Методы расчёта и проектирования аксиально-поршневых гидромашин силовых регулируемых гидроприводов

Вид материала

Автореферат

Содержание ОАО «Завод имени В.А. Дегтярёва» Общая характеристика работы Цель работы. Задачи исследований Методы исследований. Научная новизна работы Практическая ценность работы Реализация и внедрение результатов работы Апробация работы. Структура и объём диссертации. Содержание работы В первой главе Вторая глава В третьей главе Математическая модель ходовой части АПГМ с наклонным блоком цилиндров Математическая модель ходовой части АПГМ (обобщённая). Математическая модель ходовой части АПГМ при стационарном режиме работы. Четвёртая глава Метод расчёта параметров движения блока цилиндров, поршней и шатунов АПГМ с наклонным блоком цилиндров. Метод расчёта отклонений параметров движения блока цилиндров с поршнями АПГМ от стационарного режима. ... Полное содержание

Подобный материал:

• Методика гидрокинематического расчета демпфирующих колпаков регулируемых поршневых, 305.7kb.
• Dynamic modelling of the is intense-deformed condition of elements axial-piston air, 113.53kb.
• Специализация: Технологические машины и оборудование, 103.08kb.
• Методы автоматизированного проектирования системы прогнозирования землетрясений 05., 315.41kb.
• Лекция Содержание предмета «Физическая культура», 482.64kb.
• Ия коммерческого права зарубежных стран необходимо установить природу отношений, регулируемых, 4184.19kb.
• Прикладная теория цифровых автоматов, 27.51kb.
• Рабочей программы дисциплины Методы и средства проектирования информационных систем, 44.17kb.
• 1 изучение электростатического поля методом моделирования, 117.54kb.
• Аннотация программы учебной дисциплины в1 Методы и средства исследования Цели и задачи, 18.2kb.

На правах рукописи

ВОРОНОВ Сергей Андреевич

МЕТОДЫ РАСЧЁТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ

АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВЫХ ГИДРОМАШИН

СИЛОВЫХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ГИДРОПРИВОДОВ


Специальность 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов

и детали машин


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Ковров - 2008


Работа выполнена на кафедре Гидропневмоавтоматики и гидропривода государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А.Дегтярёва».

Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Спиридонов Е. К.
	доктор технических наук, профессор Панюхин В. В.
	доктор технических наук, профессор Кобзев А. А.

Ведущая организация – ОАО «Завод имени В.А. Дегтярёва»


Защита состоится 25 марта 2009г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.090.01 в ГОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А.Дегтярёва» по адресу:

601910, Владимирская область, г. Ковров, ул. Маяковского, 19.


С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «КГТА им. В.А.Дегтярёва».


Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.


Автореферат разослан __ ___________ 2009г.


Учёный секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Е.Ю. Пантелеев


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность проблемы. Конкурентоспособность, техническое совершенство и функциональные возможности современных гидрофицированных рабочих машин и оборудования в значительной мере определяются техническими характеристиками используемых в них аксиально–поршневых силовых регулируемых гидравлических приводов. Постоянно растущие требования к рабочим нагрузкам, точности позиционирования, скоростям и ускорениям движения рабочих органов этих 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 (АПГМ). 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 и, тем самым, снижению К.П.Д., уменьшению диапазона и точности функционирования, ухудшению надёжности их работы и, в целом, снижению качества гидроприводов. 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 обеспечивать при проектировании необходимое качество гидромашин и гидроприводов в целом, в связи с чем увеличивается время на доводку опытных образцов и освоение серийного производства.

Поэтому перспективным направлением решения 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, К.П.Д. 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, посвящённая 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 силовых регулируемых гидроприводов за счёт совершенствования методов расчёта и проектирования АПГМ на основе формализации функционирования гидромашин как кинематически сложных механизмов с элементами различной физической природы.

Задачи исследований.

1. Разработка логических схем и методик проектирования силовых регулируемых гидроприводов и АПГМ.
   
