Статьи и доклады


Методы и модели автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода

Отправлено 19 апр. 2013 г., 3:28 пользователем Site Admin   [ обновлено 19 апр. 2013 г., 3:42 ]

Год: 2005
титул

Автор научной работы: Даршт, Яков Адольфович

Ученая cтепень: доктор технических наук

Место защиты диссертации: Ковров

Код cпециальности ВАК: 05.13.12

Специальность: Системы автоматизации проектирования (по отраслям)

Количество cтраниц: 426



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия»

На правах рукописи ДАРШТ ЯКОВ АДОЛЬФОВИЧ

МЕТОДЫ И МОДЕЛИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОПРИВОДА

05.13.12- «Системы автоматизированного проектирования»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ковров 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия»

Официальные оппоненты: Жигалов Илья Евгеньевич, доктор технических наук, профессор Спиридонов Евгений Константинович, доктор технических наук, профессор Чекмазов Владимир Ильич, доктор технических наук, профессор

Ведушая организация Кафедра «Гидравлики и гидравлических машин» Аэрокосмического факультета Пермского ГТУ (г.Пермь)

Защита состоится « 29 » июня 2005 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.025.01, ауд. 211/1.

ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет» по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет»

Автореферат разослан мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук проф /> А

Р.И. Макаров

Общая характеристика работы

Актуальность. Машиностроительная гидравлика - это современная наукоемкая отрасль машиностроения. Гидравлические приводы являются неотъемлемым элементом высокоэффективной техники в силу большой удельной мощности, высокого быстродействия, малых габаритов, экономичности и сочетаемости с микропроцессорной техникой управления. Успешные отечественные предприятия - производители машиностроительной гидравлики - имеют современное компьютерное оснащение и связывают свой прогресс с использованием в процессе проектирования современных технологий САПР и новых компьютерных программ, позволяющих выполнять различные виды моделирования. Но очевидно, что эффективное использование современных технологий САПР для проектирования сложной гидравлической техники возможно лишь при наличии системы комплексного моделирования этой техники, учитывающей специфику машиностроительной гидравлики. Предпосылкой для выполнения работы в этом направлении является сформировавшаяся в различных отраслях машиностроения тенденция создания элементов комплексного модельного сопровождения жизненного цикла изделий. Вместе с тем анализ состояния дел в отечественной машиностроительной гидравлике показал, что моделирование элементов гидроприводов в процессе их проектирования не является отработанной типовой процедурой. Соответственно и автоматизация проектирования носит ограниченный характер.

Причинами такого положения являются:

• недостаточность развития методик, ориентированных на имитационное моделирование элементов гидропривода;

• в целом, недостаточность развития методик, ориентированных на алгоритмическое моделирование элементов гидроприводов;

• отсутствие концепции комплексного использования программ САПР для расчетов элементов гидропривода;

• сложность картины рабочих процессов гидроустройств из-за многофакторности этих процессов, недостаточная изученность, в ряде случаев, этих процессов из-за сложности их экспериментального исследования;

• многообразие конструкций элементов, используемых в гидроприводе, что затрудняет разработку обобщенных методик;

В силу этих причин разработчики элементов гидроприводов ориентируются на частные аналитические методики и расчеты первого приближения, а использование современных программных продуктов носит единичный характер. Результатом такого подхода являются невысокая точность расчетов и, соответственно, необходимость включения в процесс проектирования, в каждом частном случае, большого объема сложных и дорогостоящих экспериментов, а также большие сроки проектирования.

Из изложенного следует, что в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема разработки ориентированных на современные программные средства методов автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода. Таких методов, которые обобщили бы применительно к элементам гидропривода известные в машиностроительной гидравлике расчетные методики, но на новой вычислительной базе, и тем обеспечили бы повышение автоматизации и эффективности проектирования.

В научном плане это необходимо для создания единой методической основы - основы для обобщения известных методических разработок в области расчета и моделирования элементов гидропривода, а также для создания новых исследовательских методик.

Цель работы - теоретическое обоснование и разработка системы моделирования для автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода. Системы, предназначенной в едином ключе и комплексно выполнять моделирование элементов в процессе их проектирования.

Объектом исследования в работе являются основные элементы гидростатического привода (дроссели, клапаны напорные, клапаны поточные, распределители, гидроусилители, насосы, гидромоторы и др.) и в целом гидроприводы различного назначения. Предметом разработки являются математические модели элементов гидроприводов, библиотеки их имитационных моделей, алгоритмы комплексного использования разнородных моделей гидроустройств в процессе их проектирования.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка, на основе анализа групп задач по расчетам элементов гидропривода и анализа современных тенденций в методологии проектирования, концепции и общих подходов к вопросу моделирования элементов гидропривода. Выявление, обобщение и развитие существующих методов и моделей для их использования в автоматизированном проектировании элементов гидропривода;

- обоснование и разработка, на основе существующей гидравлической модели потока, современных данных по свойствам рабочих жидкостей гидросистем и обобщений результатов исследований, выполненных с использованием гидромеханической модели потока - уточненной гидравлической модели потока жидкости;

- анализ рабочих процессов элементов гидропривода методами механики, гидравлики, теории гидропривода, методами цифрового моделирования с целью разработки или уточнения их математических моделей;

- разработка, на основе анализа конструктивных схем и рабочих процессов элементов гидропривода, системы имитационных моделей и методик имитационного моделирования элементов гидропривода для применения их в процедурах автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода;

- разработка методики идентификации имитационных моделей гидроустройств на основе общей методологии идентификации;

- экспериментальное подтверждение адекватности моделирования;

Методы исследования. Для разработки методов автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода, модельных и других методик, а также для проведения других необходимых исследований в работе использовались: теория автоматизированного проектирования, методы математического и цифрового моделирования, аналитические методы гидравлики, гидромеханики, механики, теории автоматического управления, и др.

Также проводились экспериментальные исследования с использованием стандартной измерительной аппаратуры и оборудования.

Научная новизна.

1. На основе принципов автоматизированного проектирования, гидравлики, гидромеханики, теории гидромашин и гидропривода, теории автоматического управления, информатики, теории моделирования развит общий подход к решению научно-технической проблемы комплексного моделирования элементов гидропривода, включающий обоснование:

• методологии моделирования элементов гидропривода, учитывающей: круг задач и методик машиностроительной гидравлики; принципы САПР и общую тенденцию в области проектирования технических устройств, заключающуюся в модельном сопровождении жизненного цикла изделий; перенос центра тяжести в проектировании элементов гидропривода с экспериментальных работ на моделирование; необходимость комплексного подхода к решению задач расчета;

• общей системы моделей гидроустройств;

• системы имитационных моделей гидроустройств;

• гидравлической однокоординатной модели потока жидкости.

2. На основе анализа структур элементов гидропривода разработана система имитационных моделей гидроустройств, в том числе:

• выделены элементарные модельные структуры - базовые элементы;

• разработана общая схема формирования моделей;

• разработана библиотека шаблонов и базовых моделей гидроаппаратов и гидромашин;

• разработаны производные модели гидроаппаратов и гидромашин и модели конкретных конструкций;

• разработана схема моделирования элементов гидропривода на маршруте их проектирования;

3. На основе разработанной системы моделей элементов гидропривода и принципов автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода усовершенствованы существующие методики расчета гидроаппаратов, гидромашин и гидроприводов, а также разработаны следующие оригинальные методики и модели:

• методика расчета сил, действующих со стороны потока жидкости на элементы конструкций гидроустройств, и модельная методика определения этих сил по типовой экспериментальной расходно-перепадной характеристике устройства;

• модель гидромашины, учитывающей процесс переноса жидкости "из полости в полость", модель рабочей камеры гидромашины, модельная методика исследования нагрузок на органе регулирования гидромашины; методика расчета силового взаимодействия торцевого распределителя и блока цилиндров аксиально-поршневой гидромашины;

• модельная методика анализа, синтеза и идентификации гидроустройств.

4. В процессе выполнения исследований с использованием разработанных моделей объяснен ряд явлений, и в частности:

• влияние, из-за содержания в рабочей жидкости нерастворенного газа, противодавления на статические характеристики гидроаппаратов, а также влияние давления в полости всасывания аксиально-поршневого насоса на нагрузки на его органе регулирования подачи;

• для аксиально-поршневых гидромашин, при работе в области высоких давлений, возрастание с ростом давления коэффициента прижима распределителя к блоку цилиндров.

Практическая ценность и внедрение.

1. В рамках предложенной автоматизации анализа и синтеза элементов гидропривода разработана библиотека унифицированных моделей основных типов элементов гидропривода, использование которых обеспечивает:

- комплексное, корректное и оперативное выполнение основных типов моделирования, в том числе статических, динамических и энергетических характеристик элементов гидроприводов и приводов в целом;

- удешевление процесса проектирования гидроустройств за счет замены части экспериментальных исследований - модельными;

2. Разработана методология, позволяющая унифицировать процесс разработки моделей элементов гидроприводов и модельных методик исследований.

3. Разработан расчетный комплекс элементов гидропривода, который внедрен на предприятиях ОАО "СКБ ПА" и ОАО ЧКЭМЗ" (г. Ковров), и используется при проектировании гидроприводов и их элементов. Например, он использован при отработке конструкторской документации гидрообъемных передач механизмов поворота гусеничных машин. Для конкретных устройств и гидромашин с применением имитационных моделей исследованы: индикаторные диаграммы гидромашин с ходовой частью типа "^аиег", моменты на их органах регулирования подачи, динамические и статические характеристики клапанов и распределителей производства ОАО "СКБ ПАИ и ОАО "КЭМЗ" г. Ковров; функционирование рулевого агрегата транспортного средства; энергетические характеристики гидропривода платформы экскаватора. Разработанные методики используются в учебном процессе КГТА.

4. Работа позволяет дополнить существующие комплексы и программы проектирования устройств машиностроительной гидравлики.

Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, рекомендаций и выводов основывается на корректном применении в исследованиях теоретических положений фундаментальных наук (математики, аналитической механики, теории автоматического управления и др.) и подтверждается сравнением результатов моделирования с результатами авторских экспериментов, а также с результатами экспериментальных исследований, опубликованных в технической литературе.

Апробация работы. В ходе выполнения диссертационной работы результаты работы докладывались и обсуждались:

- на международной научно-технической конференции "Гидромашиностроение. Прошлое и будущее"; 4-6 октября 2004 года. - Москва, МТУ им. Н.Э. Баумана.

- на международной конференции САПР и ГИС ЭКСПО, 4-6 декабря 2001года.- Москва: Русская промышленная компания;

- на всероссийском научно-практическом семинаре 20-21 марта 2001 года "Автоматизация технической подготовки машиностроительных предприятий: опыт создания и внедрения комплексных систем". - Ковров: КЭМЗ;

- на Российской научно-технической конференции. 2-4 июня 2002 года "Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании". - Ковров: КГТА;

- на ежегодных научно-технических конференциях Ковровской государственной технологической академии (в период 1988-2004 гг.);

- на научно-технических семинарах кафедры гидропневмоавтоматики и гидропривода КГТА.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 34 печатные работы, в том числе 1 монография, 2 учебных пособия, 17 статей в журналах, входящих в перечень утвержденных ВАК РФ изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем учитываемого текстового материала - 426 страниц, 318 рисунков.

На защиту выносится:

1. Обоснование концепции системы автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода, включающее:

• обоснование методологии моделирования элементов гидропривода, учитывающей: круг задач и методик машиностроительной гидравлики; принципы САПР и общую тенденцию в области проектирования технических устройств, заключающуюся в модельном сопровождении жизненного цикла изделий; перенос центра тяжести в проектировании элементов гидропривода с экспериментальных работ на моделирование; необходимость комплексного подхода к решению задач расчета;

• обоснование общей системы моделей гидроустройств;

• обоснование системы имитационных моделей гидроустройств;

• обоснование гидравлической однокоординатной модели потока.

2. Разработанная система имитационных моделей гидроустройств, в том числе:

• базовые элементы моделей гидроустройств;

• общая схема формирования моделей;

• библиотека шаблонов и базовых моделей гидроаппаратов и гидромашин;

• производные модели гидроаппаратов и гидромашин и модели конкретных конструкций;

• схема моделирования и модельных исследований элементов гидропривода на маршруте их проектирования;

3. Разработанные модельные методики типовых расчетов гидроаппаратов, гидромашин и гидроприводов, а также следующие оригинальные методики и модели:

• методика расчета сил, действующих со стороны потока жидкости на элементы конструкций гидроаппаратов и модельная методика определения по типовой экспериментальной расходно-перепадной характеристике гидро-

аппарата сил, действующих со стороны потока жидкости на запорно-регулирующий элемент этого аппарата;

• модель гидромашины, учитывающей процесс переноса жидкости "из полости в полость", модель рабочей камеры гидромашины, модельная методика исследования нагрузок на органе регулирования гидромашины; методика расчета силового взаимодействия торцевого распределителя и блока цилиндров аксиально-поршневой гидромашины;

• модельная методика исследования характеристик гидросистем в целом;

• модельная методика анализа, синтеза и идентификации гидроустройств.

4. Результаты исследований, выполненные с использованием разработанного комплекса моделей, в частности:

• устанавливающие влияние, из-за содержания в рабочей жидкости нерастворенного газа, противодавления на статические характеристики гидроаппаратов; влияние давления в полости всасывания аксиально-поршневого насоса на нагрузки на его органе регулирования подачи;

• устанавливающие для аксиально-поршневых гидромашин, при работе в области высоких давлений, возрастание с ростом давления коэффициента прижима распределителя к блоку цилиндров;

Содержание работы

Введение содержит общие сведения о проблеме расчетов элементов гидропривода. Обоснована актуальность повышения качества проектных работ за счет разработки методов и моделей автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода, актуальность разработки системы имитационных моделей гидроэлементов. Системы, предназначенной для комплексного моделирования элементов гидроприводов и гидроприводов в целом. Формулируются цель и задачи диссертационной работы и дается авторская характеристика выполненной работы.

В первой главе на основе анализа литературы по методам расчетов элементов гидропривода и анализа тенденций в проектировании техники сформулирована концепция автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода.

В разделах 1.1-1.3 на основе теории автоматизированного проектирования, изложенной в трудах И.П. Норенкова и др. ведущих ученых в области САПР, сформулированы: концептуальная основа автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода, основные принципы имитационного

моделирования, охарактеризована система моделей комплекса. Рассмотрен также круг задач по расчету элементов гидропривода и компьютерные программы для их решения.

Исходными моментами концепции приняты.

1. Перенос центра тяжести в проектировании элементов гидропривода с экспериментальных работ на моделирование. При этом часть задач, которые в существующих методиках решаются в процессе экспериментов, возложены на расчеты в программах, осуществляющих ЗБ-моделирование. К таким задачам относятся задачи расчета коэффициентов для однокоординат-ных и имитационных моделей, а также задача проверки точности расчетов однокоординатных моделей.

2. Положение о том, что проектирование является элементом жизненного цикла изделия и сопровождается соответствующей системой цифровых моделей.

3. Положение о том, что комплекс для автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода формируется по правилам формирования информационной среды. Он представляет собой совокупность программ, соответствующих кругу задач предметной области - программ, разработанных специализирующимися на изготовлении программных продуктов фирмами и апробированных широкой практикой инженерных расчетов. В комплекс входят специальные приложения в виде моделей и модельных методик, разработанных с использованием этих программных продуктов.

4. Система моделей и модельных методик формируется на основе теорий предметной области, т.е. гидравлики, гидромеханики, теорий гидропривода и его элементов, а также теории и практики моделирования.

определен в диссертационной работе на основе анализа данных литературы. Задачи расчета элементов гидропривода рассматривались в работах таких ученых, как Башта Т.М., Гамынин Н.С., Голубев А.И., Данилов Ю.А., Дубровский О.Н., Кондаков Л.А., Лещенко В.А., Матвеев И.Б., Орлов Ю.М., Попов Д.Н., Прокофьев В.Н., Ситников Б.Т., Сахно Ю.А., Темнов В.К, Чупраков Ю. И. и многих других. Проведенный анализ литературы позволил сформировать следующий круг задач для их решения средствами комплекса: а) выполнение типовых расчетов по тематике: гидродинамика потоков в гидроустройствах; динамика гидравлических механизмов; анализ напряженно-деформированного состояния элементов конструкций гидроустройств; управление, регулирование, имитационное моделирование гидравлических устройств, машин, приводов, систем; б) разработка новых методик расчетов для автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода составлен на основе анализа круга задач, приведенных выше, и включает следующие программы уровня САПР: "Inventor" - для выполнения трехмерного твердотельного моделирования. "FLOW-3D" - для моделирования 3-х мерных течений жидкости в сложных геометрических границах. "NASTRAN"- для анализа кинематики и динамики механических устройств, для выполнения относительно простых прочностных расчетов. Программа позволяет импортировать в нее модели, выполненные в "MATLAB+Simulink" и 3D - модели для выполнения связанного моделирования. "MARC" - для выполнения трехмерного моделирования напряженно-деформированного состояния элементов с учетом контакта, неоднородности материалов и др. "MATLAB+Simulink" - используется для выполнения имитационного моделирования. "LabWIEW" - для компьютерного управления процессом испытаний, измерений и регистрации исследуемых параметров. Конфигурация комплекса программ не является жесткой и может видоизменяться.

Анализ отечественных компьютерных программ для имитационного моделирования позволил выделить те из них, которые используются или могут быть использованы непосредственно для моделирования элементов гидропривода: "SIMHYID", "ПА-9", "СИАМ", программный комплекс "Моделирование в технических системах", *МДС", "Экспресс - Радиус", "МАРС" и некоторых других. Известная зарубежная программа для моделирования гидроприводов из готовых подмоделей элементов - "DSH plus", a программы имитационного моделирования динамических систем, которые возможно применить и для моделирования отдельных элементов: Vis Sin (фирмы Visual Sobutionst Incorperated) и Matlab/Simulink (фирмы Math Works). Фактическим стандартом в области имитационного моделирования стала программа Matlab/Simulink, она и включена в состав комплекса.

Система математических моделей. Вопросы моделирования в связи с автоматизированным проектированием рассматривались в работах таких ученых, как В.П. Быков, Г.Г. Казеенов, В.В. Климов, В.И. Кузовлев, Ю.Г. Краснощекое П.С., В.В. Морозов, Н.Н. Моисеев, Нестеров, И.П. Норенков, А.Г. Ракович, А.Т. Соколов, В.А Трудоношин, П.Н. Шкатов, В.В. Федоров, и др. С учетом подходов, разработанных в трудах этих ученых, в данной работе принято деление математических моделей на модели неалгоритмические, представляемые алгебро-диференциальными системами уравнений, и модели машинные, обычно цифровые, и в частности алгоритмические. Система алгоритмических моделей в соответствии с основными положениями автоматизированного проектирования (Н.П.Норенков,) широко используется для анализа процессов технических устройств на микро-, макроуровнях. Макромодели делятся на подуровни фунционально-логический и системный. Макромодели, разработанные для имитации функционирования технических устройств, называются имитационными. Имитационные модели могут также делиться по уровням. Вся система моделей конкретного устройства формируется вокруг его конструкторской ЗD-модели. 

ЗD-модель импортируется в программы гидродинамических и прочностных расчетов. 3D-модели могут дополняться одномерными моделями. Информация, полученная в результате модельных исследований с использованием одно- и трехмерных моделей, является базовой для разработки имитационных моделей устройств. ЗD-моделирование является для имитационных моделей аналогом экспериментального исследования: результаты ЗD-моделирования, после обобщения, вводятся в имитационную модель.

Имитационные модели разрабатываются как специальное приложение программы Mathlab и являются наиболее универсальным, простым, оперативным, гибким и распространенным средством проектирования. Эти модели позволяют задачи управления, регулирования, кинематики и динамики, энергетики и др. гидравлических механизмов решать с единых методических позиций. Совокупность имитационных моделей сводится в библиотеку моделей. Разработка этой библиотеки - центральный для данной диссертационной работы вопрос.

Имитационные модели в библиотеке комплекса разделены, в соответствии с теорией моделирования динамических систем, на два основных типа: функциональные (экспериментальные) и теоретические. Функциональные построены на обобщении результатов экспериментов и/или расчетов в 3D-моделях и используются как подмодели более крупных структур. Они простые и быстродействующие. Теоретические модели подробно описывают физические процессы. Такие модели универсальны и используются для модельных экспериментов как на уровне отдельных устройств, так и в крупных структурах.

Разработана система имитационного моделирования элементов гидропривода как моделирование фунционально-логического уровня:

- имитационное моделирование гидроустройств выполняется как динамическое моделирование с учетом основных законов сохранения;

- имитационные модели выполняются в форме блочно - структурных схем. Блоки схем гидросистем набираются из модельных блоков гидроустройств как из модулей. Блоки-модули гидроустройств собираются из простейших базовых элементов;

- система моделей многоуровневая. Два основных уровня моделей: экспериментальных моделей и теоретических. Подуровень модели может быть связан с количеством последовательных и параллельных вложений, отражающих все более тонкие структуры моделируемого объекта. Модели разных уровней структурно взаимозаменяемы;

- для выполнения энергетических расчетов имитационные модели гидросистем дополняются соответствующими расчетными блоками;

- совокупность имитационных моделей образует библиотеку. Модели библиотеки делятся на модельные шаблоны устройств (т.е. модели большой степени обобщенности) и модели конкретных устройств. Модели-шаблоны являются базовыми для моделей конкретных устройств;

- комплекс специальных расчетных методик строится на базе моделей комплекса. Это и методики моделирования, и методики обработки и обобщения результатов натурных и модельных экспериментов.

Конструктивным принципом системы имитационных моделей принято построение моделей конкретных устройств на моделях базовых элементов:

- базовые элементы гидроустройств классифицируются по энергетическому признаку: диссипаторы энергии, интеграторы потенциальных переменных и интеграторы потоковых переменных;

- модели элементов гидропривода также разделены по энергетическому принципу: на модели гидроаппаратов и модели гидромашин. К группе гидроаппаратов относятся все гидроаппараты, вспомогательные элементы, гидроарматура и т.п., то есть все устройства, на которых энергия преимущественно рассеивается, к гидромашинам - гидронасосы, моторы, гидроцилиндры, аккумуляторы и другие гидромеханические преобразователи энергии;

- систематизация имитационных моделей внутри группы гидроустройств и группы гидромашин проводится на основе классификации гидромашин и гидроаппаратов и с ориентацией на принятую систему базовых элементов;

- на основе моделей гидроустройств и гидромашин формируются модели гидроприводов и систем в соответствии с их принципиальными схемами.

Таким образом, модели каждого гидроустройства в предлагаемой системе формируются, с одной стороны, в соответствии с собственной внутри-групповой классификацией, а с другой стороны, формируются как из модулей из базовых элементов (которые могут быть объединены в субблоки и т.д.). Далее модель гидросистемы формируется из моделей гидроустройств также по модульному принципу (рис. 1).

В разделе 1.4 разработана структура двух частей комплекса, укруп-ненно отражающая алгоритм комплексного моделирования: а) гидроаппаратов, б) гидромашин.

На основе анализа возможностей разнородных моделей разработана общая схема комплексного моделирования гидроаппаратов (рис.2) и схема моделирования гидромашин.

Предусматривается использование следующих разнородных моделей в единой связи:

а) для основного режима работы (или ряда основных режимов) гидроаппарата проводится его модельная «проливка» - т.е. имитация гидравлических испытаний с подробным изучением структуры потока жидкости. Модельная «проливка» осуществляется с использованием трехмерной, максимально-подробной, модели жидкости и трехмерной модели гидравлического канала, по которому протекает жидкость

Рис.2. Общая схема моделирования гидроаппаратов

В целом эти модели получаются весьма сложными, и расчет с их помощью каждой режимной точки требует больших затрат машинного времени. Поэтому назначение трехмерной модели целесообразно ограничить получением обобщенных гидравлических коэффициентов (коэффициента расхода ц, коэффициента силы у, действующей со стороны жидкости на затвор гидроаппарата, коэффициента относительных потерь напора вдоль линии тока для основного режима работы гидроаппарата.

Кроме того, трехмерная модель потока используется в исследовательских целях для установления других связей параметров потока между собой.

б) Полученные в трехмерной модели значения коэффициентов используются в упрощенной одномерной гидравлической модели: здесь рассчитываются необходимые для следующего этапа проектирования параметры потока и серии гидравлических коэффициентов для разных режимов и вариантов конструкций. Например, при вариациях таких параметров, как величины входного и выходного давлений, высота подъема затвора, газосодержание в жидкости и др. Достоинство одномерной модели в том, что она позволяет оперативно выполнить большое количество расчетов при проведении всесторонних модельных экспериментов. Ограниченность этих моделей в их неуниверсальности: приемлемая точность расчетов достигается в определенном диапазоне изменения параметров. Одномерные модели используются и

для расчетов, которые по каким-то причинам трудно реализовать в трехмерных моделях, например для расчетов потока механической смеси жидкости и газа.

в) На основе разработанной библиотеки имитационных моделей гидроаппаратов выполняется анализ и синтез этих аппаратов. При этом используются зависимости, полученные в одномерных моделях потока.

Роль эксперимента в данном комплексе состоит в обосновании применяемых методик и моделей.

Проектирование выполняется "в цикле". Синтез элементов гидропривода проводится как в процессе модельного многовариантного анализа, так и с использованием формализованных процедур синтеза, вводимых в состав моделей гидроустройств.

Система разнородных моделей гидромашин в целом аналогична системе для гидроаппаратов, но имеет и свои особенности. При имитационном моделировании гидромашин системный подход реализуется выбором центральной имитационной модели: модели рабочего процесса в отдельном объеме. Так для поршневых гидромашин такой элементарной ячейкой является поршневая камера насоса. Кроме того, для гидромашин широко используются ЗБ-модели для анализа напряженно-деформированного состояния элементов, т.к. в гидромашинах деформации рабочих элементов соизмеримы с зазорами в рабочих парах, что определяющим образом влияет на характеристики жидкостной пленки в этих зазорах. Соответственно, это определяет характеристики и саму работоспособность гидромашин.

В главе рассмотрена общая схема формирования моделей гидроприводов: модель гидропривода формируется из моделей элементов на основе гидравлической схемы этого привода. Методики моделирования и модельных исследований включены в цикл автоматизированного проектирования гидропривода - рис. 3.

Рис.3. Возможная последовательность автоматизированного проектирования элементов гидропривода

Процедуры автоматизированного проектирования гидропривода и его элементов включают в себя системы моделей и формализованные методы анализа и синтеза, которые вводятся в модели элементов/привода как дополнительные процедуры моделирования.

При проектировании на первом этапе решаются вопрос выбора принципиальной схемы привода, модельного определении основных параметров привода. Решается задача выбора элементов из существующей номенклатуры элементов и вопрос компоновки привода на машине.

На втором этапе выполняется проектирование отдельных элементов. При этом используется система моделей, разработанная в 2, 3 и 4 главах этой работы. На третьем и четвертом этапах выполняется конструирование элементов и разработка конструкторской документации.

Все проектирование осуществляется " в цикле" в автоматизированном режиме на основе алгоритмических моделей, но с привлечением аналитических моделей и с использованием трудноформализируемых приемов. Цикл проектирования в отдельных случаях может быть элементарным, в других -разветвленным. На маршруте проектирования предусмотрено место формирования базовых и производных моделей элементов гидропривода.

Цикл разработки новых базовых моделей гидроустройств применяется в тех случаях, когда выясняется, что проектируемые устройства работают в неисследованном ранее диапазоне параметров.

Разработанные в процессе проектирования новые модели и модельные методики - пополняют библиотеку моделей и методик.

Во второй главе на основе методов гидравлики и гидромеханики разработаны модели потоков жидкости для их использования в цикле автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода в процессе их проектирования, разработаны методики исследования характеристик течения жидкости в каналах гидроппаратов.

В разделах 2.1 и 2.2 рассмотрена 3-х мерная модель питока. В комплексе используется программа Ркда-ЗБ. Используемая во Нстл'-ЗВ модель потока жидкости отражает основные законы сохранения. Уравнения движения для трех компонент скорости жидкости в трех координатных направлениях представляет собой классические уравнения Навье-Стокса (см. работы Емцева, Повха И.Л. и др.). Результаты моделирования, полученные во Р1о№-3Б, обобщаются: рассчитываются основные гидравлические коэффициенты по методикам, которые аналогичны методикам их экспериментального определения. Пример расчета, выполненный с использованием 3-х мерной модели потока, приведен на рис. 4.

В разделе 2.3 уточнена гидравлическая (одномерная) модель потока Известно, что расчетные методики анализа и синтеза элементов гидропривода в основе своей опираются на гидравлические модели потока Поэтому с расширением возможностей этих моделей расширяется и круг расчетных методик, что и способствует сокращению экспериментальных работ в процессе создания новой техники

В одномерных моделях потока используются экспериментальные данные по исследованию этих потоков Однако экспериментально можно получить далеко не все характеристики В частности, в литературе нет сведений о характеристиках осредненной диссипации энергии потока, дросселирующего через зазоры с резко переменой конфигурацией Но от характера диссипации зависит картина распределения давления в потоке, что определяет интегральное силовое воздействие потока жидкости на чувствительные элементы устройств гидроавтоматики и, соответственно, характеристики этих устройств в целом

В настоящее время, в связи с появлением программ типа Flow-3D, информация по характеру диссипации м б получена расчетным путем, обобщена и, соответственно, использована в однокоординатных моделях, которые таким образом м б усовершенствованы Что и предпринято в данной работе При этом учтен и тот факт, что реальная рабочая жидкость гидросистем включает и небольшое количество воздуха, что заметно сказывается на свойствах жидкости, особенно при низких давлениях

Рис 4 Пример слайда, штюстрирующий течение жидкости через клапан (с картиной давления и скорости потока), полученный при ЗГ>моделировании

Основная часть 2-ой главы посвящена стационарной модели турбулентного потока в каналах гидроаппаратов. В основу математической одномерной модели для стационарного потока наряду с уравнениями Бернулли, неразрывности потока, зависимости площади -/(£) сечения потока по длине канала, положены: описание плотности рабочей жидкости (р) как плотности механической смеси (р^) жидкости (рж) и газа, а также описание потерь напора - Д/дотерь- А^потерь - функция, связанная с безразмерной характеристикой Q(L), которая определяется в процессе модельного эксперимента в 3D-модели потока. С(Ц- функция: отношение функции интеграла диссипации энергии по пути движения потока к интегралу той же диссипации, определенному для всего исследуемого участка потока. Система уравнений имеет вид:


Укрупненная структурная схема модели одномерного потока представлена на рис. 5. Достоинство модели состоит в том, что она позволяет рассчитывать эпюры давления жидкости, действующей на запорно-регулирующие элементы гидроаппаратов, и, значит, выполнять соответствующие модельные исследования. На рис. 5 приведена одна из эпюр, рассчитанная с использованием одномерной модели потока (для клапана обратного тока - рис. 4).

На графике координата времени в секундах соответствует линейной координате потока в миллиметрах вдоль образующей конусной поверхности клапана в направлении к оси клапана. Интегрирование этого давления по поверхности клапана дает значение силы действия потока жидкости на клапан. Характеристика этой силы вводится впоследствии в имитационную модель клапана, что и позволяет повысить точность модельных исследований в процессе анализа и синтеза гидроаппарата. Эффективность методики подтверждена сравнением результатов экспериментальных и модельных исследований характеристик, в частности, для приведенного на рис.4 клапана. Расхождение результатов расчетов статических характеристик гидроаппаратов, выполненных с использованием разработанной выше методики, с экспериментальными данными не превышает 3%.

В процессе модельных исследований было установлено, что причиной изменения статической характеристики клапана с увеличением противодавления (давления на выходе клапана) является изменение эпюры давления под действием этого противодавления из-за наличия газовой фракции в жидкости. С этим связано и влияние противодавления на величину коэффициентов расхода дросселей.

Разработанная одномерная модель позволяет устанавливать связь: формы кромок запорно-регулирующего элемента, направления движения жидкости через зазор, величины открытия зазора, величины давления входа и противодавления, газосодержания в жидкости и др. на эпюру давления. Соответственно, для различного сочетания этих факторов, рассчитываются силы действия жидкости на запорно-регулирующие элементы напорных и поточных клапанов, распределителей и др.: эта модель предназначена для модельных исследований потоков в гидроаппаратах любых типов. Результаты обобщения модельных исследований вводятся, как указывалось выше, в имитационные модели этих гидроаппаратов в виде коэффициентов и функций.

В разделе 2.4 для расчетов эпюр давлений (и гидростатических сил) в переменных по профилю зазорах гидромашин на основе известного уравнения для ламинарного течения жидкости в зазорах разработана однокоорди-натная имитационная модель потока жидкости. Эта модель использована при разработке новой методики для типового этапа синтеза гидромашины: методики комплексного модельного исследования силового взаимодействия торцевого распределителя и блока цилиндров аксиально-поршневого насоса высокого давления. На основе твердотельной модели распределителя проводится модельное исследование его деформации под действием высокого давления (с использованием, например, программы "КА8ТКА№') и определяется форма зазора между блоком цилиндров и распределителем. Рассчитывается поток жидкости в зазоре. Далее анализируется эпюра давления, отжимающая распределитель от блока цилиндров, рассчитывается результирующий прижим блока к распределителю, и по результатам анализа корректируется конструкция.

На основе разработанных моделей проведено модельное исследование гидромашины с ходовой частью типа "2АиЕ11" и рабочим объемом V—112см*/об. Установлено, что деформация распределителя при изменении давления с 2МПа до 45МПа существенно изменяет баланс прижимающих и отжимающих сил (в отдельных случаях с 3 % до 30%), что не учитывалось использовавшимися ранее методиками.

Разработанные во 2-й главе модели потоков жидкости позволяют совершенствовать имеющиеся и разрабатывать новые методики расчетов элементов гидроприводов.

В третьей главе разработаны математические и имитационные модели гидроаппаратов. Основное внимание уделено разработке обобщенных структурных схем (модельных шаблонов) гидроаппаратов. Имитационные модели формируются как многослойные структуры с большим количеством последовательных вложений, что обеспечивает и автоматизацию технологии формирования модели, и одновременно позволяет выполнять моделирование устройств с любой степенью подробности. В главе разработан комплекс методик моделирования гидроаппаратов и проиллюстрированы его возможности для автоматизированного анализа и синтеза гидроаппаратов.

В разделе 3.1 приведены общие моменты моделирования гидроаппаратов любых типов: на основе энергетического подхода выделены базовые гидроэлементы, не разложимые на более простые: из моделей базовых элементов формируется гидравлическая часть модели любого гидроустройства. Базовых моделей три типа: гидроемкости, гидроиндуктивности и гидросопротивления. К базовым элементам отнесены, как это принято в гидравлике, свойства рабочих жидкостей: упругость, плотность и вязкость.

Гидроемкость характеризуется параметром - СГ=!7Е(Р), в который входят объем камеры - Ги функция объемного модуля упругости жидкости в зависимости от давления - Е=Е(Р). Расход сжатия жидкости в камере свяЛ ¥ & тт зан с давлением зависимостью - Ц^ - ————. Причем реальная жидкость рассматривается как механическая смесь жидкости и воздуха. Соответствующая структурная схема гидроемкости имеет вид:

Рис. 6. Структурная схема модели щдроемкосги

Многочисленные исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, показали корректность использования этой модели.

В разделе рассмотрены модели дросселей различного типа (клапанных, золотниковых, типа "сопло-заслонка", дроссельной шайбы и др.) на основе известных математических моделей вида:

Разработаны модели высокой степени подробности, в них учитываются: перекрытия -е, зазоры - 8, форма кромок и врезок, число Рейнольдса - Яв и др. (рис. 7), что позволяет реализовать для целей моделировании результаты практически любых известных исследований дросселей и тем повысить точность расчетов.

Рис.7. Укрупненная структурная схема модели золотникового дросселя

В разделе также рассмотрена методика проектирования дроссельных устройств на примере пропорционального распределителя манипулятора лесной машины с синтезом требуемой расходной характеристики

В разделе 3.2 разработаны имитационные модели основных типов распределителей Модели формируются в соответствии с гидравлической схемой распределителя из моделей дросселей и моделей междроссельных объемов. Наибольшее распространение имеют 2-х и 4-х дроссельные распределители На рис. 8,а приведена модель 2-х дроссельного распределителя в варианте гидропотенциометра "сопло-заслонка" и модельная характеристика потенциометра Р=Р(х), а на рис. 8,6 приведена модель 4-х дроссельного золотникового распределителя, состоящая из двух моделей 2-х дроссельных распределителей Приведены характеристики расходная (0=^) (х), в двух вариантах, с отрицательным и с положительным перекрытиями) и перепадная -Р=Р(х) Аналогично формируются модели любой схемы и конструкции

Рис 8 Укрупненные модели распределителей и типовые модельные характеристики

Методики моделирования и модельные исследования конкретных распределителей разработаны на примере пропорционального электрогидравлического распределителя ДУ-6 и манипуляторного, пропорционального распределителя ДУ-16 с открытым центром (производства ОАО "СКБ ПА" г. Ковров). Приведена методика использования моделей для синтеза распределителей с требуемыми статическими и динамическими характеристиками.

В разделе 3.3 и 3.4 на. основе анализа конструктивных схем основных типов напорных и поточных клапанов разработаны их модельные шаблоны. Шаблоны разработаны выделением базовых гидравлических элементов-блоков: объемов- V, дросселей - Д механических частей -Ми их взаимосвязей.

Разработанные шаблоны основных типов гидроаппаратов представлены в виде укрупненных структурных схем на рис 9.

При моделировании конкретных конструкций шаблоны дополняются расчетными блоками, отражающими специфику устройства Например, характеристикой, отражающей форму конкретного затвора и его взаимодействие с потоком жидкости Методики моделирования и модельных исследований конкретных клапанов рассмотрены в разделе применительно к разработкам предприятия ОАО "СКВ ПА", г Ковров

На рис 10 представлены примеры модельных характеристик клапанов а - статическая и переходная характеристики редукционного клапана, б -переходные - предохранительного клапана непрямого действия {Р\,Ръ ЛРщ, давления клапана основного, управления и потери давления на дросселе), в -

В разделе 3.5 рассмотрена методика использования имитационных моделей для анализа и синтеза гидроустройств, а также методика идентификации моделей. Возможности совместного использования в цикле автоматизированного проектирования элементов гидропривода разработанных моделей гидроустройств и формализованных методик анализа и синтеза проиллюстрированы на примере анализа и синтеза клапана.

Суть методики состоит в следующем: на основе модельного шаблона исследуемого гидроаппарата разрабатывается схема модельного эксперимента, в котором в процессе моделирования сравниваются экспериментальная или желаемая и модельная характеристики исследуемого аппарата. При этом отрицательная обратная связь автоматически минимизирует расхождение между этими характеристиками за счет автоматического формирования параметра, вид которого заранее не известен.

Схема модельного исследования коэффициента сил на основе экспериментальной расходно-перепадной характеристики клапана приведена на рис. 11.

Рис. 11. Схема модельного исследования коэффициента сил

Коэффициент сил Х¥—Р/'(Р-/) - это сила, действующая со стороны жидкости на затвор клапана, отнесенная к условной силе, равной давлению на входе в клапан, умноженному на площадь клапана, по которой действует давление (точнее, проекцию площади клапана на плоскость, перпендикулярную оси затвора клапана).

Методика анализа характеристик клапана реализована в виде имитационной модели клапана и состоит в автоматическом сравнении экспериментальной статической расходно-перепадной характеристики клапана, также введенной в структурную схему, с расчетной характеристикой клапана, получаемой в процессе модельного эксперимента. При этом в модели отклонение - расчетного давления клапана от экспериментального минимизируется с любой, наперед заданной, точностью выбором коэффициента К. Коэффициент сил формируется моделью как выражение для коэффициента сил: и учитывается в цепи обратной связи.

Результатом анализа является коэффициент сил для данной формы затвора клапана: в процессе моделирования при линейном изменении входного расхода от нулевого до максимального, вычисляется параметрическая функция зависимости коэффициента сил от относительной величины зазора. Вычисляется также сила действия потока жидкости на затвор клапана. Полученный таким образом коэффициент является, по существу, экспериментальным. При его введении в исходную модель клапана можно проводить различные модельные эксперименты, изменяя конструктивные и режимные параметры гидроаппарата. Сравнение (для сформированных таким образом моделей) результатов модельных исследований с экспериментальными данными показало их практически полное совпадение.

С использованием той же схемы выполняется и синтез гидроаппарата. В этом случае вместо экспериментальной характеристики гидроаппарата вводится желаемая, и в результате модельного эксперимента синтезируется требуемая характеристика коэффициента сил, что по базе данных позволяет выбрать в автоматизированном или ручном режиме соответствующий затвор клапана.

Идентификация модели клапана с использованием схемы (рис. 11) состоит также в сравнении расчетной и экспериментальной характеристики, при этом определяется и качество модели, и при необходимости, по сформулированному критерию, проводится параметрическая оптимизация модели.

Приведенная выше методика широко использовалась в работе для идентификации разработанных имитационных моделей. Эти методики применимы для любых гидроустройств. При этом формируется схема, аналогичная приведенной на рис.11, но на базе имитационной модели соответствующего исследуемого или проектируемого устройства. В схему вводятся формализованные процедуры анализа или синтеза, оперирующие параметрами основной модели, и проводится моделирование.

В четвертой главе на основе теории гидромашин и разработанных в данной диссертации подходов сформированы математические и имитационные модели гидромашин, разработаны обобщенные структурные схемы гидромашин, методики их моделирования и модельных исследований.

Вразделах 4.1 и 4.2, в соответствии с теорией гидромашин и концепцией моделирования (гл. 1), разработана модель обобщенной гидромашины и на ее базе система имитационных моделей гидромашин.

Обобщенная гидромашина включает элементы, общие для всех гидромашин: вытеснитель с механизмом передачи движения вытеснителю, рабочую камеру и узел распределения потока жидкости. Соответственно, и

имитационные модели гидромашин включают модели этих элементов. Основа классификации гидромашин и их моделей - относительное движение элементов. К гидромашинам первой группы относим гидромашины с неподвижной камерой и неподвижным распределителем, гидромашины второй группы имеют подвижную камеру, а третьей группы - имеют и подвижную камеру, и распределитель. Многообразие моделей гидромашин определяется различной комбинацией моделей камер, распределителя и кинематических зависимостей, определяющих закон относительного движения вытеснителя и распределителя. Классификация моделей соответствует классификации гидромашин (рис. 12).

Кроме того, модели гидромашин, как и аппаратов, разделены на модели "экспериментальные" (функциональные) и "теоретические" или модели первого и второго уровня. Модели второго уровня разделены на базовые и производные.

Рис 12. Классификация гидромашин и их имитационных моделей

В разделе 4.3 разработано математическое описание гидромашины и ее имитационная модель первого уровня, в который учитывается изменение плотности рабочей жидкости при ее переходе через гидромашину. Уравнение неразрывности потока учитывает расходы в форме, эквивалентной массовым расходам, что и позволяет укрупнено имитировать процесс переноса жидкости из одной гидролинии привода в другую через машину. Этим подача гидромашины на стороне напора ставится в зависимость от расхода на всасывании и наоборот:

где: Q - расход, £2 - характерный размер гидромашины, г - ее параметр регулирования, - скорость вращения вала гидромашины, - плотность рабочей жидкости, - логическая функция, определяющая характер гидролинии: всасывания или нагнетания, 1 и 2 - индексы параметров, относящиеся к зонам первой и второй гидролинии. Гидравлические модели гидромашин первого уровня компактны, удобны в использовании, быстродей-ствуюгцие, гидравлическая часть модели дополняется механической, вида: М-П-г -Р2)» (М - момент нагрузки на валу гидромашины), просто реализуется любая степень обратимости.

В разделе 4.4 рассмотрена методика имитационного моделирования гидропередач, гидроприводов и гидросистем с использованием моделей гидромашин первого уровня. Гидроприводы включают, кроме моделей гидромашин, модели гидролиний, клапанов, системы подпитки, управления и т.д. Модели гидролиний являются сложными: к гидролинии в общем случае относят ее объем, инерционность потока жидкости и гидравлическое сопротивление, а также, в случае моделирования протяженных трубопроводов, постоянную времени чистого запаздывания передачи импульса.

На рис. 13 приведен пример модели гидропередачи и ее характеристик. Как видно из графиков, система подпитки гидропередачи в приведенном примере не обеспечивает нормального функционирования этой гидропередачи: в гидролиниях возникает разрыв потока жидкости (механической смеси жидкости, воздуха и паров), о чем свидетельствуют колебания плотности и снижен-

ные обороты гидромотора. Разработанная в главе модель гидромашины имитирует функционирование передачи как в рабочих, так и в пограничных, и в нерабочих режимах. Это и позволяет корректно выполнять модельные, исследования в процессе проектирования. Вместо/(вместе с) моделей 1- уровня в моделях гидросистем могут быть использованы и модели 2- уровня,

В разделе 4.5 рассматриваются базовые модели гидромашин второго уровня. Важнейшим результатом моделирования здесь является определение функции давления в каждой отдельной поршневой камере, отображаемой индикаторной диаграммой (зависимостью давления от времени или от положения поршня).

Рис. 13. Модели гидропередачи и ее характеристики ___________и угловая скорость гадромотора- ю(У)всинус-ном режиме управления при на значительном (а) и значительном (б) дефиците под-

От характера этого давления зависят, в конечном счете, все основные характеристики гидромашины: подача насоса (расход мотора), пульсация подачи, объемный к.п.д. гидромашины, нагрузки на механизме управления насоса, другие нагрузки, акустические характеристики, и др. Разработанная структура модели для одной поршневой камеры представлена на рис, 14.

Рис. 14. Укрупненная структурная схема базовой модели "поршневая камера"

Эта структура имеет обобщенный характер и откосится к гидромашинам всех схем. Но так как по комлексу характеристик наилучшими в настоящее время являются гидромашины аксиально-поршневой схемы, то конкретное моделирование, в рамках диссертационной работы, выполнялось именно для этих машин.

Все блоки структурной схемы формируются на основе выше рассмотренных базовых элементов: блок расчета площади окон распределителей входит в модель дросселей, которые вместе с объемом образуют поршневую камеру. Текущее значение объема и поршневая подача жидкости определяются кинематикой гидромашины. В работе для аксиально-поршневой гидромашины приведены все ссютветствующие уравнения, а также полученные нами уточненные зависимости перемещения - х и скорости - V поршня, которые имеют вид:

где: а - угловая координата поршня, у - угол наклона органа регулирования подачи насоса, (3 - угол наклона органа регулирования подачи насоса в плоскости ортогональной плоскости угла у, Я - радиус разноски поршней.

Модель совершенствовалась в процессе многочисленных модельных исследований гидро машин с ходовой частью типа ТаиеГ Возможности разработанной модели иллюстрируют расчетная индикаторная диаграмма аксиально-поршневого насоса с рабочим объемом Г=112см3/об -рис \5,а и подача поршня в напорную линию - рис 15,6 Эти расчеты выполнены с использованием базовой модели Для расчета производных от индикаторной диаграммы характеристик базовую модель дополняют необходимыми расчетными блоками Так выполнено исследование перемещения гидростатической опоры поршня относительно наклонного диска (рис 15,в), исследование мгновенных значений момента сил на органе регулирования подачи насоса от сил давления в поршневой камере (рис 15,г), и др При этом рассчитанные в дополнительных расчетных блоках параметры включались, где это необходимо, в замкнутый контур расчетов Например, учет перемещения поршня с гидростатической опоры относительно наклонного диска влияет на вид индикаторной диаграммы, индикаторная диаграмма - на динамику поршня и т д.

Рис 15 Графики модельных характеристик отдельной поршневой камеры насоса базовая - "а", "б" и производная -"в", V модели (насос с У= 80 скг/об)

В разделе 4.6 на основе модели поршневой камеры разработаны подробные второго уровня модели гидромашины, объединяющие модели всех поршневых камер машины в соответствии с уравнениями:

где Qt - подача одного поршня, индексы 1 и 2 относятся к гидролиниям гидромашины.

Разработанные модели позволяют установить количественные соотношения между внешними, для гидромашины, параметрами и параметрами индикаторной диаграммы - с одной стороны. Параметрами индикаторной диаграммы и конструктивными параметрами гидромашины - с другой стороны.

Выполнены исследования с применением моделей гидромашин: важнейшие характеристики гидронасоса (с ходовой частью типа "/аиег"), рассчитанные с использованием разработанной модели второго уровня, приведены на рис. 16.

Модельная методика важнейшего типового исследования - исследования нагрузок ни органе регулирования подачи насоса - также изложена применительно к насосу с ходовой частью типа "/аиег", а также к насосу с ходовой часть типа "Бетзоп".

Выполненные модельные исследования индикаторных диаграмм позволили объяснить основную гармонику колебаний давления на "верхнем" участке диаграммы (рис. 16). Здесь, кроме заброса давления из-за особенностей рабочего процесса в камере (перекрытий окон распределителя и блока цилиндров и образования в отдельные моменты времени "замкнутого" пространства камер гидромашины и др.), на колебаниях отражается пульсация подачи гидронасоса и мотора в целом. Т.е. имеет место взаимовлияние рабочих процессов в поршневых камерах при их объединении в одной области давления. Отражается также характер нагрузки привода и др. На основе модельных исследований индикаторных диаграмм разработаны конструкции торцевых распределителей этих гидромашин. В частности определены форма, размеры и положения дополнительных дросселирующих прорезей на перемычках распределителя, которые обеспечивают снижение забросов давления в камере, что повышает работоспособность насоса. При этом обеспечиваются приемлемые значения нагрузок на органе регулирова-

ния насоса, требуемый объемный к п.д гидромашины, снижается уровень шума.

Рис 16 Характеристики, рассчитанные с использованием полной модели гидронасоса: подача насоса- 0Н, индикаторная диаграмма- Рид н, график миграции — У-7(Х) центра давления, оказываемого поршневой группой на элементы насоса, пример результатов постпроцессорной обработки результатов исследований моментов -Мцд(Р,в)) на органе регулирования насоса

В разделе 4.7 приведены методики для подробного моделирования и модельных исследований гидросистем в целом. Методики построены на использовании разработанной в диссертационной работе системе моделей

Возможности разработанной системы проиллюстрированы на примере модельных исследований функционирования рулевых агрегатов РА-80, РА-100, РА-125 и РА-160, устанавливаемых в гидроприводах рулевого управления тракторов ВТЗ, МТЗ и др., и на примере исследований гидропривода платформы экскаватора. На рис. 17 приведена принципиальная схема, а на рис. 18 имитационная модель для анализа и синтеза гидропривода платформы экскаватора. При этом энергетические характеристики моделируются и анализируются как производные основных характеристик в дополнительном "блоке расчета энергетических характеристик". В блоке "обратная связь" по заданным критериям формируется модель корректирующей цепочки. Аналогичными блоками для автоматизации проектирования вводятся в модель и любые другие формализованные процедуры анализа и синтеза гидропривода.

Рис. 17. Принципиальная схема гидропривода платформы экскаватора

Рис. 18. Структурная схема имитационной модели привода платформы экскаватора

Основные результаты и выводы по работе.

В заключении работы акцентировано внимание на полученные в процессе выполнения модельных исследований (с помощью разработанной системы моделей) объяснения ряда фактов, изложенных в технической литературе, а также на выявленных эффектах. Сделаны выводы, соотнесены поставленные в работе задачи с полученным результатом. Отмечается, что на протяжении всего процесса разработки системы моделирования для автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода результаты моделирования сравнивались с результатами экспериментальных исследований.

В работе на основе анализа состояния дел в области проектирования отечественной машиностроительной гидравлики выявлена актуальность разработки, на базе современных программных средств, комплекса моделей и методов для автоматизированного проектирования элементов гидропривода. Проанализированы основные научные труды по машиностроительной гидравлике и по САПР гидроустройств, определен круг задач для их решения средствами системы моделирования и разработана концепция комплекса моделей.

Общие положения разработанной системы базируются на представлении о современном предприятии как об информационной системе, входящей, в свою очередь, в более общее информационное пространство. Такое представление, имеющее в своей основе экономический критерий эффективности производства, позволило принять решение об опоре, при разработке системы моделей элементов гидропривода, на коммерческие программные продукты САПР, предлагаемые рынком.

В результате выполнения работы сформирована система моделирования, представляющая собой методологию, компьютерную среду и систему моделей, предназначенную в едином ключе на системной основе и комплексно использовать моделирование устройств и систем машиностроительной гидравлики для их автоматизированного проектирования. Комплекс включает программы САПР для 3-х мерного твердотельного моделирования, гидродинамического моделирования потоков, моделирования напряженно-деформированного состояния нагруженных элементов гидроустройств и программу для имитационного моделирования.

В диссертационной работе, на базе теории гидравлики и гидропривода, с учетом принципов САПР, моделирования, с использованием методов теории автоматического управления - разработана система имитационного моделирования потока жидкости, гидроаппаратов, гидромашин и гидросистем. Имитационное моделирование опирается на результаты трехмерного моделирования как на эквивалент эксперимента. Система имитационного моделирования основывается на базовых элементах, включает библиотеку авторских имитационных моделей гидроэлементов, машин и приводов, а также библиотеку методик для расчетов гидроустройств и систем. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями.

В рамках диссертации реализован метод модельной идентификации имитационных моделей гидроустройств,

Разработанные методы и модели автоматизированного проектирования элементов гидропривода позволяют унифицировать и автоматизировать процедуру проектирования, сократить сроки и повысить качество проектирования. Это обеспечивается и базовыми модельными элементами, и модельными шаблонами основных видов гидроаппаратов и гидромашин. С использованием этих элементов разработаны модели конкретных гидроустройств, выпускаемых предприятиями ОАО "СКБ ПА" и ОАО "КЭМЗ" (г. Ковров), и выполнены актуальные модельные исследования клапанов, распределителей, гидромашин и гидроприводов.

Концепция разработанного комплекса позволяет, на наш взгляд, развивать его и в плане разработки моделей новых устройств, учета новых процессов (например, электромагнитодинамических), в плане расширения круга математических моделей (например, включить вероятностные модели) и в плане развития модельных методик исследования и проектирования гидроустройств и гидросистем. Комплекс аккумулирует и сохраняет опыт проектирования предприятия.

Разработанные модели и методы автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода внедрены на предприятиях ОАО "СКВ ПА" и ОАО НКЭМЗИ г. Коврова: результаты исследований по теме диссертационной работ использованы при создании гидроаппаратов, гидромашин и приводов. Разработанные методики используются в учебном процессе кафедры ГПА и ГП Ковровской государственной технологической академии. Материалы по методам автоматизированного анализа и синтеза элементов гидропривода переданы на ряд отечественных предприятий.

Работа позволяет дополнить существующие комплексы и программы проектирования устройств машиностроительной гидравлики.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Даршт Я.А. Расчетный комплекс машиностроительной гидравлики: Монография. - Ковров: КГТА, 2003. - 412с.

2. Даршт Я.А. Гидравлическая система объемного регулирования// А.с. №1174596. 1985г. Бюллетень №31.

3. Дарит Я.А. Аксиально-поршневая гидромашина // Полезная модель. Свидетельство №7150,1998г. Бюллетень № 7,1998, заявка № 97104824.

4. Даршт Я.А. Учет газосодержания при имитационном моделировании гидроустройств // Приводная техника. - 2004. №4 - С.58-61.

5. Даршт Я.А. Имитационные модели гидропередач // Вестник машиностроения. - 2004. №5 - С.13-16.

6. Даршт Я.А. Расчет энергетических характеристик гидропривода платформы экскаватора // Вестник машиностроения.-!ЛА. №6 - С. 17-20.

7. Даршт Я.А. Исследования характеристик малогабаритных обратно-предохранительных клапанов непрямого действия //Вестник машиностроения -2004. № 4 - С. 13-15.

8. Даршт Я.Я., Холкин И.Н,. Пузанов А.В. Исследования гидростатических опор плунжеров высоконагруженных аксиально-поршневых гидромашин И Автоматизация технологических процессов. - 2004. № 3 - С.7-13.

9. Даршт Я.А., Куванов К.Е. Моделирование гидравлических характеристик пропорциональных распределителей // Тракторы и с/х машины. -2004. №9.

10. Даршт Я.А. Пропорциональный распределитель манипулятора // Тракторы и с/х машины. - 2004. №6 - С.39-41.

11. Даршт Я.А., Помелов И.Е. Предохранительные клапаны гидроприводов мобильных машин // Тракторы и с/х машины. - 2004. №2 - С.20-21.

12. Даршт Я.А. Система имитационных моделей гидромашин //Приводная техника. - 2003. № 4- С.56-60 .

13. Даршт Я.А. Имитационное моделирование рулевого управления колесным трактором // Тракторы и с/х машины. - 2003. №9 - С18-21.

14. Даршт Я.А., Пузанов А.В., Холкин И.Н. Комплекс моделирования гидромашин и гидросистем // САПР и Графика. - 2003. № 6 - С. 5 8-61.

15. Даршт Я.А. Расчетный комплекс машиностроительной гидравлики // Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании: Сборник докладов Российской научно-технической конференции. Ковров: КГТА, 2002. - С.109-111.

16. Даршт Я.А. Предприятие как информационная система - общий подход // Автоматизация технической подготовки машиностроительных предприятий: опыт создания и внедрения комплексных систем: Сборник докладов I Всероссийского научно-практического семинара. - Ковров: КГТА, 2001.-С.99-101.

17. Даршт Я.А. Моделирование энергетических характеристик гидроприводов: Сборник научных трудов КГТА. - Ковров: КГТА, 2000. - С.65-76.

18. Даршт Я.А., Холкин. И.Н., Компьютерное моделирование гидромеханических процессов при автоматизированном проектировании машиностроительной гидравлики // 'Автоматизация технической ПОДГОТОВКИ машиностроительных предприятий опыт создания и внедрения комплексных систем: Сборник докладов I Всероссийского научно-практического семинара. 20-21 марта 2001 года. Ковров: КЭМЗ, 2001. - С. 103-109.

19. Даршт Я.А., Пузанов А.В., Кузнецова Н.Г. Методика расчета контактного взаимодействия пар трения аксиально-поршневой гидромашаны с учетом несовершенства формы контактируемой поверхности и характера

взаимодействия: Сборник научных трудов КГТА. - Ковров: КГТА, 2000. -С.122-132.

20. Дарит Я.А., Куванов К.К, Пузанов А.В., Холкин И.Н. F1OW-3D в проектировании машиностроительной гидравлики // САПР и Графика. -2000.~№7-С.50-55.

21. Даршт Я.А., Холкин И.Н., Куванов КЕ. Моделирование потоков рабочей жидкости в каналах гидроаппаратов //Приводная техника. - 1999. -№ 9- С.34-39.

22. Даршт Я.А., Холкин И.Н., Пузанов А.В. Расчет устройств гидроавтоматики: Сборник научных трудов КГТА - Ковров: КГТА, 1998. - С. 146-153.

23. Даршт Я.А., Смирнов АЛ. О снижении шума гидромашин // Системы управления: конверсия, проблемы: Материалы научно-технической конференции. - Ковров: КГТА, 1996. - С.88-90.

24. Даршт Я.А. Схема питания механизма управления // Научные и методические исследования института - техническому и культурному прогрессу: Материалы ХУ1 научно-техническая и научно-методическая конференции. - Ковров: КТИ, 1993. - С.119-120.

25. Даршт Я.А. Гидропривод манипулятора // Научные и методические исследования института - техническому и культурному прогрессу: Материалы ХУ научной конференции. - Ковров: КТИ. - 1992. - С.49-50.

26. Даршт Я.А Математическая модель объемного гидропривода // Разработка и применение перспективных приборов для измерения угловых скоростей и ускорений: Материалы респуб. семинара. - Ковров: НТЦ «Информатика», 1991.-С.47-49.

27. Даршт Я.А. Расчетные характеристики механизма управления с питанием от управляемого им насоса // Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления. Сб. статей. -М.: Машиностроение, 1986. - Вып. 12. -С. 115-120.

28. Даршт Я.А., Гурвич Я.Ф., Калинин СБ., Хорохорин Б.А. Исследование переходных процессов механизма управления, питающегося от управляемого им насоса // Известия вузов. Машиностроение. - 1985. - № 10. -С.82-85.

29. Дарит Я.А., Косорукова О.В., СысоевВ.В., Голубев С.Г. Влияние нагрузки гидропривода на регулировочную характеристику механизма управления // Известия вузов. Машиностроение. - 1982. - № 6- С. 138-139.

Терехов Н.Ф,, Даршт Я.А., Круглое В.Ю. Расчет подачи

при перемещающемся регулирующем органе // Известия вузов. Машиностроение. - 1979. - № 8 - С.52-55.

31. Даршт Я.А., Косорукова О.В. Расчет динамических характеристик гидроприводов и их элементов на ЭВМ: Методическое пособие к курсовому и дипломному проектированию. - Ковров: КТИ, 1994. - 36с.

32. Даршт Я.А., Пузанов А.В., Холкин И.Н. Методики расчета клапанов: Учебное пособие. - Ковров: КГТА, 1998. - 52с.

33. Даршт Я.А. Имитационные модели гидроаппаратов // Международная научно-техническая конференция. "Гидромашиностроение. Настоящее и будущее": Тезисы докладов. - Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - С. 28-29.

34. Даршт Я.А. Имитационные модели гидроаппаратов II Автоматизация технологических процессов. - 2005. - № 3.

Изд. лиц. № 020354 от 05.06.97 г. Подписано в печать 27.05.2005 г. Формат 60x84/16. Бумага писчая № 1. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Усл.-псч. л. 2,56. Уч.-изд.л. 2,53. Тираж 100 экз. Заказ М> 482.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ««Ковровская государственная технологическая академия» 601910, Ковров, ул Маяковского, 19


К вопросу о надежности и ресурсе аксиально-поршневых насосов высокого давления

Отправлено 3 янв. 2010 г., 8:24 пользователем Яков Даршт   [ обновлено 26 апр. 2010 г., 6:53, автор: Site Admin ]

Повышение уровня рабочего давления гидромашин создает проблемы для сохранения параметров их надежности и ресурса. Связано это с тем, что не удается при проектировании с повышением давления сохранить подобие характеристик рабочего процесса. Последнее обусловлено, прежде всего, тем, что с переходом на новый повышенный уровень рабочего давлен

ия нет возможности изменить подобным образом свойства материалов конструкции - они остаются теми же. Это относиться,

 прежде всего, к таким свойствам как упругость, прочность и др. материалов распределителя, блока цилиндров, поршней, гидростатических опор. Но, важными, по-видимому, является напряженно-деформированного состояния и других элементов конструкции: корпуса, крышек, крепления и пр. То же относится и к рабочей жидкости: уровень давления возрастает, а объемный модуль упругости практически сохраняет свое значение.

В связи с этим является актуальным вопрос о том, как с повышением давления изменяются конкретные параметры рабочего процесса и какие резервы имеются для сохранения надежности и ресурса аксиально-поршневых гидромашин. Особенно сложно, как показывает практика, обеспечить необходимые параметры надежности и ресурса для насосов.

В докладе с использованием различных методов исследуются как вопросы изменения рабочего процесса аксиально-поршневых гидронасосов с повышением рабочего давления, так и возможные направления  по повышению их надежности и ресурса.

Важным методическим приемом, использованным авторами является сравнение рабочего процесса насоса с рабочим процессом мотора, а также сравнение рабочего процесса гидронасоса при низком давлении процессом при высоком давлении.

При исследованиях широко применяется моделирование, расчеты напряженно-деформированного состояния, анализ данных экспериментальных исследований.

В докладе отмечается важность учета в методиках проектирования гидромашин эффектов связанных с высоким уровнем давления.

Расчетный комплекс для проектирования гидроустройств, приводов, систем.

Отправлено 3 окт. 2009 г., 11:15 пользователем Anton Filippov   [ обновлено 18 окт. 2009 г., 2:07, автор: Site Admin ]


Разработан и успешно используется расчетный комплекс для проектирования гидроустройств, приводов, систем.
Система моделей комплекса основывается на конструкторской 3D -модели устройства. 3D-модель используется и непосредственно для подготовки производства и импортируется в программы гидродинамических и прочностных расчетов. Информация 3D-модели является базовой для разработки имитационных моделей устройств.
В связи с тем, что имитационная модель является наиболее универсальным, простым, оперативным, гибким и распространенным средством проектирования, в комплексе расчетных моделей она занимает центральное место по отношению к специальным моделям для гидродинамических и прочностных расчетов. Имитационное моделирование позволяет решить задачи управления, регулирования, кинематики и динамики гидравлических механизмов с единых методических позиций и составляет содержательное «ядро» расчетного комплекса.
Совокупность имитационных моделей составляет библиотеку расчетного комплекса машиностроительной гидравлики. Разработка этой библиотеки наиболее сложный и трудоемкий процесс в создании комплекса. Модели библиотеки разрабатываются параллельно с разработкой устройств, являются эксклюзивными, отражающими опыт работы проектной организации, и выполняются на научном уровне по результатам исследований, в том числе и выполненных на предприятии – пользователе  комплекса.
Все модели в библиотеке комплекса двух видов: экспериментальные и теоретические. 
Экспериментальные  построены на обобщении результатов экспериментов и используются как подмодели более крупных структур. Они обычно простые и быстродействующие. Теоретические модели подробно описывают «физику» процессов. Такие модели универсальны и используются для модельных экспериментов, как на уровне отдельных устройств, так и в крупных структурах.
Библиотека моделей делится на библиотеку моделей гидроустройств и библиотеку моделей гидромашин. К группе гидроустройств относятся все гидроаппараты, вспомогательные элементы, гидроарматура и т.п., то есть все устройства, на которых энергия преимущественно рассеивается. К гидромашинам относятся гидронасосы, моторы, цилиндры, аккумуляторы и другие  гидромеханические преобразователи.
Для систематизации имитационных моделей внутри группы гидромашин разработаны дополнительные пункты концепции; тоже предусмотрено для гидроустройств. Модели гидроприводов и систем формируются на основе моделей гидроустройств и гидромашин и составляют дополнительный раздел библиотеки.
Комплекс специальных расчетных методик строится на базе моделей комплекса. Назначение методик состоит в обработке и в обобщении результатов натурных и модельных экспериментов, и в частности результатов, полученных с помощью 3D-моделей, а также в выполнении нетиповых расчетов.

1-3 of 3