автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Повышение эффективности гидравлических следящих приводов испытательного оборудования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ "КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ" ЗАПОРОЖСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

72 11/11

На правах рукописи

СКЛЯРЕВСКИЙ Александр Николаевич

УДК 62-82.001

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.02.03 - Системы приводов

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант Струтинский Василий Борисович, доктор технических наук, профессор

Президиум ВАК России ,

(решение от " " РУ 19О&ЩЩЯ&ъ-%<А

/лехр. ___________

решил выдать диплом

На'

наук

шк управления ВАК России

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ................................. 5

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 7

РАЗДЕЛ 1. ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОПРИВОДА В ИСПЫТАТЕЛЬНОМ ОБОРУДОВАНИИ И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ЕГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЁТА...... 15

1.1. Основные сведения о гидроприводах испытательных машин для механического нагружения.......................... 15

1.2. Принципы построения математической модели гидропривода...................................................................... 19

1.3. Основные методики расчетов динамических процессов в гидроприводе......................................................... 44

1.4. Выводы и результаты................................................ 51

РАЗДЕЛ 2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ КЛАССИФИКАЦИИ

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ (ЭГСП), МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ИХ ХАРАКТЕРИСТИК............................ 53

2.1. Некоторые уточнения математической модели гидропривода......................................................................... 54

2.2. Разработка структурной схемы классификации ЭГСП................................................................. 63

2.3. Математическая модель электрогидравлического усилителя (ЭГУ)..................................................................... 69

2.4. Математическая модель ЭГСП..................................... 83

2.5. Анализ влияния вида обратной связи и способа управления гидроцилиндром на характеристики привода.................... 99

2.6. Скоростная характеристика ЭГСП................................. 128

2.7. Выводы и результаты................................................ 140

РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭГСП С ДЛИННЫМИ

СОЕДИНИТЕЛЬНЫМИ ТРУБОПРОВОДАМИ............. 144

3.1. Моделирование динамических процессов на участке гидропривода ЭТУ - канал - управляемая ёмкость с переменной температурой рабочей жидкости........................... 145

3.2. Методика исследований и анализ результатов.................. 153

3.3. Математическая модель силового ЭГСП с длинным соединительным трубопроводом и методика расчетов динамических процессов.................................................. 170

3.4. Динамические процессы в позиционном ЭГСП с длинными трубопроводами...................................................... 188

3.5. Выводы и результаты................................................. 204

РАЗДЕЛ 4. СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ В ГИДРОПРИВОДАХ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ МАШИН............... 207

4.1. Структурное построение и математическая модель ЭГСП с клапаном разности давлений (КППД)......................... 207

4.2. Динамические и энергетические показатели ЭГСП с КППД.................................................................... 213

4.3. Гидропульсаторный привод........................................ 221

4.3.1. Особенности применения дифференциального гидроцилиндра..................................................... 223

4.3.2. Моделирование динамических процессов в приводе................................................................ 229

4.4. Моделирование и особенности расчёта динамических процессов в гидравлической системе нагружения испытательной машины............................................................ 243

4.5. Выводы и результаты................................................. 252

РАЗДЕЛ 5. СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ (ЭГСУ) ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

ДЛЯ ОСЕСИММЕТРИЧНОГО НАГРУЖЕНИЯ........... 255

5.1. Синтез силовой цепи ЭГСУ.......................................... 256

5.2. Исследования смещения оси испытуемого диска и синтез системы стабилизации............................................... 269

5.3. Исследование и практическая реализация системы стабилизации ЭГСУ............................................................ 281

5.4. Выводы и результаты................................................. 294

ВЫВОДЫ............................................................................. 295

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................... 300

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................... 322

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Параметры состояния рабочей жидкости Р - давление;

р - безразмерное давление; С> - расход;

q - безразмерный расход;

V - скорость;

и - безразмерная скорость; р - плотность жидкости;

V - коэффициент кинематической вязкости; Е - модуль объемной упругости жидкости; Сж - скорость звука в жидкости;

(л - коэффициент расхода.

Геометрические параметры

X - перемещение;

л; - безразмерное перемещение;

Б- площадь сечения;

(р - безразмерная площадь;

с1 - диаметр элемента канала;

г - радиус окна (канала);

I - длина элемента;

- объем камеры; А - начальное перекрытие окна; Н - открытие (перекрытие) окна; Ь - безразмерное открытие (перекрытие) окна.

Общие обозначения

Мкр - крутящий момент; G - сила;

С - жесткость, емкость;

М - приведенная масса элемента;

t - текущее время;

г- безразмерное время;

Т - постоянная времени;

s - оператор Лапласа;

W(s) - передаточная функция;

К - коэффициент усиления;

к - безразмерный коэффициент;

F* - функциональная зависимость;

*

Н - коэффициент вязкого демпфирования; f- частота.

Принятые сокращения

ЭГСП - электрогидравлический следящий привод; ЭГУ - электрогидравлический усилитель мощности; ЭМП - электромеханический преобразователь; ИМ - исполнительный механизм (гидроцилиндр); АФЧХ - амплитудно-фазовая частотная характеристика; УЭ — усилитель электронный.

ВВЕДЕНИЕ

вы-

Создание современной машиностроительной продукции, отвечающей соким требованиям по надежности, долговечности и конкурентоспособности, невозможно без применения методов механических испытаний материалов, натурных деталей и узлов производимого изделия. Это вызывает необходимость разработки нового (как универсального, так и специального) и совершенствование существующего испытательного оборудования для механического на-гружения.

В связи с большим количеством видов механических испытаний существует обширный класс испытательного оборудования, который имеет различный принцип работы. Наибольшее применение нашли испытательные машины, в которых в качестве силовой (нагрузочной) системы применяется гидравлический следящий привод. Такие приводы позволяют воспроизводить различные

виды нагрузок в широком диапазоне значений, в том числе с управлением от ЭВМ.

Развитие методов механических испытаний, в частности испытаний при динамических нагружениях с учетом тепловой нагрузки, определяет необходимость исследований процессов, происходящих в гидроприводе испытательной машины, работающим в таком режиме.

Современное развитие испытательной техники характеризуется созданием сложных испытательных комплексов для нагружения натурных деталей или конечного изделия. При этом возникают ряд проблем, связанных с построением рациональной схемы гидропривода такого комплекса, обеспечением необходимых динамических показателей, методами расчета статических и динамических характеристик. Данные испытательные комплексы, как правило, содержат длинные соединительные трубопроводы. Создание методов расчета и исследование таких гидроприводов является важной задачей, решение которой во многом определяет качество испытательного оборудования.

В современных условиях при разработке гидроприводов различного обо-

рудования, работающего в длительном режиме, в том числе приводов испытательных машин, уделяется большое внимание вопросам снижения эксплуатационных затрат. При этом необходимо отметить также и важность снижения стоимости самого гидропривода, впрямую зависящей от его структурной схемы.

Определяющее значение при разработке гидроприводов имеет математическое моделирование его динамических характеристик и совершенствование методик их расчета. Это позволяет обеспечить заданные динамические показатели, которые необходимы для нормального функционирования гидропривода, также и с экономической точки зрения, сокращая производственные затраты на этапе разработки.

Актуальность темы. Увеличение и совершенствование испытательной базы, расширение её возможностей является весьма важным для промышленности Украины, имеющей значительный потенциал машиностроительного комплекса, качество продукции которого непосредственно связано с механическими испытаниями материалов и деталей. Поэтому разработка и модернизация гидроприводов, работающих в системах испытательного оборудования, повышение их эффективности является важной народнохозяйственной проблемой.

В этих условиях становится актуальной задача создания научных положений и методологического обеспечения по совершенствованию методов математического моделирования и расчета, протекающих в гидроприводе процессов, рациональному построению структуры гидроприводов испытательного оборудования, снижению эксплуатационных энергетических затрат.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Данная работа выполнялась в рамках научно-исследовательской темы "Розробка нау-кових основ статистично'1 динамки та метод1в математичного моделювання стохастичних динам!чних процеав металор1зальних верстат1в" (код КВНТД 1.2.11.03.01 № гос. регистрации 010Ш002282), а также хоздоговорной темы "Разработка и исследование электрогидравлической системы управления стендом для малоцикловых испытаний дисков" (ЗПО "Моторостроитель"), которая

входила в республиканский план важнейших НИР в области естественных и общественных наук (задание 1.11.19. Постановление президиума АН УССР №451 от 29.12.86.)

Автор диссертации принимал непосредственное участие в выполнении первой НИР как исполнитель, второй - научный руководитель.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности гидроприводов испытательных машин, разработка комплекса математических моделей и программ по их расчету и анализу динамических процессов. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

- уточнение принципов построения математической модели гидравлического следящего привода;

- разработка научных положений по классификации гидроприводов;

- разработка математических моделей и методик расчетов гидроприводов различных типов с оценкой их адекватности;

- моделирование нестационарных процессов в длинных соединительных трубопроводах, в том числе с учетом неравномерности температуры жидкости по тракту гидроканала;

- повышение экономичности гидропривода и улучшение его динамических показателей.

Объектом исследований является гидравлический следящий привод, предназначенный для использования в системе испытательной машины для механического нагружения.

Предметом исследований является научные и методологические положения по моделированию динамических процессов в гидроприводах, выбору рациональных схем, повышению их эффективности.

Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы, включающие в себя методы математического моделирования динамических процессов в гидроприводах с определением их статических и динамических характеристик, уточнением ко-

эффициентов уравнений и проверкой адекватности разработанных математических моделей на физических моделях и натурных объектах; методы численного решения систем дифференциальных уравнений на ЭВМ, в том числе методы характеристик и половинного деления для решения уравнений в частных производных; метод определения частотных характеристик гидропривода по результатам расчета переходного процесса в нем, а также общие методы синтеза механизмов.

Научная новизна результатов.

Впервые разработана схема структурной классификации гидравлических следящих приводов и научные положения выделения трех классов гидроприводов по соотношению расходов жидкости, реализуемых на перемещение выходного звена и её сжимаемость.

Предложен комплекс уточнений математической модели гидропривода и разработана усовершенствованная нелинейная математическая модель электрогидравлического следящего привода (ЭГСП).

Получены результаты по оценке эффективности применения в гидравлическом следящем приводе положительной обратной связи на основе эталонной модели.

Предложена и исследована усовершенствованная схема гидравлического следящего привода с клапаном постоянного перепада давлений, обеспечивающая повышение экономичности гидропривода.

Впервые разработана нелинейная математическая модель гидравлического следящего привода с длинными трубопроводами и получены результаты по оценке влияния волновых процессов на его динамику.

Впервые разработаны научные положения по моделированию и расчету нестационарных процессов в длинном трубопроводе при переменной по тракту температуре жидкости.

Впервые разработана полная нелинейная модель силового контура испытательной машины с двухчастотным нагружением, реализованная на основе гидропульсаторного привода.

и

Впервые разработаны научные положения и методологические подходы по синтезу гидравлического следящего привода для осесимметричного нагру-жения дисковых деталей вращения.

Практическое значение полученных результатов.

Разработаны программы и методики расчетов динамических характеристик ряда гидроприводов испытательного оборудования, в том числе гидроприводов с длинными соединительными трубопроводами.

Разработаны методики расчета нестационарных процессов в длинном гидроканале с переменной температурой жидкости.

Усовершенствована методика расчёта скоростной характеристики гидравлического следящего привода

Предложена новая конструкция гидроцилиндра и определены возможности его применения в гидравлическом следящем приводе.

Разработана методика синтеза гидравлического следящего привода для осесимметричного нагружения деталей вращения, на основе которой создан и внедрён в производство специальный стенд по испытанию дисков газотурбинных двигателей.

Личный вклад соискателя.

Все основные теоретические и экспериментальные результаты исследований получены автором лично, среди них:

- разработка принципов и методов по уточнению математической модели объемного гидропривода, математического моделирования и расчета динамических процессов в гидравлических следящих приводах испытательного оборудования на основе учета их особенностей, режимов и условий эксплуатации;

- обоснование разделения гидравлических следящих приводов на три класса по относительной величине перемещения выходного звена с получением структурной схемы классификации;

- решения по повышению экономичности эксплуатации гидравлического следящего привода на основе применения клапана постоянной разности давлений;

- оценка эффективности наличия в высоконагруженном гидравлическом следящем приводе с малыми перемещениями выходного звена дополнительной обратной связи на основе эталонной модели и применения разных типов гидроцилиндров и способов их управления;

- разработка комплекса подходов и методик по моделированию и расчету в распределенных параметрах нестационарных процессов в электрогидравлических следящих приводах с длинными соединительными трубопроводами;

- разработка положений и рекомендаций по рациональному построению структуры, моделированию и расчету гидропульсаторного привода испытательной машины с двухчастотным нагружением объекта;

- синтез электрогидравлической следящей системы испытательного комплекса для реализации нагружения дисков газотурбинных двигателей, которое соответствует эксплуатационной частоте вращения; получение аналитических зависимостей статического равновесия испытуемой детали и условий ее динамической стабилизации.

В публикациях по теме диссертации, выполненных с соавторами, личный вклад соискателя состоит из следующих положений:

разработаны основы и принципы построения математических моделей гидравлического следящего привода и его элементов и методики расчётов динамических процессов [130, 153]; предложена полная нелинейная математическая модель гидравлической следящей системы нагружения испытательной машины и методика расчёта её динамики [144]; разработаны математические модели и методики расчётов силового и позиционного электрогидравлических следящих приводов с учётом нестационарного движения рабочей жидкости в длинных соединительных трубопроводах в распределённых параметрах, получены результаты экспериментальных и теоретических исследований [178, 179, 180]; предложена математическая модель и методика расчетов нестационарных процессов в трубопроводе с переменной температурой рабочей жидкости и разработана экспериментальная установка для исследования этих процессов, выполнена теоретическая и экспериментальная оценка влияния различных зако-

нов