2. Построение системы математических моделей АПГМ как кинематически сложных механизмов с элементами различной физической природы и различным уровнем идеализации протекающих в них процессов.
   
3. Разработка методов расчёта и методики определения оптимальных параметров АПГМ.
   
4. Создание программного обеспечения методов расчёта АПГМ.
   
5. Проверка адекватности методов расчёта и проектирования АПГМ.
   
6. Разработка методик экспериментальной оценки технических показателей работоспособности АПГМ.
   
7. Разработка на основе результатов расчётно-экспериментальных исследований новых конструктивных решений АПГМ.
   

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 и 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 полученные на этой основе средства 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. Основные положения и результаты исследований, полученные в 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, методы 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 стрелоподъёмных 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;
  
• аксиально - поршневых силовых регулируемых 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, гидропневмоавтоматики, гидропневмомашин и их компонентов» (Киев, 1991г.), XIV, 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 гидропневмоавтоматика» (Москва, 1996, 2000г.), международной научно-технической конференции «Гидравлика и пневматика – 98» (Брно, Чехия, 1998 г.), всероссийской научно-технической конференции «Пневмоавтоматика – 99» (Москва, 1999 г.), III международной научно-технической конференции «Управление в технических системах – XXI век» (Ковров, 2000 г.), международной научно-технической конференции «Проблемы транспортных и технологических комплексов» (Нижний Новгород, ГТУ, 2002 г.), международных научно-технических конференциях «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Ковров – 1999, 2000 г., Сочи – 2004 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано самостоятельно или в соавторстве более 60 работ, в том числе одна монография, 9 работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, 11 патентов и авторских свидетельств на изобретения и полезные модели, 15 тезисов докладов на всесоюзных, международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений, изложенных на 272 страницах машинописного текста, включая 77 рисунков, 4 таблицы и списка литературы из 186 наименований.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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.

В первой главе на основе работ, выполненных учёными и инженерами МГТУ им. Н.Э.Баумана, ФГУП «ЦНИИАГ», МАДИ (ТУ), БГТУ «Военмех» им. Д.Ф.Устинова, ФГУП «ВНИИ «Сигнал», ОАО «Ковровский электромеханический завод» и других организаций, в том числе работ Б.К.Чемоданова, В.Н.Прокофьева, А.В.Кулагина, Т.М.Башта, К.В.Фролова, С.А.Ермакова, А.М.Потапова, Ю.М.Орлова, Р.М.Пасынкова и других авторов, проведён анализ состояния, перспектив и проблем применения и развития конструкций, условий работы, методов расчёта и проектирования современных АПГМ силовых регулируемых гидроприводов.

Одним из наиболее перспективных направлений развития современного гидроприводостроения считается создание объёмных силовых регулируемых гидроприводов с роторными аксиально–поршневыми гидромашинами. Они получили широкое применение в электрогидромеханических системах станков, строительных и дорожных машин, в системах наведения различных видов вооружения и военной техники и других технических объектах (рис.1).



Рис. 1. Обобщённая структурная схема электрогидромеханической системы

ГП – силовые регулируемые гидропривода; ГМ_i – аксиально - поршневой гидромотор; Н – аксиально-поршневой насосный агрегат; ИС – измерительная система; УС – управляющая система; ИЭ – источник энергии; МП_i – механическая передача; ОР_i - объект регулирования; β - управляющий сигнал; q_i - входной сигнал ГП, α_i- регулируемый сигнал; ДД и ДУ -датчики давления и регулируемого сигнала.

