Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ конструкций, работоспособности, методов расчёта и проектирования АПГМ силовых регулируемых гидроприводов.
1.1 Структура и особенности работы силовых регулируемых аксиально-поршневых гидроприводов 21
1.2 Сравнительный анализ технических характеристик АПГМ 29
1.3 Анализ конструкций и особенностей работы ходовой части и торцевого распределительного узла АПГМ 34
1.4 Закономерности возникновения объёмных и механических потерь в ходовой части и торцевом распределительном узле АПГМ 43
1.5 Анализ математических моделей, методов расчёта и проектирования ходовой части и торцевого распределительного узла АПГМ 50
1.6 Задачи исследований 65
1.7 Выводы по главе 68
Глава 2. Методические основы проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ 70
2.1 Основные этапы разработки и система проектирования гидрофицированных машин и оборудования 70
2.2 Алгоритм проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ 75
2.3 Методика выбора АПГМ - аналогов 80
2.4 Алгоритм проектирования АПГМ 85
2.5 Выводы по главе 92
Глава 3. Система математических моделей АПГМ с различным уровнем идеализации протекающих в них процессов 94
3.1 Математическая модель ходовой части АПГМ с наклонным блоком цилиндров 94
3.2 Математическая модель ходовой части АПГМ 112
3.3 Математическая модель ходовой части АПГМ при стационарном режиме работы 123
3.4 Выводы по главе 127
Глава 4. Методы расчёта элементов АПГМ и результаты проектирования гидромашин и гидроприводов 128
4.1 Методы расчёта параметров движения элементов ходовой части АПГМ 128
4.2 Метод расчёта рабочих параметров ходовой части АПГМ при стационарном режиме работы 137
4.3 Метод расчёта конструктивных параметров торцевого распределительного узла АПГМ 140
4.4 Результаты проектирования АПГМ с наклонным диском 150
4.5 Результаты проектирования аксиально-поршневого гидропривода для установки гидроштамповки деталей из трубных заготовок 159
4.6 Выводы по главе 164
Глава 5. Методика определения оптимальных параметров АПГМ 166
5.1 Задача оптимального управления 166
5.2 Алгоритм определения оптимальных параметров АПГМ 170
5.3 Примеры реализации методики определения оптимальных параметров и новые конструктивные решения АПГМ 175
5.4 Выводы по главе 192
Глава 6. Экспериментальные исследования и результаты испытаний аксиально-поршневых гидромашин и гидроприводов 194
6.1 Методики экспериментальной оценки технических показателей работоспособности АПГМ 194
6.2 Сравнение результатов расчётных и экспериментальных исследований высоты и величины клиновидности стыкового зазора в торцевом распределительном узле АПГМ№ 2,5 219
6.3 Результаты экспериментальных исследований АПГМ с модернизированными конструкциями торцевого распределительного узла 222
6.4 Результаты сравнительных испытаний АПГМ № 1.5 с модернизированной " и штатной конструкциями торцевого распределительного узла в составе гидропривода изделия Д-219 227
6.5 Выводы по главе 233
Основные результаты работы 236
Список литературы 239
Приложения 260
- Анализ конструкций и особенностей работы ходовой части и торцевого распределительного узла АПГМ
- Алгоритм проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ
- Математическая модель ходовой части АПГМ при стационарном режиме работы
- Метод расчёта конструктивных параметров торцевого распределительного узла АПГМ
Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном индустриальном обществе развитию гидроприводостроения придаётся большое значение. Это связано с ускоренным развитием промышленности и быстрым переходом на выпуск новых поколений гидрофицированных машин и оборудования, способных обеспечить внедрение прогрессивных технологий, многократное повышение производительности труда, снижение материалоёмкости, увеличение степени автоматизации и механизации производственных процессов.
Конкурентоспособность, техническое совершенство и функциональные возможности гидрофицированных рабочих машин во многом определяются техническими характеристиками используемых в них объёмных гидравлических приводов. Поэтому в настоящее время становятся особенно актуальными научно - исследовательские и опытно - конструкторские работы, способствующие созданию высококачественных, надёжных и долговечных объёмных гидроприводов и их элементов, обеспечивающих повышенную эффективность рабочих машин и осуществляемых ими технологических процессов.
Одним из наиболее перспективных направлений развития гидроприводостроения считается создание объёмных силовых регулируемых гидроприводов с роторными аксиалыю-поршневыми гидромашинами. Эти гидроприводы благодаря высокому быстродействию, простоте преобразования одних видов движения в другие, эффективному предохранению от перегрузок, плавному и быстрому изменению выходной скорости получили широкое применение в станкостроении, строительных и дорожных машинах, в промышленных и космических роботах - манипуляторах, авиационных и космических системах управления, в системах наведения и стабилизации различных видов вооружения и военной техники (технике двойного назначения), а также в виде гидрообъёмных передач механизмов поворота и поступательного движения целого ряда гусеничных машин [1,2,3,4,5,6 и др.].
В станкостроении они позволяют существенно упростить кинематику станков, снизить их материалоёмкость, повысить надёжность, долговечность и безопасность работы, а в перспективе должны обеспечить скорость перемещения рабочих органов до 1 - 1,5 м/с или 180 градус/с, точность позиционирования - до 0,001мм по трём координатам при точности поворота стола координатно-расточного станка 2-3", повысить быстродействие зажимных и фиксирующих устройств агрегатных станков и автоматических линий в 1,5-2 раза [1,2,3].
