гидроприводу испытательных стендов, они описывают достаточно общие закономерности, которые могут быть полезны при разработке других гидравлических систем. Результаты работы найдут свое применение при проектировании гидроприводов строительных машин и механизмов, а также в других отраслях строительства и машиностроения.