В соответствии с установившимися в настоящее время тенденциями развития этих отраслей очевидным направлением инновационного развития данных гидроприводов является повышение их удельной мощности, что реализуется за счёт применения высокого давления жидкости с использованием в качестве базовых элементов аксиально-поршневых насосов и гидромоторов повышенной удельной мощности. Такое техническое решение привело к ухудшению ряда показателей качества АПГМ: снижению объёмного и механического К.П.Д., увеличению минимально устойчивой частоты вращения вала и крутящего момента страгивания, повышению минимального времени изменения рабочего объема, характеризующего быстродействие АПГМ. Полученная тенденция изменения данных показателей является следствием повышенных потерь мощности в парах трения скольжения, особенно блок цилиндров – торцевой распределитель, поршни – стенки цилиндров, являющихся наиболее ответственными и типичными узлами данных гидромашин. Кроме того, в этих парах имеет место неравномерность локального износа сопряженных поверхностей, что приводит к снижению герметичности рабочих камер и распределительного узла, образованию сложной картины трения между ними, снижению устойчивости движения блока цилиндров, дополнительному загрязнению рабочей жидкости и другим нежелательным явлениям.

Приведены особенности и недостатки общепринятых методов проектирования, расчёта и математических моделей АПГМ. Известные методы расчёта и математические модели АПГМ, как правило, описывают установившиеся режимы работы и основываются на упрощенных физических моделях узлов и полуэмпирических зависимостях, что не позволяет с достаточной достоверностью рассчитать оптимальные соотношения между параметрами элементов гидромашины. Отмечено, что процесс проектирования АПГМ представляет собой итеративный процесс, позволяющий постепенным улучшением первоначального варианта гидромашины (чаще опытным путём) подойти к варианту, удовлетворяющему заданным требованиям.

На основании результатов анализа конструкций, особенностей работы, методов проектирования и расчёта АПГМ сформулированы цель работы и поставлены задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке методических основ проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ.

На основе современной методологии создания машин и оборудования разработан обобщённый алгоритм проектирования силовых регулируемых гидроприводов, включающий процесс проектирования АПГМ (рис. 2).


Рис.2. Алгоритм проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ

При его разработке на основе системного подхода и принципа декомпозиции обеспечена возможность корректировки параметров и структуры АПГМ и всего гидропривода на каждом этапе проектирования.

Сформулированы принципы построения процесса проектирования АПГМ, представлен, разработанный на их основе, алгоритм проектирования этих гидромашин (рис. 3). В основу подхода к проектированию АПГМ положен принцип первоочередного и максимального использования существующей номенклатуры этих гидромашин. Предлагаемый алгоритм проектирования АПГМ предусматривает три варианта построения проектировочного процесса. Первый вариант состоит в попытке отыскания и обоснования возможности применения уже известных типоразмеров гидромашин. Этот вариант реализуется путем анализа существующей научно-технической информации.

Если первый вариант не дает положительного результата, то исследуется возможность создания гидромашины под заданные требования на основе выбранной гидромашины-аналога, имеющей конструктивную типовую схему.

Второй вариант реализуется с помощью методик расчёта и программных продуктов, разработанных применительно к определенным конструктивным схемам деталей, узлов и гидромашин.

Третий вариант предусматривает создание АПГМ на основе оригинальных конструктивных решений составных частей и базируется на обобщённом математическом и программном обеспечении.

Проектирование АПГМ по второму и третьему вариантам проводится с использованием асимптотического метода формирования облика объекта проектирования, предусматривающего начальный выбор конструктивных параметров на основе статических моделей и последующее уточнение этих параметров на этапах анализа характеристик, корректировки и оптимизации параметров, базирующихся на динамических моделях (системах: критериальных уравнений торцевого распределительного узла и математических моделей ходовой части АПГМ).

Исходя из условий и режимов работы АПГМ с учётом основ теории подобия роторных гидромашин определены критерии и разработана методика автоматизированного выбора АПГМ - аналогов.

В соответствии с техническим заданием формируется блок исходных данных и производится выбор гидромашин по степени близости технических характеристик к заданным.

Осуществляется расчёт критериев, характеризующих работоспособность и технические возможности выбранного ряда гидромашин, и по их значениям с учётом энергетических потерь,




Рис.


Рис.3. Алгоритм проектирования АПГМ

массогабаритных характеристик, величины максимального давления производится выбор АПГМ - аналога. В качестве основных критериев были приняты следующие: технические параметры АПГМ - рабочий объем (V₀), перепад давлений, частота вращения (n), К.П.Д., динамический коэффициент вязкости жидкости (μ), рабочий диапазон температур; С_в - коэффициент скорости; П – приёмистость гидродвигателей; G_уд - удельный вес гидромашины; υ - металлоёмкость конструкции.