Благодаря широкому диапазону регулирования скорости в механизмах строительно-дорожных и угледобывающих машин объёмный гидропривод повышает производительность, обладает большой приёмистостью из-за меньших на 1,5-2 порядка по сравнению с электроприводом моментов инерции вращающихся частей гидродвигателей [1].
В отечественной технике военного и двойного назначения аксиально -поршневые гидроприводы успешное применение нашли в высокодинамичных приводах наведения и стабилизации, в частности, вооружений артиллерийских и ракетно-артиллерийских установок современных комплексов противовоздушной обороны ближнего рубежа, наиболее известными из которых являются «Тунгуска», «Шилка», «Тор», «Бук», «Оса», «Град», «Смерч», «Панцирь», «Ураган». Действительно, опыт создания данных приводов наведения и стабилизации, в том числе опыт ФГУП «ЦНИИАГ», ФГУП «ВНИИ «Сигнал» - ведущих организаций-разработчиков этих приводов, . показывает, что, несмотря на успехи использования в приводах наведения и стабилизации электроприводов (особенно с синхронными электродвигателями), приводы наведения и стабилизации с силовой частью электрогидравлического типа (аксиально-поршневыми гидроприводами) являются более предпочтительными. Это, во-первых, распространяется на приводы наведения, осуществляющие вращение вала насоса от двигателя самоходной установки, т.к. при этом исключается необходимость в приводном электродвигателе насоса, и многократно снижаются требования к мощности систем электропитания ракетно-артиллерийских установок. Во-вторых, применение электрогидравлических следящих приводов целесообразно и в приводах вертикального наведения вооружений ракетно-артиллерийских установок, в которых по условиям компоновки и применения ракетного вооружения требуются исполнительные двигатели поступательного движения -гидроцилиндры, способные работать не только в режиме наведения, но и в режиме удержания объекта в штатных и аварийных ситуациях [5,6,7].
Определяющими системами ракетно-артиллерийских установок по совокупности предъявляемых к ним требований в плане обеспечения их эксплуатационно-технических характеристик и, тем самым, характеристик комплексов в целом, таких как - тип и характеристики поражаемых целей, зоны и вероятность их поражения, время реакции, возможность выполнения боевой задачи в движении, работа в автоматическом режиме, надёжность, ремонтопригодность - считаются приводы наведения и стабилизации. При этом показатели качества этих приводов - точность, быстродействие, диапазон регулирования, надёжность, энергопотребление - в первую очередь определяются исполнением их силовой части - аксиально-поршневыми гидроприводами и их гидромашинами.
Использование АПГМ в этих гидроприводах было вызвано рядом их существенных преимуществ перед другими типами объёмных гидромашин. К числу таких преимуществ следует отнести высокую энергоёмкость на единицу веса (удельный вес регулируемых насосов с высокой частотой вращения может достигать 12 кГс/кВт), достаточно высокий и устойчивый в широком диапазоне изменения мощности КПД (объёмный КПД при оптимальных режимах работы достигает значений 0,97 - 0,98), высокое быстродействие насосов при регулировании подачи (изменение подачи от нулевой до максимальной осуществляется в некоторых типах насосов за 0,04 секунды и от максимальной до нулевой - за 0,02 секунды), относительно малый момент инерции вращающихся деталей, обеспечивающий высокую динамичность и экономичность процесса регулирования, что также имеет существенное значение при использовании этих гидромашин особенно в моторном режиме [1,2,8].
Наибольшее применение в качестве насосов получили АПГМ с двойным несиловым карданом и наклонным блоком цилиндров II и III гамм («Шилка», «Тунгуска», «Ураган», «Панцирь» и др.), а также в последнее время АПГМ с наклонным диском («Ураган», «Панцирь»). В качестве исполнительных гидродвигателей в приводах наведения широкое использование нашли гидроцилиндры поступательного движения («Тор», «Ураган» и др.) и аксиально-поршневые гидромоторы с наклонным блоком цилиндров II и III гамм («Тунгуска», «Бук», «Тор», Д- 219, «Панцирь-С1» и др.).
Анализ тактико-технических характеристик отечественных комплексов противовоздушной обороны, в настоящее время находящихся на вооружении в войсках («Шилка», «Тунгуска», «Оса», «Тор», «Бук» и их модификации), зарубежных комплексов аналогичного применения («Vulkan», «Roland», «Gepard», «Diana», «Patriot» и др.), а также тенденций их совершенствования показывают следующее. Рост скоростей целей, их маневренности, мощности вооружений зенитных комплексов, ужесточение условий их эксплуатации предъявляют постоянно растущие требования к скоростям наведения по углу места и азимуту (соответственно до 70 и 100 градус/сек), ускорениям наведения (соответственно до 120 и 150 градус/ сек и выше) при обеспечении ошибок слежения на уровне 3-5 миллирадиан [2,5,6,7,9].
Таким образом, постоянно растущие требования к рабочим нагрузкам, точности позиционирования, скоростям и ускорениям движения рабочих органов машин вызывают необходимость дальнейшего инновационного развития гидропривода, связанного с повышением удельной мощности, К П.Д , надёжности и других показателей качества их основных элементов - аксиально-поршневых гидромашин. Реализация этих тенденций путём использования, в частности, высокого рабочего давления жидкости в настоящее время приводит к повышению объёмных и механических потерь, нагрузок и износа пар трения АПГМ, особенно блок цилиндров - торцевой распределитель, поршни — стенки цилиндров, являющихся наиболее ответственными и типичными узлами данных гидромашин.
