автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Расчет и рекомендации к проектированию гидростатодинамических опор поршневых элементов энергонапряженных аксиально-поршневых насосов

ВВВДЕНИЕ.

1. К ИССЛЕДОВАНИЮ РАБОТЫ ОПОР ТРЕНИЯ ПОРШНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРТОНШРЯЖЕННЫХ АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВЫХ ГВДРОНА-СОСОВ.

1.1. Анализ основных конструктивных решений разгрузки опоры трения поршневого элемента аксиально-поршневого насоса. Обоснование выбора объекта исследования - базовой конструкции

1.2. Обзор существующих методов расчета гидростати- 16 ческих опор трения

1.3. Методы решения нестационарных задач смазки

1.4. Основные методы экспериментального определения быстроменяющихся давлений и толщины смазочной пленки.•.

1.5. Выводы.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ГВДРОСТАТОДШАЖЕСКОй ОПОРЫ ТРЕНИЯ ПОРШНЕВОГО ЭЛЕМЕНТА.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Уравнения движения.

2.3. Уравнение Рейнольдса для гидростатодинамической опоры трения.

2.4. Определение граничных условий для составляющих скорости жидкости в рабочем зазоре опоры

2.5. Толщина смазочного слоя в опоре

2.6. Определение граничных условий по давлению

2.7. Решение нестационарного уравнения Рейнольдса

2.8. Определение сил и моментов, действующих на опору со стороны смазочной пленки.

2.9. Решение уравнений движения.

2.10.Результаты решения задачи.

2.11.Вывод ы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ОПОРЫ ТРЕНИЯ ПОРШНЕВОГО ЭЛЕМЕНТА. 3.1. Обоснование постановки эксперимента.

3.2. Описание экспериментальной установки

3.3. Измерение толщины смазочной пленки в рабочем зазоре опоры трения

3.4. Градуировка емкостного датчика.

3.5. Измерение давления.

3.6. Оценка динамической погрешности, вносимой соединительными каналами.

3.7. Градуировка тракта измерения давления

3.8. Регистрирующая аппаратура.

3.9. Оценка погрешностей измерения исследуемых параметров

3.10.Результаты экспериментального исследования и сравнение их с расчетом.*

3. II.Выводы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПОРЫ ТРЕНИЯ

4.1. Выбор исследуемых параметров и диапазонов их изменения.

4.2. Влияние вязкости рабочей жидкости

4.3. Влияние давления в нагнетающей полости насоса.

4.4. Влияние частоты вращения и производительности качающего узла.

4.5. Влияние радиуса подводящей полости

4.6. Влияние протяженности дросселирующего зазора в поршневой паре

4.7. Влияние радиального зазора в поршневой паре

4.8. Выводы.

ЗАКШ0ЧЕНИЕ.

Основным направлением развития гидросистем является снижение их материалоемкости, веса и габаритов при одновременном увеличении долговечности и надежности. Как следствие, возрастает энергонапряженность гидросистем - повышается рабочее давление и растут частоты вращения качающих узлов гидронасосов. В настоящее время наибольшее распространение в энергонапряженных гидросистемах получили аксиально-поршневые насосы, которые обеспечивают при малых габаритах большие энергопотоки рабочей жидкости. С ростом энергонапряженности насосов увеличиваются как статические так и динамические нагрузки на все его элементы. В этих условиях для увеличения долговечности насоса необходимо стремиться обеспечить жидкостный режим трения во всех парах скольжения.

Однишиз наиболее нагруженных деталей качающего узла энергонапряженного аксиально-поршневого насоса, которые определяют его долговечность, являются опоры трения поршневых элементов (башмаки), которые скользят по беговой дорожке наклонной шайбы. Эти детали работают в условиях быстропеременных силовых воздействий и скоростей. Существующие методики расчета, учитывающие лишь статические характеристики смазочных пленок, не позволяют проектировать опоры трения поршневых элементов, надежно работающие при повышенных частотах вращения качающих узлов насосов. Это связано с тем, что при достижении некоторого уровня частот вращения, силы, зависящие от нестационарности процессов в смазочных пленках опор трения, возрастают до таких величин, что их нельзя не учитывать при расчете конструктивных параметров соответствующих элементов. Высокие требования к к.п.д. современных гидронасосов привели к ограничению расходов рабочей жидкости на смазку опор трения, тем более, что в гидросистемах с повышенным давлением в напорной магистрали даже сравнительно малые расходы на смазку опор приводят к значительному снижению к.п.д. насоса. Особенно актуально требование уменьшения утечек рабочей жидкости в насосах малых типоразмеров. Это привело к тому,, что в настоящее время в насосах малых типоразмеров применяется в основном частичная гидростатическая разгрузка опор трения, которая обеспечивает малые расходы рабочей жидкости на этот элемент, но приводит к тому, что в опоре преобладает смешанный режим трения. Смешанный режим трения приводит к повышенному износу рабочей поверхности опоры и, как следствие, к снижению ресурса насоса. Частичная гидростатическая разгрузка опор трения поршневых элементов применяется в связи с тем, что отсутствуют надежно работающие дросселирующие элементы на малые расходы.

