автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Динамические характеристики блока цилиндров аксиально-поршневых гидромашин

Одесский государственный политехнический университет

На правах рукописи

ЛЕ ВАН ХОК

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВЫХ 1ЭДР0МАШИН

Специальность 05.02.02 - Машиноведение

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Одесоа - 1996

Работа выполнена'В Одесском гооударотвеяном политехничеоко университете.

Диссертация является рукописью.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профеооор Дащенко Александр Федорович. Официалыше оппоненты - доктор технических наук,

профессор Белоконев Игорь Максимович. - кандидат технических наук, доцент Архангельский Георгия Владимирович.

Ведущая организация - Украинский институт краностроения.

Защита состоится 1996 г. в часо!

на заседании специализированного совета Д. 05. Об. 01. при Одесском государственной политехническом университете по адресу: 270044, Одесса, пр. Шевченко, 1.

С диссертацией ыояно ознакомиться в Сиблиотоке ОГПУ. Автореферат разослан "____"_____________ 1996 г.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью просим направить по указанному едреоу.

Ученый секретарь специализированного оовета, ^ И.Ы. Белоконев

доктор технических наук, профессор

ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы: ускорение научно-технического прогреса связано с созданием принципиально новых механизмов и конструкций пмэющих высокие техкпчоспю и экономические показатели.

Известно, что ;:з всех типов бесступенчатых приводов вращат-олтого типа наилучгою ?лассогабаритны0 показатели и динамические качества обеспечивает объемный гидропривод о аксиально-поршнев-¡л.ет гидромагикззк (АПГ). АПГ отличаются малыми габаритами, весом и моментом инерции вращающих частей. От; допускают форсирование по давлению, быстроходны и имеют высокий КПД, относительно простоту в регулировании.

Основной деталью АПГ является блок цилиндров. Конструирование основного олсмента АПГ состоит в нахождении размеров блока цилиндров (ЕЦ), прочность, жесткость и износостойкость которого з значительной степени определяют технические параметры гидрсма-нин. Существующие методы расчеты БЦ основываются на ряде допущений, которые в ряде случаев существенно упрощают как геометрию этой детали, так и характер действующих нагрузок. Один из персп-эктишшх мотодов расчета-метод конечных олемецтоз (МКЭ) - позво-гшет достаточно точно опроделить напрякенпо-деформированноэ сос-гогашо ГЦ. Однако из-за громоздкости область применения отого ютодп в настоящее время ограничена проверочными расчетами суие-;твугапих конструкций в статике. В действительности ВЦдопытывает цпсличосюто нагрузки, поэтому исследование динамика'БЦ при дин-)Мичос!шх нагрузках с целью повышения его технических показателей очень актуально.

{ельв работы является исследование возможности повышения■технических показателей АПГ па основании данных, полученных при ана-нзе реитма их работы при учете динамических нагрузок. |9тодц исследования! работа выполнена па основании теоротичео-их и экспериментальных исследований, включающих: метод динамиче-■них податливостой и динамических жесткостей В.Л. Бидермана для ■олучення спектра частот собственных колебаний ВЦ; определенно ависимости функции яесткости БЦ от его конструктивных парамот-ов; разработка возмоишх вариантов конструкций по величине ооф£:пдюнта динамичности при различных рекпмах работы АПГ. вучная новизнаг Предложены новая расчетная охпив п иатематачос-ая модель для определения частот еобствешшх колебаний БЦ. При том, щ АЛГ рассматривается кок упругая спстоыа под деЯстписи

циклических нагрузок. Получена аналитическая зависимость функции жесткости БЦ от его конструктивных параметров. Разработана методика анализа спектра чаотот собственных колебаний БЦ по методу динамических податливостей и динамических жесткостсП. Получены величшш коэффициента динамичности ЕЦ в зависимости от его конструктивных параметров при различных режимах работы АПГ, позволл-_ ющие:

-разработать по выбору варианта конструкций БЦ АПГ, обеспечивающим условию работы ЕЦ о ковффициентом динамичности меньпо определенных величин (К & 2) при всех режимах работы;

О .