В этих парах имеет место неравномерность локального износа сопряженных поверхностей, что вызывает снижение герметичности рабочих камер и распределительного узла, устойчивости движения блока цилиндров, дополнительное загрязнение рабочей жидкости и другие нежелательные явления. Повышению объёмных потерь и износа сопряжённых поверхностей блока цилиндров и торцевого распределителя в большой степени способствуют колебательный характер движений блока и клиновидная форма стыкового зазора между распределительными поверхностями, обусловленные динамической неуравновешенностью блока. Это, в свою очередь, приводит к снижению К.ПД АПГМ, уменьшению минимально устойчивой скорости вращения и крутящего момента страгивания, расхода жидкости, диапазона и точности функционирования, ухудшению надёжности их работы и, в целом, снижению качества гидроприводов.
Если у гидромашин II гаммы минимально устойчивая частота вращения вала составляла (2 - 5) оборотов в минуту, а средний крутящий момент страгивания — (0,003 - 0,025) Нм, то у гидромашин III гаммы соответственно -(10 - 50) оборотов в минуту и - (0,015 - 0,088) Нм, а у АПГМ с наклонным диском - (100 - 300) оборотов в минуту и - (0,02 - 0,25) Нм [5-Ю].
Следует отметить, что при существующей тенденции дальнейшего повышения давления жидкости отрицательное влияние данных факторов на показатели качества работы АПГМ и силовых регулируемых гидроприводов будут возрастать.
Таким образом сформировалась актуальная научно — техническая проблема повышения качества силовых регулируемых гидравлических приводов с АПГМ. Решение данной проблемы в настоящее время прежде всего связано с повышением эффективности существующего процесса проектирования этих гидроприводов и их элементов.
В этих условиях известные методы расчёта и проектирования АПГМ, базирующиеся, как правило, на упрощённых и полуэмпирических зависимостях и моделях, отражающие в большинстве случаев установившиеся режимы работы, не позволяют с достаточной достоверностью рассчитать оптимальные соотношения между параметрами элементов гидромашин и обеспечить при проектировании необходимое качество гидромашин и гидроприводов в целом, в связи с чем увеличивается время на доводку опытных образцов и освоение серийного производства.
Большой объём работ по созданию методов расчёта и проектирования, изучению и совершенствованию конструкций аксиально-поршневых гидроприводов и входящих в их состав гидромашин выполнен учёными и специалистами МГТУ им. Н.Э.Баумана, ФГУП «ЦНИИАГ», БГТУ «Военмех» им. Д.Ф.Устинова, МАДИ (ТУ), ФГУП «ВНИИ «Сигнал», «ВНИИстройдормаш», инженерами и конструкторами ОАО «Подольский электромеханический завод», ОАО «Ковровский электромеханический завод» и других организаций.
При этом следует отметить работы Б.К.Чемоданова, В.Н.Прокофьева, В.Ф.Казмиренко, Т.М.Башта, АЛЗ.Кулагина, К.В.Фролова, С.А.Ермакова, И.И.Бажина, Ю.М.Орлова, А.М.Потапова, Л.А.Кондакова, Ю.А.Данилова, А.В.Синева, Ю.Л.Кирилловского, Р.М.Пасынкова, В.А.Сакова, О.Ф.Никитина, Ю.Г.Сафронова, Б.И.Ершова, Г.П.Карева и других авторов.
Несмотря на многочисленные исследования в данной области, вопросы совершенствования силовых регулируемых аксиально-поршневых гидроприводов и комплектующих их гидромашин остаются актуальными, требующими проведения дальнейших теоретических и экспериментальных работ.
Таким образом, современные силовые регулируемые аксиально-поршневые гидроприводы характеризуются повышенными давлением жидкости, потерями мощности, нагрузками и износом элементов, способствующими снижению КПД, уменьшению диапазона и точности , функционирования, ухудшению надёжности их работы. Это, однако, не снижает возможностей их широкого промышленного использования, а указывает на своевременность и актуальность решения проблемы обеспечения качества данных гидроприводов.
Перспективным направлением решения современной научно - технической проблемы повышения качества силовых регулируемых гидроприводов является разработка и совершенствование методов расчёта и проектирования АПГМ, входящих в их состав.
Существующее противоречие между практической потребностью в повышении удельной мощности, КПД и надёжности АПГМ и силовых регулируемых гидроприводов, с одной стороны, и ограниченными возможностями известных методов их расчёта и проектирования, с другой, определяют актуальность исследований в этом направлении.
Данная работа, посвященная решению проблемы повышения качества создаваемых силовых регулируемых аксиально-поршневых гидроприводов и реализующая указанное направление, содержит научно - обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие отечественного гидроприводостроения, играющего важную роль в экономике и обеспечении обороноспособности страны.
Цель работы. Повышение качества ершовых регулируемых гидроприводов за счёт совершенствования методов расчёта и проектирования АПГМ на основе формализации функционирования гидромашин как кинематически сложных механизмов с элементами различной физической природы.
Методы исследований. При разработке и исследованиях в диссертационной работе использованы основные положения механики жидкости и газа, теоретической механики, теории машин и механизмов,
-деталей машин, теории объёмных гидромашин и гидроприводов, теории обыкновенных . дифференциальных уравнений, методов математического моделирования, оптимизации, экспериментальных исследований.
