Введение к работе
Актуальность темы. Одной из главных составных частей технологических машин и агрегатов является их привод. В качестве силового привода зачастую используют гидравлический привод,, функциональные и эксплуатационные особенности которого оказывают, как правило, решающее влияние на свойства гидромеханической системы и технологических машин в целом. В связи с этим изучению силового гидравлического привода уделяется пристальное внимание. Однако, в состав силового гидравлического привода технологических машин и агрегатов, в той или иной форме, обязательно входят электрический и механический приводы, что превращает его в систему приводов различного вида. Подавляющее большинство современных исследований посвящены изучению гидравлических приводов, основу которых составляют гидравлические аппараты золотникового типа, что сдерживает возможности применения в системах приводов технологических машин новых конструкционных материалов. Многие технологические машины и агрегаты (особенно в АПК) работают в тяжёлых условиях, характеризуемых повышенными температурой и запылённостью, низким качеством рабочей жидкости и другими неблагоприятными признаками, что значительно снижает надёжность и качество функционирования систем приводов, оснащённых гидравлическими аппаратами золотникового типа. При современном уровне рабочих давлений в гидравлической системе, усилий и скоростей перемещения рабочих органов технологических машин и агрегатов АПК на первый план выступают вопросы сжимаемости рабочей жидкости и податливости гидравлических элементов системы приводов, что требует дальнейшего совершенствования теории и методологии их расчёта. Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной и своевременной.
Научная проблема, решаемая в настоящей работе, заключается в разработке теоретических основ и методологии проектировочного расчёта систем приводов технологических машин и агрегатов АПК, оснащённых гидравлическими аппаратами не золотникового типа с учётом нелинейности характеристик, деформации трубопроводов, неравномерности подачи рабочей жидкости и её сжимаемости.
Исходя из актуальности, практической значимости и теоретической неразработанности данной проблемы, в работе поставлена
следующая цель; повышение конкурентоспособности
технологических машин и агрегатов АПК путём обеспечения при проектировании * требуемых показателей назначения за счёт усовершенствования теории и методов конструкторского расчёта рациональных параметров систем приводов с учётом объёмной жёсткости их гидравлических систем.
Для достижения цели необходимо решить задачи исследования:
изучить системы приводов, используемые в технологических машинах и агрегатах АПК, определить перспективные пути их дальнейшего развития;
- выявить особенности функционирования систем гидравлических
приводов технологических машин и агрегатов АПК с учётом
нелинейности их характеристик, деформации трубопроводов,
неравномерности подачи рабочей жидкости и её сжимаемости;
дать определение и выявить особенности объёмной жёсткости, как свойства гидравлических систем технологических машин и агрегатов;
получить аналитические зависимости для расчёта коэффициентов объёмной жёсткости гидравлических систем при проектировании систем приводов технологических машин и агрегатов АПК;
предложить запорно-регулирующие элементы незолотникового типа, отвечающие требованиям функционирования систем приводов технологических машин и агрегатов в АПК, и теорию их расчёта;
экспериментально подтвердить основные положения предложенной теории расчёта рациональных параметров гидравлических систем приводов технологических машин и агрегатов АПК различного целевого назначения;
разработать математические модели систем приводов технологических машин и агрегатов АПК различного целевого назначения с гидравлическими аппаратами автоматического регулирования не золотникового типа и произвести их расчёт;
- привести примеры использования предложенных теории и
методологии расчёта при проектировании систем приводов
технологических машин и агрегатов АПК различного назначения.
Общая методика исследования.
Выполненные в работе исследования основываются на использовании положений и методов теоретической и аналитической механики, гидродинамики, теории упругости, а также численных методов решения дифференциальных уравнений, методов экспериментальной механики, методов оптимизации.
Научная новизна работы заключается в следующем. Специальность 05.02.02 машиноведение, системы приводов и детали машин:
- введено и раскрыто понятие объёмной жёсткости, как свойства
гидравлических систем приводов технологических машин и агрегатов
АПК, характеризирующего переходные процессы систем приводов;
аналитически получены закономерности расчёта коэффициентов
приведенной объёмной жёсткости гидравлических систем машин и
агрегатов, а также их элементов, что позволяет с высокой степенью
точности и достоверности производить расчёты систем приводов,
включающих силовой гидравлический привод (п. 5 паспорта);
разработана методология моделирования систем приводов технологических машин и агрегатов АПК различного целевого
назначения на базе аппаратов не золотникового типа, учитывающая объёмную жёсткость их гидравлических систем (п. 2 паспорта);
на основе предложенной методологии моделирования разработаны математические модели систем приводов технологических машин и агрегатов АПК различного целевого назначения; проведены их исследования и расчёт рациональных значений основных конструктивных и функциональных параметров (п.п. 2 и 6 паспорта);
предложено при расчёте систем приводов технологических машин и агрегатов, оснащённых аппаратами автоматического регулирования мембранного типа, рассматривать работу гибкого мембранного элемента с жёстким центром в пяти зонах, обеспечивающих изменение его жёсткости по различным законам; получены аналитические зависимости, описывающие условие работы мембранного элемента в той или иной зоне, для каждой из которых выведены формулы по определению эффективной площади (п.п. 1,2 и 8 паспорта). Специальность 05.02.13 - машины, агрегаты и процессы (в АПК):
разработаны научные и методологические основы проектирования систем приводов машин и агрегатов АПК, на основе предложенных автором конструкций переменных гидравлических сопротивлений не золотникового типа («плоский клапан» и «щель переменной длины»), наиболее полно отвечающих условиям эксплуатации систем приводов в АПК (п. 1 паспорта);
разработаны математические модели и алгоритмы расчёта систем приводов технологических машин и агрегатов АПК, спроектированных на базе гидравлических аппаратов не золотникового типа с учётом объёмной жёсткости их гидравлической системы (п. 1 паспорта);
- выявлен нелинейный характер и закономерности изменения
коэффициентов приведенной объёмной жёсткости трубопроводов и
других элементов круглого сечения гидравлических систем
технологических машин и агрегатов АПК, что позволяет с высокой
степенью точности и достоверности исследовать динамические
процессы функционирования машин и агрегатов АПК (п. б паспорта);
Практическая значимость работы
- разработаны структуры приводов технологических машин и
агрегатов АПК различного вида, а также обобщённая структура системы
привода на базе гидравлических аппаратов не золотникового типа
различного функционального назначения;
- разработаны методики и программное обеспечение для расчёта
систем приводов технологических машин и агрегатов АПК различного
целевого назначения с учётом приведенной объёмной жёсткости их
гидравлических систем;
- найдены оригинальные конструктивные решения переменных
гидравлических сопротивлений не золотникового типа, на основе
которых разработан ряд научно обоснованных и защищенных
авторскими свидетельствами и патентами конструкций, гидравлических
устройств не золотникового типа различного целевого назначения, принятых к использованию на предприятиях машиностроения, в том числе для АПК;
разработаны методики расчёта систем приводов технологических машин и агрегатов АПК различного целевого назначения, оснащённых гидравлическими аппаратами не золотникового типа, принятые к применению конструкторскими подразделениями различных машиностроительных предприятий России, в том числе для АПК;
дроссельный делитель потока мембранного типа, разработанный автором и рассчитанный по предложенной им методике, серийно выпускается Омским заводом «Гидропривод» и используется в системах приводов широкозахватных почвообрабатывающих агрегатов.
Результаты исследований внедрены.
Омским заводом «Омскгидропривод» в 1987 году поставлена на серийное производство, предложенная автором и рассчитанная по его методике конструкция дроссельного делителя потока ДСП 01.000, используемая в системах приводов сельскохозяйственных машин (широкозахватных культиваторов КЗК-10 и КПЗ-9,7 и др.). Там же, при участии автора, разработана конструкция дроссельного делителя-сумматора потоков с чувствительными элементами в виде трубок Вентури, который планировался к постановке на производство взамен делителя-сумматора ДСП 01.000. Ожидаемый экономический эффект от такой замены составлял 10,5 (десять рублей пятьдесят копеек) на одно изделие в ценах 1987 года.
Разработанная автором методика расчёта мембранных делителей и делителей-сумматоров с запорно-регулирующим элементом сопло-заслонка (плоский клапан) принята конструкторским отделом завода «Омскгидропривод» Т.Омск для практического применения.
Разработанный автором дроссельный делитель-сумматор мембранного типа с чувствительными элементами в виде трубок Вентури ДСВ-00.000 использован ГСКБ по культиваторам и сцепкам г. Ростов-на-Дону в составе гидравлического привода опытного образца широкозахватного культиватора КШУ-12, испытания которого, давшие положительный результат, проводились с марта 1985 года по сентябрь 1987 года.
Результаты исследований систем приводов со знакопеременным нагружением приняты к практическому применению в ГСКБ по культиваторам и сцепкам г. Ростов-на-Дону и были использованы при совершенствовании гидравлического привода широкозахватных культиваторов. Реверсивная стабилизирующая система клапанного типа применена в гидроприводе позиционирования крайних секций широкозахватных почвообрабатывающих машин в вертикальной плоскости на угол, больший 90. Методика расчёта систем приводов со знакопеременной нагрузкой в частности использована при разработке
гидросистемы культиватора КШУ-12А, освоенного серийным выпуском Грязинским культиваторным заводом.
По заказу ОАО «Аэропорт Ростов-на-Дону» автором в составе научной группы ДГГУ произведены исследования и модернизация системы привода аэродромной уборочной машины ДЭ-224, в результате которой по разработанной автором методике найдены рациональные значения основных параметров гидравлического привода щёточного механизма, позволившие обеспечить работу ДВС машины в номинальном режиме. При модернизации гидравлического привода применён дроссельный делитель потока незолотникового типа. От комплексного использования указанных и других доработок системы привода аэродромной уборочной машины получен экономический эффект 11500 (одиннадцать тысяч пятьсот) рублей на одну машину в ценах 2006 года.
В 2008 году предприятием ЗАО «Завод по выпуску КПО» принял к использованию разработанную автором на базе перфорационного пресса ППГ-1600 конструкцию двухаккумуляторной системы привода перфорационного пресс-молота усилием 1600 кН. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований на предприятии ЗАО «Завод по выпуску КПО» составляет 511)000 (пятьсот пятнадцать тысяч) рублей в ценах 2008 года.
Разработанная автором методика расчёта гидрофицированных пресс-молотов принята к использованию в ассоциации «Станкоинструмент». С использованием указанной методики и новых схемотехнических решений, включающих использование насосно-аккумуляторного источника питания с оригинальной конструкцией разгрузочного клапана, произведена рационализация технических параметров гидравлического перфорационного пресса усилием 1600 кН (160 тс) модели ППГ 160.00.001, позволившая повысить частоту рабочего хода ползуна с 80 до 560 двойных ходов в минуту. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 550000 (пятьсот пятьдесят тысяч) рублей в ценах 2006 года.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
всесоюзной научно-технической конференции "Основные направления развития техники для возделывания и уборки сахарной свеклы и кукурузы по индустриальным технологиям в свете продовольственной программы СССР". - Харьков, 1986 год; всесоюзной научно-технической .конференции «Состояние и перспективы развития электро- и гидроприводов сельскохозяйственных машин». - Москва, 1989 год; 2-й, 3-й и 6-й международных научно-технических конференциях «Новые технологии управления движением технических объектов», Новочеркасск, 1999, 2000 и 2003 годы; международной научно-технической конференции «Современное состояние и
перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке», Санкт-Петербург, 2003 год; международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологические процессы в металлургии и машиностроении. Экология и жизнеобеспечение. Информационные технологии в промышленности и образовании». Ростов-на-Дону, 2005 год; международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиноведения и высоких технологий», посвященной 75-летию ДГТУ. Ростов-на-Дону, 2005 год; международной научно-практической конференции «Металлургия. Машиностроение. Станкоинструмент.» в рамках промышленного конгресса юга России. Ростов-на-Дону, ВЦ «ВертолЭкспо», 2006 год; третьей международной конференции «Проблемы механики современных машин». Улан-Удэ,
2006 год; Х-й международной научно-практической конференции
«Современные технологии в машиностроении». Пенза 2006 год;
международной научно-технической и научно-методической
конференции «Гидрогазодинамика, гидравлические машины и
гидропневмосистемы». Москва, 2006 год; международной научно-
технической конференции «Эффективные технологические процессы в
металлургии, машиностроении и станкоинструментальной
промышленности», Ростов-на-Дону, 2007 г.; V-й международной научно-
технической конференции «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза
2007 год; международной научно-технической конференции «Динамика
технологических систем», Ростов-на-Дону, 2007 г.; международной
научно-технической конференции «Инновационные технологии в
машиностроении», Ростов-на-Дону, ВЦ «ВертолЭкспо», 2008;
международной научно-технической конференции «Гидравлические
машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное
состояние и перспективы развития», Санкт-Питербургб, 2008;
международной научно-технической конференции «Перспективные
направления развития технологии машиностроения и
металлообработки», Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2008; международной
научно-практической конференции «Инновационные технологии в
машиностроении», Ростов-на-Дону, ВЦ «ВертолЭкспо», 2009;
международной научно-практической конференции «Инновационные
технологии в машиностроении», Ростов-на-Дону, ВЦ «ВертолЭкспо»,
ДГТУ, 2010; 6-й международной научно-технической конференции
«Гидравлические машины. Гидроприводы и гидропневмоавтоматика.
Современное состояние и перспективы развития», СПбГПУ. - СПб,,
2010; IX Международной научно-технической конференции
«Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на
предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского
хозяйства», Ростов н/Д, 2010; ежегодных научно-технических
конференциях ДГТУ (РИСХМа) с 1981 года.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 84 научные работы (20 без соавторов), в том числе: 24 в журналах из
списка, рекомендованного ВАК (8 без соавторов); 3 монографии (2 без соавторов); 18 авторских свидетельств СССР и патентов РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов и рекомендаций, заключения, списка использованных источников из 259 наименований и приложений, имеет 141 рисунок, 23 таблицы и изложена - основное содержание на 345 страницах, приложения на 80 страницах машинописного текста.