Настоятельная потребность в увеличении ресурса энергонапряженных гидронасосов привела к необходимости более детального исследования процессов, происходящих в смазочной пленке опор трения поршневых элементов. Целыо такого исследования является создание методики расчета опор трения, работающих в режиме жидкостного трения при умеренных расходах рабочей жидкости на разгрузку этого элемента и, в конечном итоге, увеличение ресурса энергонапряженных гидронасосов.

В последнее время появилась конструкция поршневого элемента, обеспечивающего надежную работу дросселя при малых расходах рабочей жидкости, но отсутствие методики расчета не позволяет использовать ее в высокооборотных гидронасосах, где не допустимо пренебрежение гидродинамическими эффектами в смазочной пленке. Учет нестационарности процессов в смазочной пленке опоры трения позволит создать более точную математическую модель, которая даст возможность разрабатывать работоспособные опоры трения для высокооборотных гидронасосов.

Настоящая работа посвящена разработке методики расчета опор трения поршневых элементов высокооборотных энергонапряженных аксиально-поршневых гидронасосов, обеспечивающей надежную работу качающего узла при допустимых потерях рабочей жидкости.

В первой главе дан краткий обзор методов теоретического и экспериментального исследования гидростатических и гидродинамических опор трения.

Вторая глава посвящена разработке математической модели ги-дростатодинамической опоры, работающей в условиях нестационарного нагружения.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования гидростатодинамической опоры, подтвердившие правильность теоретического решения задачи.

В четвертой главе изложен анализ влияния различных параметров на основные характеристики гидростатодинамической опоры трения.

Научная новизна работы:

- создана математическая модель гидростатодинамической опоры трения энергонапряженного аксиально-поршневого насоса;

- получено решение уравнения Рейнольдса с переменными граничными условиями по давлению совместно с уравнениями движения опоры в нестационарной постановке;

- разработаны метод и аппаратура, с помощью которых измерены нестационарные, достигающие весьма малых величин, толщины смазочных пленок;

- разработана методика определения основных характеристик гидростатодинамической опоры трения. Практическая ценность исследования заключается в разработке метода расчета опор трения поршневых элементов энергонапряженных аксиально-поршневых гидронасосов малых типоразмеров, и рекомендаций по их проектированию.

Использование результатов работы на ХШ им.Ф.Э.Дзержинского при создании усовершенствованных опор позволило получить значительный экономический эффект.

I. К ИССВДОВАНИЮ РАБОТЫ ОПОР ТРЕШШ ПОРПЕЕБЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГОНАПРЖЕШЫХ МСШШО-ПОРШНЕВЫХ ГИДРОНАСОСОВ

1. Патент ФРГ Ш 2325242 от 18.05.73. Устройство для питания гидростатической опоры поршня объемной гидромашины. Фирма Wepuko -Hydzau^lk.

2. Башта Т.М. и др. Объемные гидравличес1ше машины. - М.: Машиностроение, 1969. - 628 с. 3 . Проектирование гидростатических подшипников. Под редакцией Гарри Рпппела. - М.: Машиностроение, 1967. - 136 с.

4. Богданов О.И., Кудрявцев Г.П. К расчету кольцевых гидростатических подшипников. -Вестник машиностроения, 1965, А?I,с.7-12.

5. Кулагин А.В. и др. Основы теории и конструирования объемныхгидропередач. - М.: Высшая школа, 1968. - 606 с.