Достоверность и обоснованность полученных научных результатов подтверждаются корректностью использования известных научных положений математики, механики, гидравлики, результатами расчётных и экспериментальных исследований, практикой проектирования АПГМ и создания силовых регулируемых гидроприводов.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработаны логические схемы проектирования силовых регулируемых
гидроприводов с АПГМ, включающие:
• алгоритм проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ, обеспечивающий возможность корректировки параметров и структуры АПГМ и гидропривода на каждом этапе проектирования;
• алгоритм проектирования АПГМ, отражающий возможность максимального использования существующей номенклатуры АПГМ с учётом условий и режимов работы гидромашин в гидроприводе.
2. Реализован системный подход к описанию функционирования АПГМ как кинематически сложных механизмов с элементами различной физической природы, заключающийся в совместном использовании математических аппаратов механики и гидравлики.
3. Разработана система математических моделей различного уровня идеализации, отражающих особенности конструкции и функционирования АПГМ и соответствующих решаемым задачам на отдельных этапах процесса проектирования.
4. Предложена методика определения оптимальных параметров АПГМ на основе исследования протекающих в них процессов.
5. Разработаны методы расчёта элементов АПГМ и создание на этой базе средств коррекции их технических характеристик.
6. Разработаны методики и программное обеспечение для реализации проектных процедур в рамках предложенной логической схемы проектирования АПГМ.
Практическая ценность работы. Разработаны основы методического обеспечения расчётов и проектирования АПГМ, позволяющие:
повысить качество АПГМ и гидроприводов, а также снизить затраты времени и средств на их разработку за счёт автоматизации расчётов и учёта на стадии проектирования гидромашин динамического взаимодействия их элементов;
• осуществить выбор конструктивных параметров АПГМ, обеспечивающих требуемые выходные характеристики гидромашины и гидропривода;
• улучшить существующие, разработать и исследовать новые конструкции АПГМ, отвечающие современным требованиям к силовым регулируемым гидроприводам.
Реализация и внедрение результатов работы. Работа, результаты которой приведены в данной диссертации, была выполнена на кафедре «Гидропневмоавтоматики и гидропривода» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярёва» в рамках госбюджетной и хоздоговорной тематик.
Основные положения и результаты исследований, полученные в этой диссертационной работе, использованы при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проектированию, модернизации и доводке аксиально-поршневых гидромашин с наклонным блоком цилиндров и наклонным диском, а также при разработке и освоении серийного производства аксиально-поршневых гидроприводов различного назначения, на ряде предприятий, среди которых ОАО «Ковровский электромеханический завод», ФГУП «ВНИИ «Сигнал», Кирово-Чепецкий химический комбинат, ООО «Экскаваторный завод «Ковровец», КБ «Арматура» - филиала ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и другие.
Предложенные и научно обоснованные методы расчёта АПГМ, математические модели ходовой части АПГМ и критериальные уравнения распределительного узла, результаты расчётов оптимальных размеров блока цилиндров, поршней и распределительных дисков, алгоритмы проектирования АПГМ и гидроприводов, методики выбора АПГМ и их испытаний нашли применение в разной степени в следующих промышленных образцах и новых разработках:
аксиально-поршневых гидромашинах с наклонным блоком цилиндров и наклонным диском с рабочими объёмами соответственно 3, 9, 16, 32, 140 см3/оборот и 9, 15, 33, 89, 112, 300 см3/оборот;
• партии аксиально-поршневых гидромашин с рабочим объёмом 16 см3/оборот для испытательных стендов;
• аксиально-поршневых гидроприводах поворота платформы и стрелоподъёмньгх механизмов экскаваторов ЭО — 4225А-06, ЭО — 4225А - 07, ЕТ-26;
• аксиально-поршневом насосе гидростанции насоса крови;
• электрогидравлических системах установок формообразования бесшовных соединительных деталей для трубопроводов космических объектов и наземных систем;
• силовых регулируемых аксиально-поршневых гидроприводах новых образцов систем наведения и валочно-пакетирующей машины EF — 26, находящихся в разработке;
• учебном процессе специальностей 121100 «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» и 071800 «Мехатроника» ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярёва».
Основные защищаемые положения диссертации:
•логические схемы проектирования, включающие алгоритмы проектирования АПГМ и силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ;
•системный подход к описанию функционирования АПГМ как кинематически сложных механизмов с элементами различной физической природы;
•система математических моделей различного уровня идеализации, отражающих особенности конструкции и функционирования АПГМ;
•методика определения оптимальных параметров АПГМ, разработанная на основе исследования протекающих в них процессов;
•методы расчёта элементов АПГМ и полученные на этой основе средства коррекции их технических характеристик;
•методики и программное обеспечение для реализации проектных процедур в рамках предложенной логической схемы проектирования АПГМ;
результаты расчётных и экспериментальных исследований АПГМ и гидроприводов, полученные рекомендации и конструктивные решения узлов и деталей, результаты внедрения выполненных исследований в промышленные образцы и новые разработки.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: всесоюзной научно-технической конференции «Новое в проектировании и эксплуатации гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики (Ленинград, 1981 г.), научно-технических конференциях Владимирского политехнического института «Учёные института - народному хозяйству» (Владимир, 1984, 1985.), XXV научно-технической конференции Владимирского политехнического института «Научные исследования института - техническому и культурному прогрессу» (Владимир, 1990г.), всесоюзной научно-технической конференции Ассоциации специалистов промышленной гидравлики и пневматики «Проектирование, производство и эксплуатация систем гидропневмопривода, щдрогшевмоавтоматики, гидропневмомашин и их компонентов» (Киев, 1991г.), XTV, XV, XVI, XVII научно-технических конференциях Ковровского технологического института (Ковров, 1992, 1993, 1994, 1995г.), международной научно-технической конференции «Гидропневмоавтоматика и гидропривод» (Ковров, 1995г.), всероссийской научно-технической конференции «Системы управления — конверсия -проблемы» (Ковров, 1996г.), международных научно-технических конференциях «Гидромеханика, гидромашины, гидроприводы и гидрогшевмоавтоматика» (Москва, 1996, 2000г.), международной научно-технической конференции «Гидравлика и пневматика-98» (Брно, Чехия, 1998г.), всероссийской научно-технической конференции «Пневмоавтоматика — 99» (Москва, 1999 г.), Ш международной научно-технической конференции «Управление в технических системах - XXI век» (Ковров, 2000 г.), международной научно-технической конференции «Проблемы транспортных и технологических комплексов» (Нижний Новгород, 1 ГУ, 2002 г.), международных научно-технических конференциях «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Ковров -1999,2000 г., Сочи - 2004 г.).