При создании алгоритма проектирования АПГМ были также реализованы следующие основные положения:

– предложенная система проектных процедур позволяет вести направленный поиск параметров конструкции гидромашин на всех уровнях проектирования, оперируя лишь с ограниченной информацией, т.е. реализован принцип декомпозиции процесса проектирования;

– процесс проектирования АПГМ построен на основе системного подхода, базирующегося на том, что функционирование деталей и узлов АПГМ оказывают влияние на работу других элементов гидромашины;

– разработанная система проектирования АПГМ предполагает использование математических моделей с различным уровнем идеализации и позволяет проводить качественную проработку конструкций деталей и узлов АПГМ.

В третьей главе представлены математические модели ходовой части АПГМ, описывающие с различным уровнем идеализации конструктивные и функциональные особенности АПГМ как кинематически сложных механизмов с учётом наличия жидкости как элемента конструкции.

Математическая модель ходовой части АПГМ с наклонным блоком цилиндров. В качестве объекта исследования рассмотрена нерегулируемая АПГМ с наклонным блоком цилиндров, шатунным ведением поршней и плоским торцевым распределителем. Для исследования кинематических характеристик ходовой части этой гидромашины введены неподвижная система координат OX_OY_OZ_O с центром в точке пересечения оси вала и плоскости центров сферических головок шатунов и подвижные системы координат: O_ВX_ВY_ВZ_В - жестко связанная с валом и вращающаяся с ним со скоростью ω; O₂X_БКY_БКZ_БК - связанная с блоком цилиндров, вращающаяся со скоростью ω₁ и отклоненная от неподвижной системы координат на углы γ₁, γ₂, α₁; C_П X_П Y_П Z_П - жестко связанная с поршнем; C_ШХ_ШY_ШZ_Ш - жестко связанная с шатуном. Для определения движений блока цилиндров использованы углы , , , характеризующие его повороты относительно осей; величина y_сбц, характеризует осевое перемещение центра масс блока цилиндров; углы , ,  определяют положение поршня относительно блока цилиндров; углы , ,  определяют положение шатуна относительно поршня.

Рассматриваемая механическая система — ходовая часть АПГМ — состоит из блока цилиндров, n – поршней и n – шатунов. Кинетическая энергия данной системы T равна сумме кинетических энергий блока цилиндров Т_бл., поршней Т_i и шатунов Т_j: Т = Т_бл +∑ (Т_i + Т_j), где i, j =1,2,...n.

На механическую систему блок цилиндров — поршни — шатуны действуют внешние силы, в соответствии с которыми построены выражения для обобщённых сил Q_δ, Q_μ, Q_ν, Q_yСБЦ, Q_ρi, Q_σi, Q_χi, Q_i рассматриваемой механической системы.

Для вывода уравнений движения механической системы блок цилиндров — поршни — шатуны использовано уравнение Лагранжа 2-го рода. В результате получена математическая модель ходовой части АПГМ с наклонным блоком цилиндров в виде системы 8-го порядка нелинейных дифференциальных уравнений с правой частью, зависящей от обобщенных координат. (В виду большой сложности уравнений эта система в автореферате не приведена).

При этом следует отметить, что четыре уравнения описывают движения блока цилиндров, три — движения i-го поршня и одно уравнение — движение i-го шатуна.

Математическая модель ходовой части АПГМ (обобщённая). В качестве объекта исследования выбрана нерегулируемая АПГМ с углом наклона блока цилиндров к вертикали γ, плоским торцевым распределительным диском, работающая в режиме насоса.

Под действием внешних сил между сопряженными поверхностями распределительного диска и блока цилиндров образуется зазор, заполненный рабочей жидкостью под давлением и имеющий форму клина.

При вращении блока цилиндров с полостью высокого давления соединяется (n ± 1)/2 цилиндров, что является причиной ступенчатого характера изменения величины гидравлических сил блока с частотой , а также изменения высоты z_c стыкового зазора и угла q наклона торцевой поверхности блока к сопряжённой поверхности распределительного диска.

Считалось, что связи, наложенные на блок цилиндров и поршни, – идеальные; на механическую систему действуют только внешние активные силы; влиянием на движение блока цилиндров с поршнями массы, температуры, вязкости и плотности жидкости, находящейся в цилиндрах и зазоре между распределительными поверхностями, пренебрегаем.

Рассмотрена кинематика механической системы, состоящей из блока цилиндров массой М и n поршней с массами m_i, перемещающихся поступательно внутри блока в цилиндрических отверстиях диаметром d_ц (рис.4). Здесь точка О – центр масс блока цилиндров при статическом равновесии механической системы;



Рис.4. Кинематическая схема механической системыблок цилиндров – поршни

XYZ – неподвижная система координат, жестко связанная с торцевым распределителем; zhx - подвижная система координат с началом в точке С – центре масс блока цилиндров; X₁Y₁Z₁ - система координат с началом в точке O₁ – центре окружности радиуса r, на которой расположены центра сферических головок шатунов (точки L_i); ось O₁Z₁ направлена по нормали к поверхности Земли под углом g к оси OZ. Точка O₁ в системе XYZ имеет координаты: x₀₁ = 0, y₀₁ = a, z₀₁ = b.

При работе гидромашины блок цилиндров совершает сферическое движение вокруг точки С и поступательное движение вдоль оси OZ. При этом механическая система блок – поршни имеет четыре степени свободы, характеризующиеся четырьмя обобщенными координатами – z_c, j, y, q (j, y –углы поворота блока вокруг осей OZ и Сz).

Кинетическая энергия системы Т равна сумме кинетических энергий блока цилиндров Т_бл. и поршней Т_i. Получены выражения для определения абсолютных координат точки М_i и скоростей их изменения; величины поступательного перемещения i-го поршня внутри блока цилиндров и его скорости; длины i-го шатуна l_i; траекторий движения точки L_i в системе координат X₁Y₁Z₁; проекций активных внешних сил и радиус-векторов, проведённых в точки их приложения, на оси неподвижной системы координат XYZ. В соответствии с известным выражением для определения обобщённой внешней силы, соответствующей обобщённой координате q_i, были построены выражения для обобщённых сил Q_z, Q_φ, Q_ψ, Q_q.

С помощью уравнения Лагранжа второго рода получена математическая модель движения блока цилиндров с поршнями в виде системы четырёх обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка с правой частью, зависящей от обобщённых координат (1).

(1)

Здесь:t – время; b_j = b_j (t, z_c, φ, ψ, q); T_o = T_o (t, z_c, φ, ψ, q); b_ji =b_ji (t, z_c, φ, ψ, q, ∂a_ij/∂t, ∂b_j/∂q_j); a_ji =a_ji (t, z_c, φ, ψ, q); c_ji =c_ji (t, z_c, φ, ψ, q, ∂a_ij /∂q_j); d_ji =d_ji (t, z_c, φ, ψ, q,∂a_ij/∂q_j).

Известно, что кинематика и предельные характеристические возможности АПГМ с наклонным блоком и наклонным диском в большинстве случаев равноценны. Поэтому можно считать, что система уравнений (1) при некоторых допущениях также описывает движения блока цилиндров с поршнями АПГМ с наклонным диском, работающих в режиме насоса. Учитывая, что нерегулируемые АПГМ являются обратимыми машинами, то согласно общей теореме об обратимых машинах, построенная система уравнений (1) может быть использована (при определённых уточнениях) для описания движения блока цилиндров с поршнями АПГМ, работающих в режиме мотора.

Математическая модель ходовой части АПГМ при стационарном режиме работы. Рассмотрен стационарный режим движения блока цилиндров с поршнями, характеризуемый равномерным вращением блока при отсутствии отклонений по координатам z_c, y, q. Известно, что этот режим движения является наиболее благоприятным с точки зрения износа сопряженных поверхностей блока цилиндров и торцевого распределителя, а также объёмного КПД гидромашины. Учитывая малость величин z_c, y, q, путём линеаризации в окрестности стационарного режима движения блока цилиндров с поршнями, было проведено упрощение система дифференциальных уравнений (1). В результате была получена система уравнений, описывающая движение блока цилиндров с поршнями при стационарном режиме:

(2)

Здесь: - отклонения параметров движения рассматриваемой механической системы от стационарного режима.

Четвёртая глава посвящена методам расчёта элементов АПГМ и результатам проектирования АПГМ с наклонным диском и силового регулируемого гидропривода с АПГМ.

Метод расчёта параметров движения блока цилиндров, поршней и шатунов АПГМ с наклонным блоком цилиндров. Данный метод расчёта базируется на решении математической модели движения ходовой части АПГМ с наклонным блоком цилиндров, представляющей собой систему 8-го порядка нелинейных дифференциальных уравнений с правой частью, зависящей от обобщенных координат (см. главу 3). Решение этой системы реализуется численным методом Рунге-Кутта с помощью программного комплекса «GIDRMASH». Для серийной АПГМ с наклонным блоком цилиндров и рабочим объёмом 16 см³ на оборот был проведён расчёт параметров движения , ,  блока цилиндров, , ,  поршней,  шатунов. В результате расчёта получены графики изменения этих параметров во времени, при этом характер и величина перемещений блока цилиндров соответствовали реальной картине его движения.

Метод расчёта отклонений параметров движения блока цилиндров с поршнями АПГМ от стационарного режима. Математическая модель движения блока цилиндров с поршнями (2) была представлена в виде системы восьмого порядка линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами. В основу метода расчёта положено решение этой системы уравнений численным методом Рунге – Кутта с использованием программы расчёта на ПЭВМ «ROTOR» (рис.5).





Рис. 5. Блок - схема программы «ROTOR»

Осуществлялось формирование блока основных параметров гидромашины, построение системы уравнений, описывающей движение блока цилиндров с поршнями, интегрирование системы и построение графиков изменения во времени параметров z и θ. При этом число цилиндров, соединённых с окном высокого давления распределителя, выбиралось с учетом угла поворота блока и параметров поступательного движения поршней. С целью апробации данного метода был проведён расчёт параметров z и θ для серийной нерегулируемой АПГМ с наклонным блоком цилиндров и рабочим объемом 16 см³ на оборот, работающей в режиме насоса.

Метод расчёта рабочих параметров ходовой части АПГМ при стационарном режиме работы. Необходимые условия стационарного режима движения блока цилиндров с поршнями можно представить в виде следующих уравнений:

(3)

Разрешая первое и четвертое уравнения относительно давления Р_с, а второе и третье – относительно крутящего момента М^с, приложенного к блоку, получены выражения для расчёта величины давления рабочей жидкости и момента, необходимых для равномерного вращения блока с поршнями:

(4)

При достаточной близости реального режима движения рассматриваемой механической системы к стационарному опытные величины давления Р рабочей жидкости, а также момента М_кр. должны быть примерно равными Р_с1 и Р_с4; и М^с₂ и М^с₃. В противном случае, необходимо проводить подбор частоты вращения и конструктивных параметров АПГМ.

С помощью системы уравнений (4) для АПГМ с V₀ = 16 см³/оборот были рассчитаны величины давления рабочей жидкости и момента блока, необходимых для равномерного вращения блока цилиндров с поршнями при стационарном режиме движения.

Метод расчёта конструктивных параметров торцевого распределительного узла АПГМ. Торцевой распределительный узел АПГМ предназначен для выполнения уплотнительной, распределительной и опорной функций, каждая из которых базируется на совокупности характерных процессов: уплотнительная – на процессах течения жидкости в зазоре по опорно-уплотняющим поверхностям в радиальном и окружном направлениях; опорная – на динамическом равновесии блока цилиндров; распределительная – на течении жидкости в окнах распределителя и блока цилиндров.

Приняв за основу такую функциональную модель и применяя методы теории подобия и известные уравнения гидромеханики, была проанализирована работа торцевого распределительного узла АПГМ и получены следующие критериальные уравнения:



(5) ,

где r, R, , _о, h, h_max, D, l, F – конструктивные параметры; V_оr – усреднённая мгновенная скорость течения жидкости в окне распределителя;  – кинематический коэффициент вязкости жидкости; Р – сила тяжести блока цилиндров, с – удельная теплоемкость жидкости, Т  температура, М_кр – крутящий момент на валу; – критерии Лагранжа, Рейнольдса и Струхаля (для вращательного движения) соответственно; – критерии Эйлера и Струхаля (для поступательного движения) соответственно.

Метод расчёта конструктивных параметров торцевого распределительного узла АПГМ, базирующийся на уравнениях (5), может быть представлен в виде следующей последовательности операций:

- выбирается АПГМ - аналог с близким заданному режимом работы, имеющая высокие технико-экономические показатели;

- рассчитываются для торцевого распределительного узла АПГМ – аналога значения обобщенных технических параметров (критериев подобия и симплексов), входящих в уравнения (5);

- учитывая равенство (линейный характер изменения) значений критериев подобия и симплексов при одинаковых граничных условиях для проектируемого распределительного узла и аналога, производится расчёт конструктивных параметров проектируемого распределительного узла.

С помощью данного метода были проведены расчётные исследования по оценке подобия конструкций торцевых распределительных узлов АПГМ второй модификации с рабочим объемом V₀ = 3, 9, 16 см³/оборот. В результате было подтверждено приближенное геометрическое и кинематическое подобие конструкций распределительных узлов этих АПГМ.

Результаты проектирования новой АПГМ с наклонным диском рабочим объёмом 9 см³/оборот, частотой вращения 5000 мин ^-1 и максимальным рабочим давлением 45 МПа. На основе принципа первоочередного и максимального использования существующих АПГМ с помощью методики выбора гидромашины – аналога (глава 2) был проведён анализ параметров данного типа гидромашин и в качестве аналога выбрана АПГМ с наклонным диском рабочим объемом 15 см³ за оборот, зарекомендовавшая себя качественной работой в следящих гидроприводах. На основе анализа значений критериев Лагранжа и Рейнольдса доказана возможность форсирования АПГМ-аналога до требуемых значений рабочих параметров. С использованием разработанных методов расчёта элементов АПГМ и методики определения оптимальных параметров были уточнены конструктивные параметры блока цилиндров, торцевого распределителя и других деталей АПГМ-аналога. Таким образом, были получены для требуемых значений рабочих параметров конструктивные решения деталей и узлов проектируемой АПГМ с наклонным диском, проработана ее компоновка, разработана конструкторская документация.

Предложенная логическая схема проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ (глава 2) в достаточно полной мере были реализованы при выполнении работ по созданию гидропривода пресса специальной установки формообразования бесшовных соединительных деталей для трубопроводов космических объектов и наземных систем. В соответствии с основными принципами и разработанным алгоритмом проектирования силовых регулируемых гидроприводов с АПГМ (глава 2) был построен алгоритм проектирования гидропривода пресса данных установок. Элементная база гидропривода была сформирована по первому варианту схемы, описывающей построение проектировочного процесса гидроэлементов (АПГМ). Использование разработанных принципов построения и алгоритма проектирования силовых регулируемых аксиально-поршневых гидроприводов позволили повысить качество проектирования, сократить время создания гидропривода пресса, а также повысить эксплуатационные характеристики гидропривода и всей установки.

В пятой главе поставлена задача оптимального управления и сформулировано её решение, приведены методика определения оптимальных параметров АПГМ в виде алгоритма и примеры её реализации, а также полученные на основе результатов расчётных исследований серийно выпускаемых АПГМ новые конструктивные решения их ходовой части и торцевого распределительного узла.