7. Safat jLeinaB S, Ibesl^n of tlCed -fiadzostatic tAn.ustBeazln^s „ Шесьг '\ mi, 70, л/2,p.2^3 -248.

8. Прокофьев В.Н. О динаглике гидростатического подшштника.Вестник машиностроения, 1967, 1^ 5, с. 16-19.

9. Прокофьев В.Н. и др. АЕСсиально-поршневой регулируемый привод. - М.: Машиностроение, 1969. - 466 с.

12. Р1нгерт Г.Х., Лурье Б.Г. Диналшческие характерноTIIKH гидростатических опор. - Сташш и инструмент, 1972, !& 9, с .5-7.

13. Петров Н.П. Гидравлическая теория смазки. - М.: ИздательствоАН СССР, 1948. - 241 с.

14. ЖохоБСкий М.К. Теория и расчет приборов с неуплотненныг;^ поршнем. - М.: Госстатиздат, 1966. - 303 с.

15. Никитин Г.А., РШатов A.M. Утечки через щелевые уплотнениямалой длины. - сб.: Гидропривод и гидропневноавтоматика. Киев: Те}шика, -1970, вып. 6, с.81-86.

16. Каринпев Р1.Б. О турбулентном течении жидг^ости в кольцевыхщелях с учетом потерь давления на входном участке. - В сб. : Гидравлические машшы. Штв: Вища ппсола, 1979, вып. 13, с.19-24.

17. Лойцянский Л.Г. Механика лшдкости и газа. - М.: - Наука,1978. - 847 с.

18. IIlH6ejn> Р. Скользящие опоры. - М.: ОНШ, 1936. - 96 с.

19. Ханович М.Г. Опоры лшдкостного трения и комбинированные.М.: Ыашгжз, I960. - 432 с.

20. Полтавский Ю.Д., Федько В.В., Куценко Л.М., Савин Л.сЕч Epmieнение обобщенной интерполящш в методе конечных элементов при расчете подшипшшов жидкостного трения. - Машиноведение, 1978, '& I, с.19-22.

21. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. - М.: Mpip,1975. - 197 с.

22. Стенг Г . , Фа1сс Д;к. Теория метода конечных элементов. - М.:Шр, 1977. - 349 с.

26. Кунаев Н. Определение толщины масляного слоя в подппшншсеограш^ченной длины при зиахсопеременных нагрузках. - Труды \Щ^К, Гг 59, 1943, с.57-61.

27. Кунаев Н. Теория смазки'подшипников ограниченной длиныпри центробежной нагрузке. - Труды второй всесоюзной конференщш по треншо и износу в машинах. АН СССР, т.1. 1947, с.147-150.

28. Никитин А.К., Корчагин B.C. Плоская нелинейная задача о движещш смазки в подшипнике при равномерно вращающейся постоянной нагрузке. - Труды Московского авиащ'юнного института, вып. II, 1959, C.II9-I2I.

29. Орлов П.И. Конструкция авиационных двигателей. Оборониздат,1940. - 566 с.

30. Подольский M.E. 0 пусковых режлмах упорных подшипгппюв скольжения. - Изв. АН СССР, ОТН, глехашша и машиностроение, 1963, .! I, C.I27-I3I.

31. Драбкин Я.И. Расчет подшипников двигателей внутреннего сгорания с учетом изменения величзпты w направления нагрузхси. - • В сб.: Тр.Ш!, т.5, серия - Металлургия и машиностроение, вып. 2, 1954, с.57-60.

32. Коровчинский М.Б. О нестапионарных движения.?: шипа в подтшипнике. В кн.: Трение и износ в машинах. Сб.14. Издательство /кН СССР, I960, с. 199-201.

33. Коровчинский М.Б. О теории динаг'Лических нагруженнььх подшипников скольжения. - Изз.М СССР, ОТП, 1953, j,^ 5, с.004-807.

34. ПоздняЕС Э.Л. Исследование устойчивости движения роторов наподпдшн1шах скольжения. - Изв. АН СССР, ОТН. 1леханика и машиностроение, 1963, J.5 2, с.102-119.

35. Бзч^ ер Д. Линаглически нагруженные радцюльпые подшипншш скольжения. 41/1 елейное приложение метода подвижности. - Проблемы трения и смазки, I97I, Ь I, с.19-23.

36. Крагжн В.В., Поспелов Г.Л. Нестационарные локальные характеристики смазочного слоя конических радиально-зиюрных подшлпшшов гидродинаглического трения. - Трение и износ, 1982, т.З, 13 5, с.801-807.

37. Токарь И.Я., Пакулов К.Н. К расчету опоры трения качающегоузла аксиально-поршневого насоса. - Трение и износ, 1983, Т.1У, Je 2, с. 258-263.

38. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических вели- .чин. - М. - Л . : Энергия, 1966. - 690 с.

39. AreiiKHH Д.И., Костина Е.Н., Кузнепрва Н.Н. Датчики контроляи регулировашш. - М.: Машиностроение, 1965, - 928 с.

40. Нуберт Г,П. Измерительные преобразователи неэлектрическихвеличии. -Л.: Энергия, 1970. - 360 с.

41. Боднер В.А. Авиащюнпые приборы. - М.: Машиностроение, 1969.458 с.

42. Жюп К.С. Приборы дая научных исследований. Электрическиевходные преобразователи. - М.: Машиностроение, 1964. - 276 с.

43. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей. - М. - Л.:Энергия, 1964. - 464 с,

44. Браславский Д.А. Приборы и датч1ши летательных аппаратов.М.: Машршостроение, 1970. - 302 с.

45. Наоековский А.П. О чувствительности емкостного преобразователя с изгибающшлися обкладкаГ'ЛИ для измерения смещения. Изв. ВУЗов. Приборостроение, 1968, т.XI, .Г2 I, с. 19-22.

46. Шевченко Г.И. Магнитноанизстройные датч1ши. - М.: Энергия,1967. - 72 с.

47. Глаголевскии Б.А., Пивен И.Д. Электротензометры сопротивления. - I.: Энергия, 1972. - 86 с.

48. Осипович I.A. Датчики физических величин. - М.: Машиностроение, 1979. - 159 с.

49. Власов-Власюк О.Б. Экспершлента:/1ьные методы в автоматшш.М.: Машиностроение, 1969. - 411 с.

50. Левшина E.G., Новищсий П.В. Электричесхше измерения физических величин. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 320 с.

51. Колесниченко К.А. Требования к аппаратуре для заглера высокочастотной пульсации давлешш в гидросистемах. - в сб.: Гидропривод и гидропневмоавтоматика, Киев: Техника, 1968, вып.4, с I27-I3I.

52. Токарь И.Я. Проектирование и расчет опор трения. - М.: Машиностроение, I97I. - 168 с.

53. Токарь И.Я., Криони А.Д. Учет влияния инерщюнных сил в подшишпше, работающем при переменных скоростях. - Машиноведение, 1970, В 5, с. 17-20.

54. Токарь И.Я., Криони А.Д. Нестапионарные решилы смазки опорных подшипников. - Машиноведение, 1975, 1.^ 3, с. 24-29.

55. Фадеев Д.К., Фадеева В.И. ВыШ'Юлительные методы л1шейной алгебры. - М.: Физматгиз, I960. - 656 с.

56. Бут Э. деленные методы. - М.: Физматгиз, 1959. - 209 с.

58. Современные численные методы решения обьпшовенньк дифференщальных уравнений. / Под редакщюй Д>?:.Холла и Дж.Уатта. М.: Мир, 1979. - 312 с.

59. Ракицш'Ш Ю.Б., Устинов СМ., Чернорущшй И.Г. Численные методы решения жесткртх систем. - М.: Hayica, 1979. - 208 с.

60. П.Роуч. Вычислительная гидродинамика. - М.: Мшр, 1980. - 616с.

61. Хемшшг P.Б. Численные методы. - М.: Hayi^a, 1968. - 400 с.

62. Fox L. flumeiicoLL soiution. д^ozdlnat^andpaztiatdif-f-tzentiaE ec^uations.-Ret^amon Press, 196Z.-2^p.

63. В.Л)к.Калдербенк. Курс програглмированпя на '1>0РТРЛНе - 1У.М.: Энергия, 1976. - 72 с.

64. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. - М.: iMiip, 1972.381 с.

65. Бенедикт Уайлер. Применение математической статистшш приразработке правил проведения испытанш для определения рабочих харш^теристик. - Труды шлериканского общества инкюнеров-механиков. Серия А. - М.: Ltip, 1979, В 4, с.199-208.

66. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. - 1 . :Наука, 1968. - 96 с.

67. Мэнли Р. Анализ и обработка записей колебагшй.- М.: Машиностроение, 1972. - 368 с.