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений, изложенных на страницах машинописного текста, включая 77 рисунков, 4 таблицы и списка литературы из 186 наименования.
Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цель и методы исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, основные защищаемые положения диссертации, приведены сведения о внедрении и апробации результатов, структуре и объёме диссертации, дано краткое содержание глав диссертации.
Анализ конструкций и особенностей работы ходовой части и торцевого распределительного узла АПГМ
Согласно известной классификации АПГМ [32,33,36] различают гидромашины (гидромоторы и насосы) с наклонным блоком цилиндров (рис. 1.3, а) и машины с наклонным диском (рис. 1.3, б), понимая под первыми АПГМ, у которых ось вала и ось вращения блока цилиндров пересекаются под углом, а под вторыми - гидромашины, у которых вал и блок цилиндров расположены на одной оси. Кроме того, существует много других конструктивных различий, однако, они обычно не являются принципиальными и предельные характеристические возможности всех гидромашин этого типа в большинстве равноценны [8].
Кинематической основой АПГМ являются кривошипно-шатунный механизм, где скорость перемещения поршня относительно цилиндра изменяется по синусоидальному закону. Конструктивно любая гидромашина данного типа (см. рис. 1.3) имеет многоцилиндровый блок 2, поршни 3 которого связываются при помощи шатунов или иных средств с наклонным диском (Т-образным валом) 4, выполняющим в этой схеме роль кривошипа.
Между блоком цилиндров 2 и крышкой корпуса 5 установлен торцевой распределитель 1. В процессе вращения блока цилиндров 2 поршни 3 совершают вращательное и возвратно-поступательное движения, благодаря чему осуществляется процесс всасывания и нагнетания жидкости каждым поршнем.
Торцевой распределительный узел является одним из основных узлов, определяющих работоспособность и долговечность обеих конструктивных разновидностей рассматриваемых АПГМ. В основу принципа работы торцевого распределительного узла заложено выполнение распределительной, уплотнительной и опорной функций при самокомпенсации равномерного износа контактирующих поверхностей блока цилиндров и распределителя.
Типовая конструкция торцевого распределительного узла АПГМ состоит из распределительного диска, сопряженного с его рабочей поверхностью торца блока цилиндров и жидкостной пленки, расположенной между ними. Нерабочая торцевая поверхность распределительного диска сопряжена с крышкой корпуса, если распределительный диск не выполнен за одно целое с ней.
В настоящее время разработано большое количество конструктивных решений торцевого распределительного узла, направленных на повышение работоспособности данных узлов за счёт усовершенствования формы, размеров и мест расположения рабочих окон и опорно-уплотнительных поясков распределительных поверхностей. Учитывая, что эти окна и пояски являются основными образующими элементами гидравлических силовых факторов, действующих на блок цилиндров и определяющих функционирование всего распределительного узла и гидромашииы в целом, была разработана классификация АПГМ по конструктивному исполнению торцевых распределительных узлов (рис. 1.4), позволяющая вести целенаправленный поиск конструктивных решений при проектировании и модернизации этого узла.
Стремление к повышению качества работы торцевого распределительного узла привело к созданию трех основных вариантов его конструктивного исполнения (рис. 1.5): распределитель изготовлен в виде неподвижной детали (рис. 1.5, а); либо выполнен совместно с крышкой корпуса (рис. 1.5, б) и в виде двух деталей, одна из которых - накладное дно является неподвижной относительно блока цилиндров, а другая - торцевой распределитель - относительно корпуса гидромашины (рис. 1.5, в). При этом в практике наибольшее применение получили две конструкции торцевых распределительных дисков: с плоской формой рабочего торца и со сферической формой.
Плоский торцевой распределитель (рис. 1.6) представляет собой деталь цилиндрической формы (диск), жестко закрепленную относительно корпуса АПГМ, имеющую на торце два или несколько дугообразных окон 1, предназначенных для подвода и отвода рабочей жидкости к цилиндрам блока. Окна 1 разделены перемычками 4, размеры которых выбираются из условия обеспечения надежного разделения в каждый момент времени полостей высокого и низкого давления. На торцевых поверхностях распределительного диска выполнены уплотнительные 2 и опорный 3 пояски, обеспечивающие совместно с сопряженными поверхностями блока цилиндров и крышки корпуса (если распределитель не выполнен за одно целое с крышкой) работу его в качестве распределительного устройства, упорного подшипника скольжения и торцевого уплотнения.
Конструкция плоского торцевого распределителя является технологичной и не требует индивидуальной подгонки к сопряженной поверхности блока цилиндров. Она находит широкое применение в различных типах АПГМ, например, типа PFB10, PFB20 фирмы «Vickers»; типа A4VS0, AA10F0 фирмы «Rexroth»; типа IP300 фирмы «Lukas», а также в отечественных гидромоторах и насосах типов MH250/L00, Н16РДМ, Н32РДМ и т.д.