-проводить'проектирование новых конструкций БЦ АПГ, отвечающих требованием прочности с учетом експлуатациошшх условий. Практическая ценность: Аналитически и расчетно подтверждены реальные режимы работы ЕЦ АПГ о учетом явления резонанса при некоторых значениях конструктивных параметров. Предложены возможные варианты конструкций. БЦ АПГ 223-25.при которых режим работы блока будет не резонансным с коэффициентом динамичности меньше 2. Публикации» по теме диссертации опубликовано 3 работы. Структура и объем работы: Дисоертацонная работа состоит из введения, 4 глав, .заключения, списка литературы.из 104 наименований. Работа изложена на 160 отраницях машинописного текста, содержит

114 страниц основного текста, 67 рисунков,' 11 таблиц. • •

КРАТКОЕ СОЖЕРЖАШЕ РАБОТЫ Введение. Рассмотрена актуальность проблеимы расчета прочности блока цилидров АПГ при динамических нагрузках. В первой глава отражены соотояния вопрооа конструкций БЦ АПГ, Указаны основные метода раочета прочности БЦ.

К блоку цилиндров как к детали, определяющей роботоспособ-нооть АПГ, предъявляется ряз важных конструктивных требований, предъявляемых в работах В.Н.Прокофьева, Т.М.Башты, А.В.Кулагина, А.В.Синева, Г.Ф.Бодрешевой, Р.М.Паоынкова, В.Хейля и других.

Наиболее извеотным методом расчета блока цилиндров является метод определения напряжения я деформаций для уоловной толстост-ной трубы, изображенный в работах В.Н. Прокофьева и А.В.Кулагина.

Другом методом раочета блока цилиндров на прочность является раочет прочности перемычки между цилиндрами.

Появление и быстрое развитие электронных вычислительных машин обусловливают вирокое применение численных методов теории

упругости при исследовании напряженно-деформированного состояния объектов слохной формы. Наиболее распространенным в настоящее время является метод конечных элементов (МКЭ).

Громоздкость получаемого решения, сложность его анализа, отсутствие аналитических зависимостей, позволяющих вести сравне-вло различных конструкций ЕЦ, является основными подостоками мэтода конечных элементов, а повтому данный метод можно рекомендовать только для проверочных прочностных расчетов.

Во всех выпе рассмотренных методах расчета не учитывался динамический характер действующих на блок цилиндров нагрузок. В действительности рабочие цилиндры нагружены пульсирующим давлением рабочей жидкости. Анализ структуры материала блока в зоне разломов свидетельствует об усталостном характере разрушений. Динамические нагрузки оказывают существенное влияние на усталостную прочность детали и во многом ее определяют. Поэтому расчет прочности и долговечности ЕЦ при их динамическом погружении представляет наибольЕий практический интерес, хотя до настоящего времени но выполнялся.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование динамики ЕЦ ЛПГ о целью повышения их технического уровня.

При достижошш данной задачи были решены следующие задачи:

- провооти анализ нагрузок, действующих на ЕЦ;

- разрпботать расчетные схемы и математическую модель ^ля определения частот' собственных колебаний ЕЦ!

- провести, анализ зависимости функции австкости ВЦ от его конструктивных параметров;

- определить спектр частот еобствейных колебаний блока в зависимости от его конструктивных параметров;

- определить аналитическую зависимость ковффнциента динамичности ЕЦ от его конструктивных параметров при различных режимах работ!

- на основании аналитических исследований дать рекомендации по возможным вариантам конструкций Щ;

- провести апробацию предложенной расчетной схемы на конкретной конструкции ЛПГ 223-25.

Во второй главе проводится анализ нагрузок, действующи на блок цилиндров ЛПГ.

В основу силового анализа узлов ЛПГ, вшолвеяого в работах К.В.Фролова, В.Н.Прокофьева, Т.Н.Байты , Л.В.Сжнева я других исследователей принимаются допущения, позволяющие не учитывать ряд

факторов, оказывающих незначительные влияния на действующие нагрузки. АПГ используютоя в гидрооиотемах, где инерционный и скор-оотгшй напор рабочей жидкости значительно меньше давления в нап-

а_

гя

Рио. 1. Зависимость изменения давления рабочей'кидкооти в цилиндре .АПГ: а) моторный ре*им работы: б) насосный режим работы'.

орно2 матаотрали, поетому давление во всей объеме цилиндра блока . принимается постоянным. По сравнению о изменением давления в цилиндрах давление в напорной магистрали принимается неизменными либо медленно изменяющий, в повтоыу рассматривается изменение давления только в цилиндрах.

Индикаторная диаграмма изменения давления рабочей ¡кидкости ..... 6

при моторной режиме работы АПГ представлена на рио.1.а и определяется следующим выражением:

р - р

-- - (ая + « - «.) ; О < « « в .

я* ♦ «j- в4 * 1

{ в, * в * «а

Р.+

Р

Р - Р

Р--( « - О

вэ- «а

Р +

Р - Р.

ая ♦ Oj-

( в - а.)

» «а * « * «а J «з * а * а4 . «4 * а * 2*

( 1 )

Для насосного режима работы индикаторная диаграмма изображена за рио.1.й в определяется выражением:

Р Р„

Ро +

Р - Рп

гя + а. - а.

(2Я - <*4 + а)} 0 £ а « а{

Р " Р«

( a - «а )

< 2 >

) af* а * at

t в,« в * в.

P . Р -

гп + «г «4

( в - «4 >

а4* в л 2*

да ра- давление во всасывающей (сливной) магистрали. ? - давление во нагнетательной (напорной) магаотрали. а( - углы поворота Щ, которые отсчитываются по направлешт ращения его от положения, в котором поршень рассматриваемого ишндра находится во внутренней мертвой точке, соответствующей тиыальиому объему рабочей кикооти в цилиндре.

Углы а|,аэ- соответствуют моменту соединения цилиндра о поло-гей распределителя;

аа'"*~ моментУ оюпления цилиндра от полостей распределителя. >ронт изменения давления индикаторной диаграммы АПГ о нулевым >рекрытием распределителя имеет длительности фаз прохождения ^делительной перемычки соответствующую углу поворота блока ши-

индров примерно ва Поэтому даже для такой конструкции распределительного устройства форма индикаторной диаграммы мокет приниматься прямоугольной формой.

Третья глава посвящена выбору расчетной схемы; формирована математической модели! анализу зависимости функции жесткости БЦ от его конструктивных параметров: алгоритму я программе расчета спектра чаотот собственных колебаний БЦ АПГ.

Рассматривается елемент блока, срезанный двумя осевыми сеченями по центрам оооедних отверотий и центру блока (рио.2.а). Внешние связи втого елемента моделируются системой пружин и демпфера, что представлено на дао.2.б. Расчетная схема разделяется на две подсистемы (рио.2.в), уравнения которых описываются по принципам Осгроградского - Гамильтона и Лагранха н имеет следующий ВИД!

кг +'„ аУ(М>. о

вг4 0 вга (3)

йау<М> йу(х.*)

т -— + К - + 0 у(2,г) - о.

<иа 0 <и

где: Е-модуль упругости материала, «Мшерционный момент сечения балки-подооы.

Хесткооть С определяется путем замены' площади поперечного сечения балки-полосы равновеликим прямоугольником со сороной а, равной длине средней линии сечения балки-полосы:

• С = В 3 В аа / 24 Ьэ. (4)

где 4 - количество цилиндров, находящихся под давлением; Е - модуль упругости материала: Б - площадь поперечного сечения балки-полосы; Ь - длина цилиндра.

Параметр в определяется по выражению:

а = ( I® + дг0 - 1р, ) (5)

Площадь поперечнного сечения определяется выражением:

Б = (2Ла- 9г )+ (га - га)ахч^-^! ~ г1г() . (6)

о

где й-радиуо наружной стенки: г0-радиус расположения центров цилиндров: г1~радиуо цилиндра.

Поставив выражений (3.13) и (3.14) в (3.12) и выразив г^' го, I через безразмерные величины, получим:

с-^амх)

а • Разрвш блока цилиндров» а.1 Поперечный; а.2 Продольный.

ь.в.а

б . Расчетная схема при определения частот собственных колебаний 61лока цилиндров АПГ.

Ь.К.л

ХоовыМ

|Хоов Ш Го

|Хос

Утг

в. Схеиа подсистсы

Рис.2 К выбору расчетной схемы 9

К R

g- <* + fbp-lbj )a [(2 - + ( ъа0 - bj)

24i ~a

arotgT'- bfbo. (7)

о

Т Г т • ...

где Ъ0* и^с Ь1И1ГВ ^а" ТГ~ безразмерные вэличила

коаогруктквнщ: параметров. , . ,

Раочетше результаты зависимости функции жесткости БЦ С

. . . 'ОМ

вависимоотк о? его конструктивных параметров Ь0, , ьа з е^,^-графикоз представлены на еюс.З»

Частоты еоботвеннш: колебаний БЦ определены методом динамически: нодатливостей кдш динамических жеоткостей.

Условием совместности деформаций для линейной оистемы является следующее выражение:

' I ' • •

ХВ,П(В) +ХВ,81(И) «О , (8)

Где и - ДЕгаамичеокие податливости первой и втор*

ой подсиотем.

При втом частотное уравнение оиотемы имеет вид:

в(1,(а) + В<а)(и) » О . (9)

Исходя из уравнений (3) и _(9) получено выражение, апределяпцее зависимость величин чаотот собственных колебаний Щ от его жеот-кости ж конотруктизнык параметров.

> С С''

(с -ВШИ] 4 [(т - В В ti X* ) -5- -S- п ку]х

то

Ь3 ohl elnl - ahX оовХ и0 , КЯ® 1 + Ohl сов!

где В ■ m / mQ , n « J / Ь* - конструктивные параметры Щ

/ЖГУ? .

Ш в0 ja - чаототв| X-безразмерный коэффициент.

Спектр чаотот ооботвенних колебаний Щ в зависимости от его

жосткости ж конструктивных параметров определен по формуле (10).

> четвергов глава пркводится анализ аависиыостя величин коефф-жцлвята динамичности БЦ от его жесткое т* в конструктивных парам-

Fko.3 '«аоткооть блока цилиндрob АПГ 223-25 о равчатныии млмчннаиа .Ь2:1--2 - 0.75; 3 - 1,0; 4 -Â.S

етров при различных режимах работы. Коэффициент динамичном упругой системы при колебаниях определяется выражением:

К< =

1

1--8-!

(1С

О'

где и - величина чостоты собственных колебаний; 0 - величии частоты действующих нагрузок на упругую систему.

Аксиально-поршневая гидромашина 223-25 имеет три рс*шга }■» боты о числами оборотов 750, 1000 и 1500 об/мин. Величшш част отн действующих на блок цилиндров нагрузок равны частотам комму тационных колебаний 10ц. Поэтому величшш £) соответственно рав ны: Я4= 549.50; 0а= 732.67; 03= 1099.00 Рад/с.

На основании результатов частот собственных колебаний о бит определены величины коеффициента динамичности БЦ АПГ 223-25 зависимости от его жесткости и конструктивных параметров пр различных режимах работы. Полученные результаты представлены виде графиков на рис.4, соответствуете им возможные вариант конструкций БЦ представлены в табл.1.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В процессе выполнения представленной работы получены следу ицие результаты и выводы:

1. Выбрана методики силового анализа механизмов АПГ, учиты ващая циклические нагрузки при работе БЦ АПГ.

2. Разработана расчетная схема.для определения частот со бственных колебаний БЦ, в которой БЦ АПГ рассматривается ка] упругая система под действием циклических нагрузок:

3. Разработана и реализована математическая модель, описы вапцая колебательное движение БЦ АПГ по методу Остроградского-Гамильтона.

4. Получена зависимость функции жесткости Щ АПГ от его конструктивных параметров. Разработанный алгоритм и его программна! реализация позволяет оценить влияние соотношений между основным] размерами БЦ на величину его жеоткости.

5. Разработана методика определения спектра частот собственных колебаний Щ АПГ: Разработанная программа на ЭВМ позволяв1! вычислить величину частоты собственных колебаний Щ в зависимости от его конструктивных параметров.

2 П = U.ÜSQOQ И = 732.69 <раа./с.)

Рмо.4 Коэффициент динамичности блока циииндров ЙПГ 223-25 О расчетными миичинжни В i : 1 - 0.5; 2-1; 3-2; 4-3; 5-4

Табл.1

Возможные варианты кзнотрукций Щ АПГ 223-25 при числе оборотов вала 1000 об/мин ( 0 = 732.69 рад/с )

Р = 0,100; В = 1.00

Вар. ьо ь, ь2

1 2 3 4

0.30 - 0.90 0.1 1.00 - 1.50

о.зо - 0.42 0.2 0.75 - 1.00

1 о.зо - 0.90 1.00 - 1.50

» о.зо - 0.90 0.30 0.75 - 1.75

0.30 -■ 0.90 0.40 0.50 - 1.50

0.30 0.10 0.80 - 1.50

2 0.20 0.70 - 1.50

о.зо 0.55 - 1.50

0.40 0.50 - 1.50

0.50 0.10 0.07 - 1.50

3 0.20 . 0.78 - 1.50

о.зо ' 0.62 - 1.50

. 0.40 • 0.50 - 1.50 '

0.70 0.10 . 0.92 - 1.50

4 г ^ .. 0.20 0.82 - 1,50

0.30 0.68 - 1.50

0.40 0.50 - 1.50

6. Получены величины коэффициента динамичности Щ в зависимости от его конструктивных параметров при различных ракшах работы АПГ. Полученные результаты показывают, что. рогам работа БЦ цокот быть резонаноным .при некоторых значениях конструктивных, параметров.

7. Приводятся рекомендации по возмокаи вариантой конструкций Щ АПГ, обеспочивовдие условию работы БЦ о коо-Мициентом диншичиоотя мопьшэ 2 щы всех рекимах работы АПГ.

Данная работа служит проектированию оптимальных геометрических паршотрсв Щ АПГ, в текзеэ объективно оценить « рационально

14

изменить существующие конструкции с целью повышения их технологического уровня.

Основные результаты работы отрзгекы в работах:

1. Дщенка А.Ф., Л в Ван Хек, Ле Хонг Банг. Применение метода ке-посродстпешюго составления частотного уравнения для определения собственных частот изгибных колебаний вала аксиально-пориневих гадромашн (АПГ). -Одес. Гос. политехи, ун-т. -Одесса, 1994. -20 с. Еиблиогр: 11 назв. Рус. Деп. в ГНТБ Украины. 10. 05. 1995, № 1013 - Ук 95.

2. Дащенко А.О., Ле Ван Хок. Ле Хонг Банг. Определение собственныхчастот колебаний блока цилиндров гидронасоса с учетом влияния упругих связей и вязкого третя демпферов. -Одес. Гос. политехи, ун-т. -Одесса, 1995. -21 с. Еиблиогр: 6 назв. Рус. Деп. в ГНТБ Украины. 10. 05. 1995, № 1014 - Ук 95.

3. Дащонко Л.О., Ле Ван Хок. Анализ напряженно-деформированного состояния блока цилиндров аксиально-поршневых гидромашин (АПГ). -Одес. Гос. политехи, ун-т. -Одесса; 1995. -12 с. Библиогр: 4 назв. Рус. Деп. в ГНТБ Украины. 01. 12. 1995, № 2569 - Ук 95.

АННОТАЦИЯ

Ле Ван Хок. Динамические, характеристики блока цилиндров аксиально-порвневых гидромашин. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 02. 02 -Машиноведение. Одесский государственный политехнический университет. Одесса - 1996. Защищается научная работа, которая содержит теоретические исследования динамики блока цилиндров аксиально-торшевых гидромапин при динамических нагрузках. В работе разра-Зотаны расчетная схема а математическая модель, при помощи которых определен спектр част«? собственных колебаний блока цилиндров ; усовершенствованы существующие методики; программно реализо-зан алгоритм для расчета козЗДициздта динамичности блока цилиндров в зависимости от его жесткости и конструктивных параметров; гредложены рекомендации по возможным вариантам конструкций блока далиндров, отвечающих требованием прочности при эксплуатационных 'словиях.

АН0ТАЦ1Я

Ле Вая Хок. Динам1чн1 характеристик! блоку ц1л!ндр1в акс1-льно-перкневих г1дромашин. Дисертац1я на спошукання вченого

■Г 5

ступени кандидата техн1чних наук за спец!альн1стьь 05.02.02-Маш-. инознавотво. Одеський дераавний пол1техн1чний университет. Одеса-1996. Захищается наукова робота, яка н1ситить теоретичн1 досл1дж-ення динам!к1 блоку ц1л1ндр1в акс1ально-поршневих г1дромашин при динам!чному навантаженн!. В робот1 розроблен1 розрахункова схема та математична модель з допомочою яких визначен спектр частот власних каливаннь блоку ц1л1ндр!в, удосконален1 1снуюч1 метод!ки, розроолен та програмно.реал1зован алгор1тм розрахунку коеф1ц1вту донам!чност1блоку ц1л1ндр1в в залежност1 в1д ioro жорсткост! та конструктиних параметр1в, запропанован1 рекомендацИ що до можл-ивих вар1ант1в конструкц1й блоку ц1л1нлр1в, як1 в1дпов1дають ви-мочам м1цност1 при експлуатац1йних вимочах.

ANNOTATION

Le Van Ноо. Dynamical oharaoterlstioa of axial-pieton hydro-machine's cylinder blooks.The dissertation thesis for candidate's degree of teohnioal soienoe in epeoiality 05.02.02. - liaohinery. Odessa State Polyteohnio University. Odeesa-1996. The work being defended has researched the dynamiqs of the Axial- piston hydro-machine's cylinder blocks under the dynamioal loads. A oaloulat-ing soheme and mathematical model have been made, by which the frequency's range of cylinder blook proper vibrations oan be determined, the existing methods oan be perfected. The algorithm for computing the dynamioal ooeffioienta of the oylinder blooks has been realized aooordingly to their hardness and atruoture'e paramoters, and possible variants of oylinder blook'a atruotures complying the requirements of the strength and durability under operating oondltions have been suggeated.

Подписана к печати U7.U0.wy0. «ормат Wxbvito. Ьумага газетная. Писать офсетнал. 0,93 усл.печ.л., 1,0 уч.ивд.л. Тира* 100 ока. ¿аказ *//<?

Одесский государственный политехнический университет. 270044,Одесса,пр.Шевченко,!.

/о