Алгоритм проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ
Под силовыми регулируемыми гидроприводами с АПГМ будем понимать объемные гидроприводы, у которых в качестве источника гидравлической энергии применён аксиально-поршневой насос с наклонным блоком или наклонным диском, а в качестве исполнительного элемента — объёмные гидродвигатели: гидромоторы аксиально-поршневого типа либо гидроцилиндры.
Гидропривод с АПГМ как объект проектирования характеризуется определенной структурой (рис.2.3) и соответствующими параметрами. Очевидно, что структура гидропривода, которая определяет элементы объекта проектирования и связи между ними, должна обеспечить надёжное функционирование и достижение целей, поставленных перед объектом. В качестве элементов гидропривода выступают насосы, гидродвигатели, клапаны, гидрораспределители, баки, трубопроводы и т.д., которые, в свою очередь, также характеризуются определенной структурой и параметрами, но структура которых на данном этапе не рассматривается.
Таким образом, характеристики гидропривода, имеющего большое количество элементов, зависят от значительного числа параметров. Очевидно, что вести проектирование гидропривода, оперируя таким большим объемом информации, достаточно сложно. Поэтому важнейшим принципом, реализуемым при проектировании сложных технических систем, к которым относятся и гидроприводы с АПГМ, является принцип декомпозиции, лежащий в основе всех технологий проектирования [11, 24, 39, 93, 107]. Это означает, что система проектных процедур должна позволять конструктору на том или ином этапе проектирования вести направленный поиск параметров конструкции, оперируя лишь ограниченной информацией.
Процесс проектирования сложных технических систем также сопровождается большим объёмом проектных расчётов по выбору структуры и параметров, в основе которых лежит математическое моделирование процессов, отражающих функционирование системы и её элементов. Предполагая возможность широкого использования для расчётов математических моделей с различным уровнем идеализации, система проектирования гидроприводов с АПГМ должна иметь достаточно высокую степень формализованное всех этапов проектирования.
Многообразие возможных структур гидроприводов с АПГМ, обусловленное широким диапазоном выполняемых ими технологических процессов и существующей номенклатурой гидроэлементов, предполагает, что система проектных процедур этих гидроприводов должна обеспечивать структурную и функциональную гибкость при выборе их элементов и являться открытой и адаптируемой к поиску новых технических решений.
Проектирование гидроприводов с АПГМ должно осуществляться поэтапно. На рис. 2.4 представлен обобщённый алгоритм их проектирования. Разбиение процесса проектирования на этапы целесообразно из-за высокой сложности данных гидроприводов и невозможности вследствие этого решить задачу проектирования сразу, одновременно определив конструктивные особенности всех их элементов, их характеристики и связи между ними.
Основной задачей первого этапа является построение структуры гидропривода и синтез основных параметров, обеспечивающих надежное и экономичное выполнение всех стоящих перед ним функций. Основными проектными процедурами этого этапа являются: разработка схемы размещения гидропривода, формирование его структуры и его идентификация. Схема размещения гидропривода отражает места расположения его отдельных элементов, например, на раме самодвижущейся машины, определяет в первом приближении конфигурацию и длины трубопроводов, возможные способы и места крепления элементов.
Структура гидропривода формируется конструктором с использованием библиотек аналогов и типовых структур, с учетом требований технического задания на проектирование. Исходными данными являются схема размещения и циклограмма работы исполнительных органов гидропривода. В результате определяется состав гидропривода в целом, входные и выходные параметры элементов, характеристики системы регулирования, структура и параметры источника питания. Это позволяет перейти к разработке принципиальной гидравлической схемы гидропривода и выбору или проектированию его элементов.
Процедура идентификации гидропривода включает решение задачи его оснащения АПГМ и другими гидроэлементами, а также средствами контроля и управления, необходимыми для работы. Гидроэлементы выбираются из числа существующих с учетом условий их работы либо, если необходимые элементы отсутствуют, формируются требования к ним для разработки новых образцов. Результатом этого является получение принципиальной гидравлической схемы привода и формирование его элементной базы.
Заключительной процедурой данного этапа является оценка характеристик спроектированного таким образом гидропривода. Здесь имеют место решения как совокупности частных задач, характеризующих особенности работы привода (настройка предохранительных клапанов, расчет дроссельных шайб, определение гидропотерь и т.д.), так и комплексных задач, например, оценка работоспособности гидропривода. В случае невыполнения требований технического задания осуществляется корректировка элементной базы. На втором этапе выполняется проектирование отдельных элементов гидропривода. Исходными данными являются принципиальная гидравлическая схема и требования к характеристикам элементов.
Гидропривод является сложной технической системой и имеет иерархическую структуру. Составляющие гидроэлементы привода можно разделить по уровням сложности, тем самым, решив вопрос о порядке их проектирования. Это выражается в том, что в пределах одного уровня осуществляется проектирование гидроэлемента конкретного типа с привлечением соответствующих методов расчёта. При этом процесс проектирования гидропривода распадается на ряд самостоятельных процессов, связанных с проектированием насосов, гидродвигателей, устройств гидроавтоматики, баков, трубопроводов и т.д.
В каждом случае выполняются проектные процедуры, связанные с формированием структуры соответствующего элемента, определением его основных параметров, расчётом характеристик. Не соответствие полученных характеристик гидроэлементов заданным в техническом задании потребует корректировки их параметров или структуры, а возможно, и корректировки структуры всего гидропривода.
На третьем этапе выполняется конструирование элементов и гидропривода в целом. При этом уточняются принятые ранее конструктивные параметры (габариты, объём, масса и т.д.) и выполняются прочностные расчеты, при необходимости уточняются характеристики гидропривода и его структура. Четвертый этап включает разработку конструкторской документации на элементы и гидропривод в целом, в которой отражаются в виде технических решений результаты проведённых работ по синтезу и анализу создаваемого гидропривода.
Математическая модель ходовой части АПГМ при стационарном режиме работы
Разработана математическая модель ходовой части АПГМ с наклонным блоком цилиндров (3.25), представляющая собой систему восьми нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка с правой частью, построенная на основе уравнения Лагранжа 2-го рода и учитывающая сложные движения блока цилиндров, поршней и шатунов, а также конструктивные параметры и массогабаритные характеристики этих деталей, распределительного диска и наличие жидкости как элемента конструкции. 2. Разработана обобщённая математическая модель движения блока цилиндров с поршнями АПГМ (3.37), построенная на основе уравнения Лагранжа 2-го рода, отличающаяся тем, что учитывает - основные конструктивные параметры гидромашины и одновременно особенности функционирования поршневой группы, блока цилиндров и торцевого распределительного узла, наличие жидкости в блоке и распредузле; - сложный характер движения блока цилиндров с поршнями (система имеет четыре степени свободы); - возможность применения системы уравнений как для аксиально — поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров, так и при некоторых допущениях для аксиально — поршневого насоса с наклонным диском, а также АПГМ, работающих в режиме мотора. 3. Для стационарного режима движения блока цилиндров с поршнями путём линеаризации в окрестности данного режима обобщённой математической модели получена математическая модель движения блока с поршнями в виде системы восьмого порядка линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами (3.40). Данная глава посвящена методам расчёта элементов АПГМ и результатам проектирования АПГМ с наклонным диском и аксиально-поршневого силового регулируемого гидропривода УФТК.
В главе представлены следующие разработанные материалы: - методы расчёта: параметров движения механической системы блок цилиндров — поршни — шатуны АПГМ с наклонным блоком цилиндров, отклонений параметров движения блока цилиндров с поршнями АПГМ от стационарного режима, рабочих параметров ходовой части АПГМ при стационарном режиме работы, торцевого распределительного узла АПГМ; - результаты использования этих методов расчёта при реализации проектных процедур анализа конструкций и характеристик АПГМ; - результаты проектирования АПГМ с наклонным диском и аксиально-поршневого гидропривода для установки гидроштамповки деталей из трубных заготовок. Приведённые в этой главе результаты выполненных исследований в основном опубликованы в следующих работах [11, 19, ПО, 112, 114, 121-129]. а). Метод расчёта параметров движения блока цилиндров, поршней и шатунов АПГМ с наклонным блоком цилиндров. Данный метод расчёта базируется на математической модели движения ходовой части АПГМ с наклонным блоком цилиндров, представляющей собой систему 8-го порядка дифференциальных уравнений (3.25). Структура расчёта параметров, соответствующая этому методу, может быть представлена в виде следующего алгоритма (рис. 4.1). Нахождение решения системы уравнений (3.25) в аналитическом виде вызывает существенные трудности. Поэтому решение этой системы было проведено приближённым численным методом с использованием ПЭВМ. В настоящее время широкое распространение при решении системы обыкновенных дифференциальных уравнений на ПЭВМ получили стандартные методы Рунге-Кутта и Хемминга. Следует отметить, что предиктор-корректор метод Хемминга по сравнению с методом Рунге-Кутта обладает рядом преимуществ, что, в конечном счете, сказывается на быстродействии программы. Однако для определения значения функции в последующей точке предиктор-корректор метод Хемминга требует наличия функции в четырех предшествующих точках. Для получения этих значений в начале счёта используется специальная разновидность метода Рунге-Кутта, предложенная Ральстоном. Этот метод не очень устойчив, но его используют, так как по нему считают только первые три точки [130]. В нашем случае, при чередовании различных участков счёта обобщённые силы в исходной системе будут изменяться по кусочно-линейному закону. Следовательно, к формулам Ральстона придется обращаться при каждой смене участка счёта, то есть довольно часто. Метод же Рунге-Кутта относится к так называемым «самостартующим» методам, для него достаточно знать значение функции в одной предыдущей точке. Кроме этого, данный метод численно устойчив для широкого класса задач, а величину шага можно менять на любом этапе вычислений [130]. Поэтому в нашем случае предпочтение было отдано методу Рунге-Кутта.
Метод расчёта параметров движения блока цилиндров, поршней, и шатунов АПГМ с наклонным блоком цилиндров был реализован с помощью программного комплекса «GIDRMASH» [121]. В основу этого программного комплекса были заложены выполнение следующих рабочих функций: раздельный оконный ввод исходных данных расчёта (шаг интегрирования, количество уравнений, начальные исходные данные и условия, начальное время, конечное время);
Метод расчёта конструктивных параметров торцевого распределительного узла АПГМ
Современный этап научно-технического прогресса характеризуется стремительным развитием техники, что связано с ее преждевременным моральным износом и, тем самым, сокращением ее жизненного цикла и материальными потерями. Одним из решений этой проблемы в области создания объемных гидромашин является повышение эффективности процесса их проектирования за счет разработки и внедрения в практику новых приёмов и методов, базирующихся на использовании существующей номенклатуры гидромашин, опыта их проектирования и его обобщении. Научно обоснованным методом обобщения результатов опыта является метод теории подобия [131 - 134]. Использование этого метода при разработке, в частности АПГМ, позволит провести комплексную оценку качества полученного конструктивного решения на основе сравнения с гидромашиной, имеющей высокие технико-экономические характеристики. Кроме того, это обеспечит формирование рационального блока исходных данных для проведения параметрической оптимизации конструкции проектируемой АПГМ, что приведет к уменьшению количества вариантов рассматриваемых при оптимизации совокупностей параметров и, тем самым, к сокращению сроков проектирования данных гидромашин.
Применяемая в настоящее время для сравнения и расчёта параметров объёмных гидромашин линейная теория подобия [2, 135] позволяет рассматривать их лишь с точки зрения номинального подобия (в целом как элемента гидропривода), не давая возможности из-за отсутствия соответствующих аналитических зависимостей, определенно оценить конструкцию и степень подобия их отдельных деталей, узлов и выполняемых ими функций.
Для раскрытия этой неопределенности в использовании теории подобия и получения конкретизированных аналитических зависимостей, описывающих особенности конструкции и функционирования рабочих органов гидромашин, был проведен обобщённый анализ работы и разработан метод расчёта торцевого распределительного узла АПГМ, вызывающего существенные трудности при проектировании.
Известно [2, 8, 33], что торцевой распределительный узел, предназначенный для выполнения уплотнительной, распределительной и опорной функций, является одним из основных узлов, определяющих надежную и долговечную работу АПГМ. В свою очередь, каждая из этих функций базируется на совокупности характерных процессов: уплотнительная - на процессах течения жидкости в стыковом зазоре по опорно-ушютняющим поверхностям в радиальном и окружном направлениях; опорная - на динамическом равновесии блока цилиндров; распределительная - на процессах течения жидкости в рабочих окнах распределительного диска и вращающегося блока цилиндров.
Приняв за основу такую функциональную модель торцевого распределительного узла, были проанализированы характерные процессы с целью получения их критериальных уравнений. Процессы течения вязкой жидкости по опорно-уплотняющим пояскам были формализованы системой двух дифференциальных уравнений в частных производных - уравнением Рейнольдса [136] и уравнением поля температур [82]: Здесь Г, ф - полярные координаты; h - текущая высота стыкового зазора или толщина жидкостной пленки; р, \х — плотность и динамическая вязкость жидкости; р - давление жидкости; V - усредненная мгновенная скорость течения жидкости; t - время; СО - угловая скорость вращения блока цилиндров; С, Т — удельная теплоемкость и абсолютная температура жидкости. Решение системы дифференциальных уравнений (4.6) в общем виде представляет собой функциональную зависимость, связывающую входящие в систему первичные технические параметры [133], и может быть записано в следующем виде: Для вывода обобщенных технических параметров воспользуемся рекомендациями, разработанными Кирпичевым М.В.[131], Гухманом А.А. [134] и уточненными Вениковым В.А.[133], и в соответствии с ними для всех параметров уравнения (4.7) запишем формулы размерностей в системе основных единиц измерений: Общее число параметров, влияющих на протекание описываемого процесса, - n = 11. Для нахождения числа первичных (независимых) параметров m необходимо определить ранг матрицы A (rang А), т.е. наибольший порядок неравного нулю определителя «квадратной» матрицы, составленной из любых строк матрицы А. Определитель матрицы, составленной из 1-5 строк, А — -1 0, следовательно, m = 5. Количество вторичных (зависимых) параметров будет равно п — m = 11 — 5 — 6. Выразив зависимые параметры через первичные, приходим к системе уравнений вида: Данная система уравнений решается методом Крамера, т.е. показатели степеней y,j будут определяться как отношения соответствующих Заменив в уравнении (4.7) первичные технические параметры на обобщённые, получим критериальное уравнение, характерное для процессов уплотнительной функции торцевого распределительного узла АПГМ: где Г - радиус-вектор в рассматриваемый момент времени; v -кинематическая вязкость; ф - текущий угол поворота блока цилиндров; h, hmax текущее и максимальное значения высоты стыкового зазора или толщины жидкостной пленки; R - радиус расположения окон распределительного диска;— известные из литературы критерии Лагранжа, Рейнольдса и Струхаля (для вращательного движения) соответственно [133, 134, 136]. т - Рг Здесь следует отметить, что критерий La - — 7, состоящий из независимых параметров, можно считать определяющим при описании характерных процессов уплотнительной функции, что совпадает с выводом Прокофьева В.Н. [2], а критерий Струхаля, называемый также критерием гомохронности, учитывают лишь при моделировании переходных процессов. Аналогично были получены обобщённые критериальные уравнения, характерные для процессов распределительной и опорной функций рассматриваемого узла: где Vor - усредненная мгновенная скорость жидкости в окне распределительного диска; D - диаметр расположения окон распределительного диска; 1 - ширина окна распределительного диска; ф0 -угол охвата окна распределительного диска; Р - сила тяжести блока цилиндров, F - площадь уплотняющей поверхности распределителя; Мкр (для поступательного движения) соответственно. При этом процессы течения жидкости в окнах блока цилиндров и распределителя описывались уравнениями Навье-Стокса и неразрывности потока [136], а динамическое равновесие блока рассматривалось в соответствии с принципом Д Аламбера. Граничные условия, определяющие однозначность решения уравнений (4.13, 4.14, 4.15), можно представить в следующем общем виде:
