автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Исследование энергодинамических и регулировочных характеристик гидропривода с гидромоторным блоком расширенного диапазона регулирования

на правах рукописи

0046032£(

Драгомироз Дмитрий Валерьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГО ДИНАМИЧЕСКИХ И РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОПРИВОДА С ГИДРОМОТОРНЫМ БЛОКОМ РАСШИРЕННОГО ДИАПАЗОНА РЕГУЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.04.13 -Гидравлические машины, гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з ИЮН 2010

Москва 2010

004603227

Работа выполнена на кафедре Гидромеханики и гидравлических машин имени B.C. Квятковского Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Голубев Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шейпак Анатолий Александрович,

кандидат технических наук, доцен i

Пильгунов Владимир Николаевич.

Ведущая организация:

ОАО Авиационная корпорация «Рубин»

Защита состоится в аудитории Б-407 «18» июня 2010 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.09 при Московском энергетическом институте по адресу Москва, ул. Красноказарменная, д. 17

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан " // "_ ¡.К-й^'_2010 г.

Ученый секретарь диссер тационного совета

Д 212.157.09

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Применение гидромоторов (М) регулируемого рабочего объема, существенно улучшающее регулировочные возможности и эффективность объемного гидропривода (ОПТ), является одним из важнейших направлений развития гидроприводов машинного регулирования.

Принципиальное преимущество гидромоторного регулирования, отмеченное в работах ведущих российских и зарубежных ученых, таких как Т.М. Башта, В.Н. Прокофьев, В.А. Петров, Е.С. Кисточкин, Д.Н. Попов, В.А. Ва-сильченко, W.E. Wilson, J.F. Blackburn и др., заключается в сохранении постоянной мощности, передаваемой от источника первичной энергии к объекту регулирования ОГП, при оптимизации баланса потребляемой и располагаемой мощностей, а также минимизации установленной мощности насоса за счёт рационального изменения объема гидромотора, чего не удаётся достигнуть при регулировании только рабочего объема насоса. Данное преимущество придает ОГП свойство адаптивности к действующим на него дестабилизирующим факторам - основу создания современных экономичных силовых систем.

Известным недостатком гидромоторного регулирования является сравнительно узкий диапазон регулирования скорости выходного звена, основная причина которого - существенное влияние сил контактного трения в гидромоторах. Поэтому реализация гидромоторного регулирования почти всегда предполагает наличие в ОГП также и регулируемого насоса. В этом случае существенное улучшение свойств гидропривода достигается путем усложнения всей конструкции, поскольку требуется установка двух механизмов управления гидромашинами. Достижение расширенного бесступенчатого диапазона гидромоторного регулирования требует также решения связанного с этим комплекса вопросов, в том числе, по обеспечению энергопитания и поиску новых структур механизмов управления (МУ) регулируемого гидромотора (РМ). Актуальность этих задач подтверждается имеющимися публикациями.

В виду практической неизменности схем и конструкций РМ маловероятно заметное снижение сил контактного трения в этих машинах и, значит,

расширение диапазона бесступенчатого регулирования методами параметрической оптимизации гидромоторов.

Одним из наиболее перспективных путей решения данной задачи является обоснованное с точки зрения технико-эксплуатационных и/или экономических показателей, незначительное структурное усложнение гидродвигательной части ОГП, т.е. комбинирование нескольких М в гидромоторные блоки (ГМБ). Подобная практика уже нашла применение в трансмиссионной технике. Однако повышенный диапазон регулирования в известных ГМБ обычно достигается за счет суммирования нескольких поддиапазонов со ступенчатым переходом между ними.

Таким образом, ввиду ограниченного числа рябот, посвященных детальному изучению особенностей и возможностей различных структур ГМБ, а также вопросам построения перспективных схем МУ гидромоторами, тема данной диссертации является весьма актуальной.

Цель работы заключается в совершенствовании гидроприводов с гидромоторными блоками расширенного диапазона бесступенчатого регулирования и улучшенными энергодинамическими показателями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• сформировать систему критериев для оценки качества ОГП с регулируемыми ГМБ различного исполнения;

• проанализировать существующие структуры регулируемых ГМБ и разработать прототип ГМБ расширенного диапазона бесступенчатого регулирования;

• сформировать обобщенную математическую модель гидропривода машинного регулирования;

• с помощью математической модели исследовать регулировочные и энергодинамические характеристики ОГП с регулируемым ГМБ и дать сравнительную оценку с другими видами машинного регулирования;

в разработать экспериментальный комплекс и провести исследования выбранного прототипа регулируемого ГМБ, а также получить численные параметры, характеризующие потери энергии в гадромашинах, для уточнения математической модели;

• определить области предпочтительно применения ОГП с регулируемым гидромотором и ГМБ;

• провести сравнительный анализ перспективных структур МУ и дать рекомендации но их применению.

Методами исследования являлись: литературный поиск, патентный анализ, математическое моделирование и стендовый эксперимент. Теоретические исследования основаны на известных положениях в области проектирования и расчета гидропривода машинного регулирования. Изучение динамических процессов осуществлялось частотными методами теории автоматического регулирования с учётом уточненных согласно экспериментальным данным математических моделей ОГП. Экспериментальные исследования макетного образца ГМБ проводились по разработанной автором методике на стендовом комплексе, разработанном и созданном им же в ходе выполнения диссертационной работы.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

• сформирована универсальная математическая модель гидропривода машинного регулирования, позволяющая выполнять комплексные исследования различных структур гидроприводов с требуемой степенью детализации;

• исследованы энергетические, регулировочные и динамические характеристики гидропривода с регулируемым ГМБ, дающие возможность оценить предельные энергодинамические и регулировочные возможности системы;

• разработан стендовый комплекс, с помощью которого получены экспериментальные энергетические и регулировочные характеристики ОГП с регулируемым гидромотором и ГМБ оригинального исполнения, защищенного патентом на полезную модель [8], и позволяющего существенно расширить диапазон моторного регулирования;

® на основании экспериментальных исследований определены значения потерь энергии в гидромашинах ОГП, а также предложена упрощённая модель для их расчета, обладающая достаточной степенью достоверности;

• исследованы и сопоставлены по совокупности показателей функциональности и конкурентоспособности традиционные и сравнительно но-

вые виды электрогидравлических и электромеханических механизмов управления гидромоторами и ГМБ;

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:

• по результатам экспериментальных исследований произведено уточнение математической модели ОП1 с регулируемыми аксиально-поршневыми гидромашинами с наклонным блоком цилиндров. Полученная модель обеспечивает приемлемую точность расчетов и удобна для использования в инженерной практике;

• установлены области предпочтительного применения гидропривода с регулируемым гидромигиром и многодвнгагельвым ГМБ;

в результаты экспериментальных исследований схемы объемного гидропривода с ГМБ заложены в основу эскизного проекта одной из технических систем, разрабатываемых в ФГУП «ЦНИИ АГ»;

» созданный универсальный стендовый комплекс предоставляет возможность проводить серии экспериментальных исследований при подготовке магистерских диссертаций студентами, обучающимися по программе «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»;

• проведенные исследования новых видов электрогидравлических и электромеханических механизмов управления позволяют рекомендовать их при разработке современных регулируемых гидромашин.

Апробация работы. Основные положения диссертации отражены в печатных работах, докладывались и обсуждались:

• на Международных научно-технических конференциях «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития», СПб ГПУ, 2008, 2010 гг.;

• Всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов», ЮУрГУ, г. Челябинск 2009 г.;

• 15-ой и 16-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, МЭИ, 2009,2010 гг.;

• заседаниях кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. В.С. Квятковского МЭИ(ТУ) в 2008, 2009, 2010 гг.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием фундаментальных физических и математических моделей ОГП, надежных численных методов, применением многократно апробированных стандартных расчетных пакетов, достаточной степенью соответствия результатов моделирования с экспериментальными данными, а также исследованиями других авторов. Достоверность новизны технического решения подтверждается патентом на полезную модель [8].

На защиту выносятся:

« уточненная универсальная математическая модель гидропривода машинного регулирования;

• схема двухмоторного ГМБ с ряс.пшренным диапазоном бесступенчатого регулирования и улучшенными энергодинамическими показателями, в котором одна из гидромашин является регулируемой и обратимой;

• материалы экспериментальных исследований ОГП с регулируемым гидромотором и ГМБ оригинального исполнения;

» результаты исследования влияния основных параметров ОГП и внешних возмущающих воздействий на основные характеристики энергетического контура ОГП с различными видами машинного регулирования;

• результаты исследований новых структур механизмов управления рабочим объемом аксиальных гидромашин;

• материалы исследований областей применения гидроприводов с гидромоторным регулированием.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликованы две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК [1, 2], один доклад [3] и четыре тезиса докладов [4-7] на научно-технических конференциях, а также получен патент на полезную модель гидропривода [8].

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 169 страницах, имеет 61 иллюстрацию, включает титульный лист, оглавление, введение, 5 глав основных результатов работы, заключение, список литературы (78 позиций) и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи, подлежащие решению.

Первая глава, которая носит реферативный характер, посвящена анализу современного состояния и перспектив развития гидроприводов машинного регулирования.

В соответствии с современной теорией стадийного развития технических систем установлено, что гидропривод находится на стадии структурного улучшения показателей конкурентоспособности при сохранении принципа действия и состава комплектующих. Основную энергетическую базу ОГП по-прежнему образуют аксиально-поршневые и аксиально-плунжерные гидромашииы трех основных типов: с шатунным ведением поршней, с наклонным блоком (НБ) и двойным несиловым карданом, а также машины с наклонным диском (НД). Наибольшие изменения коснулись управляющей части ОГП. где в связи с бурным развитием электроники, традиционно применяющаяся для управления гидравлическими элементами аналоговая техника уступает позиции современным цифровым системам".

Показано, что одним из направлений современного развития ОГП является применение в них регулируемых гидромоторов, а одной из главных тенденций развития самого гидромоторного регулирования - расширение его диапазона. Подтверждением тому служит ряд монографий и публикаций ведущих российских и зарубежных ученых, посвященных исследованию этой проблемы и разработке ГМБ с улучшенными регулировочными показателями.

Анализ литературы по данной тематике позволил сформировать перечень основных преимуществ гидромоторного регулирования скорости и областей техники, где его применение наиболее перспективно, а также выявить ряд существующих проблем, возникающих при реализации данного вида регулирования, требующих скорейшего решения.

Эти обстоятельства послужили основой для формирования и решения основных задач исследований, изложенных в диссертации.

Во второй главе показано, что одним из перспективных способов расширения бесступенчатого диапазона гидромоторного регулирования на су-

Шествующей стадии развития ОГП является структурное совершенствование гидромоторной части. На основании требований, предъявляемых к ОГП гидромоторного регулирования со стороны гидрофицированных технических объектов, из общего массива показателей качества ОГП выделены наиболее значимые, позволяющие оценивать конкурентоспособность ГМБ, а также сформированы основные оценочные критерии.

Представлены основные характеристики и предельные регулировочные возможности известных схем ГМБ расширенного диапазона регулирования скорости. Проведенный анализ данных схем показал, что расширенный диапазон регулирования обычно складывается из нескольких поддиапазонов со

лччттт/мтгипт'тт!» * 1»са*т/»тт1г тгтт»]гтт тгтг» и с» \ 7 ттлтэ гт£»ттэ г»гч(т£»т тт>р^г»пс1_

vi у исилатну! ии.ш') ии ^ — ж^^ ^

ниям к гидроприводу со стороны конкретного технического объекта, а существующие системы ГМБ бесступенчатого регулирования чрезмерно громоздки и дорогостоящи при реализации.

По результатам анализа существующих схемотехнических решений была разработана и впоследствии запатентована структура прототипа оригинального ГМБ расширенного диапазона бесступенчатого регулирования, представленного в составе ОГП на рис. 1, где данный блок выделен штриховой линией.

ГШ

Рис. 1

ГМБ состоит из двух гидромашин, подключенных к основному насосу (Н) по параллельной схеме, и жестко соединенными между собой валами, причем нерегулируемый мотор (М) имеет сквозной вал, который одновре-

мснно является выходным валом ГМБ. Обратимый регулируемый насос-мотор (НМ) может работать в двух режимах: гидромоторном и насосном.

В гидромоторном режиме НМ и М работают на преодоление момента внешней нагрузки, при этом момент, развиваемый ГМБ, равен сумме моментов, развиваемых каждой из гидромашин.

В насосном режиме НМ становится дополнительной нагрузкой для М, осуществляя при этом подачу жидкости пропорциональную параметру регулирования ёш, которая складывается с основным потоком рабочей жидкости, поступающей от Н. Вследствие суммирования подачи НМ с подачей Н и прохождения через рабочий объем М, скорость вращения ГМБ возрастает.

Показано, что теоретическая скорость вращения выходного таена ГМБ ШрМВ и теоретический момент, развиваемый на этом валу , связаны с угловой скоростью вращения вала насоса сон , моментом на вачу насоса Ми, а также рабочими объёмами насоса ¥п и гидромоторного блока ¥тъ следующими соотношениями:

V V

юшб = ®м = ®нм = юн ТГ~ 5 М¿МБ = Щ ,

М"МБ ' Н

причём

^ГМБ ~ + ^НМеНМ '

где Уи - рабочий объем нерегулируемого гидромотора блока; Уш - рабочий объем насос-мотора блока; относительный безразмерный параметр регулирования насос-мотора, который может находиться как в области положительных значений (моторный режим обратимой машины), так и в области отрицательных значений (насосный режим).

Выполненное теоретическое изучение предельных регулировочных характеристик ГМБ показало его двукратное превосходство в части диапазона бесступенчатого регулирования в сравнении регулируемым гидромотором равного рабочего объема.

На основании расширенного диапазона бесступенчатого регулирования предлагаемого ГМБ и сравнительной простоты его схемы сделан вывод о перспективности данной структуры и поставлены задачи дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

и

Третья глава посвящена математическому моделированию и исследованию основных статических и динамических характеристик сравниваемых ОГП машинного регулирования, в том числе, с предложенным ГМБ.

Показано, что в настоящее время даже при наличии большого количества накопленных экспериментальных материалов по объёмно-роторным и, прежде всего, аксиальным гидромашинам, пока не представляется возможным сформировать такие математические модели, которые, не включая множества эмпирических констант, вместе с тем давали бы приемлемую точность расчётов. В главе приводятся основные положения и выводы из работ российских и зарубежных ученых, в которых поднимаются вопросы математического моделкпояяния ги.цромашин и ОГП машинного регулирования. Сложность моделирования потерь в объемно-роторных гидромашинах отмечается практически во всех работах по данной тематике. В работе [Объемные гидромеханические передачи: расчет и конструирование. Под редакцией Е.С. Кисточккна] приведено заключение о допустимости применения линейной модели потерь, согласно которой перетечки жидкости и моменты сил трения на валу гидромашины считаются прямо пропорциональными нагрузке (перепаду давлений), теоретической подаче (расходу) и скорости вращения вала машины. Эта модель была предложена еще в 30-х годах прошлого века известными учеными В.В. Мишке и В.Е. Вильсоном. Несмотря на весьма упрощенное представление о механизме возникновения и проявления влияния потерь на характеристики роторной гидромашины, данная модель используется в практических расчетах, так как обычно обеспечивает приемлемую точность вычислений применительно к основным типам гидромашин, входящих в современные ОГП.

Однако даже при использовании линейной модели точность расчетов существенно зависит от значений констант, входящих в выражения для потерь мощности. Надежность теоретического определения потерь на основании более сложных моделей, гораздо больше зависит от количества и значений вводимых эмпирических констант и даже зависимостей, меняющихся от машины к машине, а также существенно связанных с режимами их работы в составе ОГП. Это значительно снижает практическую значимость усложненных моделей потерь в инженерных расчетах.

Таким образом, необходимой частью исследований ОГП той или иной структуры по-прежнему продолжает оставаться специально поставленный стендовый эксперимент.

С учётом изложенного, для расчетного исследования статических и динамических характеристик ОГП с ГМБ предлагаемой структуры, была использована линейная модель потерь в гидромашинах. Необходимые численные данные и параметры гидромашин для наполнения модели были получены экспериментальным путем.

Была сформирована нелинейная модель силовой части гидропривода с регулируемым ГМБ, с учетом потерь энергии в гидролиниях и произвольной совокупности компонент внешней нагрузки:

Ql =Qlm+~(VH^ + ViwJnM+VM +2Кл)Р1 +(*тер.н +^пер.нм +*пер.м )р + ^ут.м kyr.mijPl >

Ql = бпю - ¿(Кнён + ^hm^HjM + Vu + 2Ул )Р2 + (¿перл + *перлм + ¿пер.м )р~ ~ (^ут.н ^ут.М ^ут.нм )Р2 > 6н = V» енган > 2гмв - (Vu + ^нменм ) ЙГМБ 5

МмБ =(Лш +Лс +Ju + Лм)ЮгМБ +(АШ) +4l + ДМ)шГМБ + Дмж^ГМБ +

+ См.то «ГМБ + (I^M.TO! + \Мн | + Км |) sign «ГМБ + Л/8Н (0. 3 3

где: FK, Км, FHM, ён, ёнм - рабочие объемы гидромашин и параметры peiy-* * *

лирования; VH, FM, FHM - рабочие объемы гидромашин, отнесенные к повороту вала на один радиан; Vn - объем одной гидролинии; Е - эквивалентный модуль упругости системы «жидкость - стенки трубопроводов»; £пер,н,м,нм и ^ут.н,м,нм ~ коэффициенты межполосных перетечек и внешних утечек насоса, гидромотора и насос-мотора; pj, и Р~ Р\~ Рг~ давления и перепад давлений в гидролиниях ОГП; Ql, QlM, £>гмб - теоретические расходы жидкости, проходящие через гидромашины; юк, юГМБ - угловые скорости валов

касоса и ГМБ; агаБ - угол поворота вала ГМБ; Jíi, J¡ш, Jм T0, Jж - моменты инерции вращающихся частей гидромотора, насос-мотора, внешней нагрузки ГМБ и рабочей жидкости в гидролиниях ОГП, приведенные к валу ГМБ соответственно; Ом, £>нм, Пи — коэффициенты сил вязкого трения гидромотора, насос-мотора и внешней нагрузки ГМБ, приведенные к валу ГМБ; См Т0 - позиционная составляющая внешней нагрузки ГМБ; Л/у ,

Р с1

Мнм, Ми Т0 - моменты сил контактного трения гидромотора, насос-мотора и внешней нагрузки ГМБ соответственно; ^ и Я2 - гидравлические сопротивления напорной и сливной гидролиний; £>м ж и Д,мж - моментные коэф-фициситГ/! слзкого трбпи" /К«1дкости гидрсмстсрз. " иа.сос—моторИ" Ал ^ момент внешней нагрузки ГМБ, приведенный к его валу.

При соответствующей модификации, данная модель позволяет также проводить исследования статических и динамических характеристик ОГП с любым сочетанием машинных способов регулирования (насосного, гидромоторного и комбинированного).

Численный анализ показал допустимость описания функционирования ОГП упрощенной моделью «в малых отклонениях»:

У*1Н сон = Г*й)ГМБ + + -~{Унёа + + Ум+2УЛ)р + коишър;

МГМБ =(Л.ТО +J7K +jM + 4м)югмб +(Ai.TO + А. + Аы)игме Аы.женм®г МБ [ +Ач.жюгмб + См.то «ГМБ + (¡^мл-о|+ \ММ \ + Км|) Sign а>гаБ + МБН(0>

где: коиШБ = н + /ст,ерА! + ¿пер.™ .н "^ут.м ^уг.нм ) коэффициент

эквивалентных объемных потерь ОГП; J - JM то + Jy, + JM + Juu,

.ГО +Dm + Aim'

MF

= Кто

M'

Мнм приведенный момент

инерции, коэффициент сил вязкого трения и момент сил контактного трения ГМБ соответственно.

Структурная схема модели ОГП, соответствующая приведённой выше системе уравнений и дающая наглядное представление о взаимосвязи физических процессов, имеющих место при функционировании ОГП с ГМБ, показана на рис. 2. Дальнейшая работа с полученной моделью сводилась к ли-

неаризацни уравнений и поочередному анализу моделей насосного, гидромоторного регулирования и регулирования ГМБ частотными методами теории автоматического регулирования.

Рис. 2

Результаты моделирования динамики ОГП с регулируемым М и ГМБ оформлены в виде логарифмических амплитудно-частотых (ЛАЧХ) и фазо-частотных (ФЧХ) характеристик.

ЛАЧХ и ФЧХ ОГП с регулируемым ГМБ для различных значений инерционной нагрузки, вязкого трения, действующих на выходное звено ОГП, изображены на рис. 3 и 4 соответственно, а объемных потерь и рабоче-

Рис. 5 Рис. б

Из графиков следует, что наиболее существенное влияние на динамику ОГП оказывает инерционная нагрузка и рабочие объёмы гидромашин ГМБ (см. рис. 3, 6). Расширение полосы пропускания с ростом рабочих объёмов машин в ГМБ обусловлено увеличением энергетических возможностей ГМБ, т.е. снижением относительной нагрузки ОГП. Некоторое ухудшение устойчивости может быть объяснено ростом динамической жёсткости при неизменных демпфирующих факторах системы.

Влияние вязкого трения (см. рис. 4) и, особенно, объёмных потерь (рис. 5) на стабилизацию ОГП проявляется достаточно эффективно и однозначно, что позволяет использовать эти способы для достижения требуемой устойчивости практически без потерь в быстродействии, хотя и с заметным ростом фазового запаздывания в низкочастотном диапазоне (до частот основного резонанса). Тем не менее, увеличение вязкого трения (скоростной составляющей нагрузки на выходном звене) приведёт к изменению диаграммы нагрузки ОГП, т.е. росту потребной мощности, а регламентированное повышение перетечек (например, за счёт введения шунтирующих гидролиний ГМБ) снизит выходную мощность, т.е. ухудшит механическую характеристику ОГП. Поэтому решение о способах демпфирования должно приниматься с учётом конкретного сочетания составляющих внешней нагрузки и требуемых законов движения выходного звена привода.

Четвертая глава содержит описание экспериментального стенда, методики проведения экспериментов и основные результаты экспериментального

исследования гидроприводов машинного регулирования с различным исполнением гидромоторной части. Схема экспериментального стенда приведена на рис. 7.

ф Р1

----,----

п® — 1ИЯМВ1 йфН

ж

МН2СЧ) fTii (N)IvtH3

—Ч>]

Рис. 7

На рис. 7 приняты следующие обозначения: HI - насос; М - нерегулируемый гидромотор; НМ - обратимая регулируемая гидромашина (насос-мотор); Н2 и НЗ - подпиточные насосы; ЭД - электродвигатель; НГ - нагружающей устройство; КП1 и КП2 - предохранительные клапаны; OKI и ОК2 - клапаны подпитки гидролиний; ПБ - подпиточный бак; ПК1 и ПК2 - переливные клапан; Ф1 и Ф2 - фильтры; ТО - теплообменник; МН1...МН4 - манометры; PI, Р2 и РЗ - расходомеры; ДМ - динамометр; ДЧ1 и ДЧ2 - датчики частоты вращения; МУ1 и МУ2 - механизмы управления: ДУ1 и ДУ2 -датчики углов наклона РО (блока цилиндров) гидромашин; SCM200 - индикатор расхода; ПЧ1 и ГТЧ2 - преобразователи сигнала; ЧМ1 и ЧМ2 - частотомеры; К540 - измеритель электрической мощности.

В результате экспериментальных исследований были получены регулировочные зависимости ОГП с РМ и ОГП с ГМБ, показанные на рис. 8 и 9, где они представлены для двух значений подачи основного насоса и трех значений момента нагрузки.

Анализ данных характеристик позволил установить, что диапазон регулирования гидромотора, определяемый отношением максимального значения рабочего объема гидромашины к минимальному составляет 2,9:1, в то время, как диапазон регулирования ГМБ составил 6,3:1. Таким образом, экс-

периментально доказано, что диапазон регулирования ГМБ в 2,1 раза превосходит диапазон одного регулируемого гидромотора.

Рис. 8 Рис. 9

На основе экспериментальных исследований характеристик отдельных гидромашин, входящих в состав ГМБ были рассчитаны коэффициенты потерь энергии в ОГП (объемных потерь гидромашин, сил вязкого трения и др.), что позволило уточнить математическую модель ОГП. Сравнение модельных и экспериментальных статических характеристик показало хорошее совпадение результатов моделирования и эксперимента (в пределах 5%), что подтверждает корректность использованных математических моделей образования объёмных потерь в приводе. Это позволяет использовать упрощённые расчётные соотношения для определения регулировочных и энергетических характеристик системы.

В пятой главе работы проведен анализ существующих типов механизмов управления гидромашинами и современных электрогидравлических и электромеханических устройств, которые мо1ут быть использованы в МУ регулируемых гидромоторов. В результате анализа была выявлена достаточно широкая гамма устройств, способных выступать в качестве механизмов управления гидромоторами. Показано, что для МУ гидромоторами могут быть использованы унифицированные механизмы управления насосами с двухкаскадными электрогидравлическими усилителями, но наибольшие перспективы имеют современные однокаскадные электропвдравлические распределители с пропорциональным электрическим управлением, которые, обладая требуемой энергоёмкостью, регулировочными и динамическими свой-

ствами, существенно проще и дешевле. Кроме того, комплектующие их электронные блоки, позволяют обеспечивать цифровое управление, регулирование параметров осцилляции и установку начальных токов.

Анализ электромеханических приводов показал, что в качестве механизмов управления гидромоторами предпочтительно использование компактных электромеханических приводов на базе вентильных двигателей с планетарными или волновыми передачами. Одним из главных преимуществ такого решения является простая схема электропитания, лишенная известных недостатков систем гидропитания электрогидравлических МУ.

Несмотря на то, что динамические качеств а предлагаемых типов МУ несколько уступают общеизвестному МУ с двухкаскадным электрогидравлическим усилителем «сопло-заслонка-золотник», однако для большинства приводов общепромышленного назначения их динамика вполне достаточна с учетом того, что быстродействие силового контура ОГП невелико и в целом определяет динамику всего привода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работы:

1. Сформированные показатели качества и оценочные критерии ОГП гидромоторного регулирования позволяют оценивать конкурентоспособность ОГП.

2. Разработана универсальная модель гидропривода машинного регулирования, учитывающая потери энергии в гидролиниях и включающая достаточно полный набор составляющих внешней нагрузки, которая позволяет в полном объеме, с требуемой детализацией и точностью исследовать ОГП с любыми видами машинных способов регулирования, а благодаря своей простоте и приемлемой точности результатов она может быть рекомендована для использования в инженерных расчетах.

3. По результатам анализа существующих схемотехнических решений была разработана структура оригинального ГМБ расширенного бесступенчатого диапазона регулирования, защищенная патентом РФ № 92926.

4. Созданный стендовый комплекс, позволяет проводить экспериментальные исследования гидроприводов различных видов машинного регулирования;

5. Проведенные экспериментальные исследования показали, что диапазон бесступенчатого регулирования ГМБ для исследованного типа входящих в него аксиально-поршневых гидромашин составляет 6,3, что более чем в два раза больше в сравнении с регулируемым гидромотором того же типа и рабочего объёма.

6. Оценены предельные энергодинамические и регулировочные возможности схем ОГП с регулируемым М и ГМБ, на основании которых сформированы области предпочтительного применения ОГП конкретного исполнения.

7. Установлено, что в качестве механизма управления регулируемым гидромотором наибольшие перспективы имеют следующие виды устройств: электрогидравлический привод на базе однокаскадного пропорционального распределителя и электромеханический привод на базе вентильного двигателя с планетарной или волновой механической передачей.

8. Результаты экспериментальных исследований двухмоторной схемы объемного гидропривода заложены в основу эскизного проекта одной из технических систем, разрабатываемых в ФГУП «ЦНИИ АГ».

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Голубев В.И., Зуев Ю.Ю., Драгомиров Д.В. Исследование характеристик объемной гидравлической передачи с регулируемым двухмоторным агрегатом // Вести. МЭИ. - 2010. - №2. - С. 5-14.

2. Драгомиров Д.В., Голубев В.И., Зуев Ю.Ю., Феденков В.В. Исследование гидромоторного агрегата с расширенным диапазоном бесступенчатого регулирования скорости И Строительные и дорожные машины. - 2010. -№4.-С. 28-31.

3. Голубев В.И., Зуев Ю.Ю., Драгомиров Д.В. Анализ применимости пьезодвигателей в электрогидравлических усилителях мощности // Всероссийская науч.-техн. конф. «Динамика машин и рабочих процессов»: Док-

лад - Челябинск, ЮУрГУ, 2009. - С. 37-41.

4. Голубев В. И., Грибков A.M., Драгомиров Д.В. Применение гидравлической передачи с регулируемым гидромотором в качестве трансмиссии автономной ветроэнергетической установки // Междунар. научн.-техн. конф. «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития»: Тез. докл. - С-Пб., ГПУ, 2008.-С. 183-187.

5. Голубев В.И., Зуев Ю.Ю., Драгомиров Д.В. Математические модели и динамические характеристики объемного гидропривода с машинным управлением /7 Междунар. научн.-техн. конф. «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития»: Тез. докл. - С-Пб., ГПУ, 2010.

6. Драгомиров Д.В., Голубев В.И., Зуев Ю.Ю. Экспериментальное исследование объемного гидропривода с гидромоторным блоком // Междунар. научн.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. - Москва, МЭИ, 2009. - Т.З. - С.230-231.

7. Драгомиров Д.В., Голубев В.И. Моделирование потерь энергии в объемно-роторных гидромашинных аксиального типа // Междунар. научн.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Москва, МЭИ, 2010. - Т.З. - С.270-272.

8. Гидропривод: Патент на полезную модель / Волков C.B., Голубев В .И., Драгомиров Д.В., Зуев Ю.Ю., Феденкоз В.В. №92926, Опубл. 10.04.2010, Бюл. №10.

Подписано в печать 6>0$* Юг. Зак. <!0С тКр. jCO П.л Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ И ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ

ГИДРОПРИВОДОВ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ГИДРОМОТОРАМИ.

1.1. Современное состояние, проблемы и тенденции развития гидроприводов моторного регулирования.

1.2. Основные преимущества и предпочтительные области применения гидропривода с регулируемыми гидромоторами.

1.3. Выводы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОПРИВОДА С ГИДРОМОТОРНЫМИ БЛОКАМИ РАСШИРЕННОГО ДИАПАЗОНА БЕССТУПЕНЧАТОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ.

2.1. Структурные и параметрические возможности расширения диапазона гидромоторного регулирования.

2.2. Критерии оценки и показатели качества гидроприводов с регулируемыми гидромоторами.

2.3. Обзор существующих структур гидромоторных блоков расширенного диапазона регулирования скорости.

2.4. Определение предельных регулировочных возможностей гидропривода с регулируемым гидромоторным блоком, одна из гидромашин которого является реверсивной и обратимой.

2.5. Выводы.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

КОНТУРА ГИДРОПРИВОДА МАШИННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.

3.1. Анализ проблем и постановка задач математического моделирования объемного гидропривода машинного регулирования.

3.2. Схемотехнические исполнения энергетического контура гидропривода.

3.3. Виды потерь энергии в объемном гидроприводе и их физико.-математическое описание.

3.4. Моделирование энергетического контура гидропривода с комбинированным машинным регулированием.

3.5. Модель энергетического контура гидропривода с регулируемым насосом.

3.6. Модель энергетического контура гидропривода с регулируемым мотором.

3.7. Модель энергетического контура гидропривода с регулируемым двухмашинным гидромоторным блоком.

3.8. Сравнительный анализ статических характеристик энергетического контура гидропривода различных структурных исполнений.

3.9. Исследование влияния параметров гидропривода и внешних возмущающих воздействий на основные динамические характеристики энергетического контура исследуемых структур гидроприводов.

3.10. Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОПРИВОДА С РЕГУЛИРУЕМЫМ ГИДРОМОТОРНЫМ БЛОКОМ.

4.1. Постановка задач экспериментального исследования.

4.2. Описание и возможности универсального экспериментального комплекса для исследования объемного гидропривода машинного регулирования.

4.3. Программа и методика экспериментальных исследований энергетических и регулировочных характеристик электронасосного агрегата, входящего в состав гидропривода с машинным регулированием.

4.4. Результаты экспериментального исследования энергетических и регулировочных характеристик электронасосного агрегата.

4.5. Программа и методика экспериментальных исследований энергетических и регулировочных характеристик гидропривода с регулируемым гидромоторным блоком.

4.6. Результаты экспериментальных исследований энергетических и регулировочных характеристик гидропривода с гидромоторным блоком различной комплектации.

4.7. Сопоставительный анализ регулировочных характеристик объемных гидроприводов различных способов регулирования.

4.8. Выводы.

5. АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ТИПОВ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОБЪЕМА АКСИАЛЬНЫХ ГИДРОМОТОРОВ.

5.1. Функциональная структура механизмов управления аксиальных гидромашин.

5.2. Сопоставительный анализ существующих и перспективных механизмов управления насосов и гидромоторов использующих различные принципы действия.

5.3. Анализ характеристик современных электрогидравлических и электромеханических устройств и их применимости в механизмах управления.

5.4. Выводы.

Объемный гидропривод (ОГП) с вращательным движением выходного звена представляет собой совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение рабочих органов (РО) машин и механизмов посредством преобразования механической энергии первичного двигателя в потенциальную энергию давления рабочей жидкости и далее вновь трансформации ее в механическую энергию движения РО. Обязательными функциональными элементами такого ОГП являются источник и потребитель гидроэнергии, в качестве которых чаще всего выступают гидромашины объемного принципа действия — насос (Н) и гидромотор (М) [1-9].

В большинстве технических объектов в процессе их эксплуатации требуется регулировать угловую скорость выходного звена по требуемому закону, что обосновывает необходимость регулирования самих ОГП, которое может быть дроссельным, машинным, или машинно-дроссельным. Преимущества машинного регулирования по сравнению с другими видами хорошо известны и детально описаны в существующей литературе [1-9].

Расширение бесступенчатого диапазона регулирования, увеличение адаптивности привода, как средства повышения его экономичности, улучшение энергодинамических показателей за счет применения энергоемких и экономичных гидромашин переменного рабочего объема — важнейшие направления развития и совершенствования данных систем.

Наибольшее распространение в ОГП получили аксиальные (поршневые и плунжерные) гидромашины (АПГМ) с наклонным диском (НД), с наклонным блоком цилиндров (НБ) и с шатунным приводом поршней, которые применяются в ОГП как в качестве насосов, так и гидромоторов [12, 19].

Несмотря на то, что в настоящее время сформирована подробная классификация способов регулирования ОГП и разработана агрегатная база для их технической реализации, на практике регулирование угловой скорости выходного звена приводов чаще осуществляется изменением рабочего объёма насоса. Менее освоенным, но имеющим ряд важных преимуществ, является регулирование угловой скорости выходного вала ОГП с помощью измеI нения рабочего объёма гидромотора, ещё большие возможности открываются при комбинированном - насос-моторном регулировании [1-9].

Как известно, при насосном регулировании максимальная подача и давление насоса выбираются из очевидного условия обеспечения наибольшей скорости вращения выходного вала ОГП, а также возможности развивать нерегулируемым гидромотором наибольший крутящий момент. Одновременное выполнение этих условий приводит к чрезмерному увеличению массогабаритных показателей привода (установленной мощности), хотя на практике часто требуется получение больших скоростей при меньших крутящих моментах на выходном валу и, наоборот, вращение нагруженного вала ОГП с малыми скоростями [1-9, 13].

Принципиальное преимущество гидромоторного регулирования заключается в том, что при изменении параметра регулирования гидромотора появляется возможность перераспределять составляющие выходной мощности, т.е. развиваемый момент и угловую скорость выходного вала при сохранении постоянной мощности передаваемой ОГП. Это преимущество наиболее значимо в много двигательных ОГП, где источник гидроэнергии должен работать в строго оптимальном режиме или имеет ограниченную мощность, а также в централизованных ОГП, где питание всех потребителей гидроэнергии осуществляется от источника гидроэнергии постоянного давления. Таким образом, реализация гидромоторного регулирования придаёт гидроприводной системе в целом важное свойство адаптивности и позволяет достичь большей экономичности [1-9, 13].

Применение регулируемых гидромоторов (РМ) положительно сказывается также на повышении быстродействия, точности и жесткости исполнительной части ОГП благодаря непосредственному регулированию выходного звена привода. Наконец, использование гидромоторного регулирования позволяет осуществлять рекуперацию энергии при движении выходного звена привода с сопутствующими (положительными) нагрузками и за счёт инерционного «выбега» ротора насоса, соединённого с электродвигателем.

С учетом вышеизложенного можно заключить, что применение регулируемых гидромоторов является весьма перспективным способом совершенствования таких важнейших качеств ОГП, как расширение диапазона бесступенчатого регулирования скорости, улучшение экономичности и быстродействия.

Совместное же использование регулируемого насоса и регулируемого гидромотора, помимо существенного расширения диапазона изменения угловой скорости выходного вала ОГП и отмеченных выше других преимуществ, позволяет оптимизировать управление моментными и скоростными показателями выходного звена ОГП, что в свою очередь, приводит к снижению установленной мощности насоса, уменьшению массовых и габаритных показателей привода в целом.

Особенностью гидромоторного регулирования, традиционно отмечаемой в исследованиях по данной тематике, является сравнительно узкий диапазон регулирования угловой скорости выходного звена ОГП, который значительно ухудшается с ростом нагрузки на привод [7-9, 13]. Как показывает практика, диапазон бесступенчатого регулирования угловой скорости даже у лучших конструкций регулируемых гидромоторов не превышает 4:1, в то время как при насосном регулировании он может достигать 40:1 и более [7-9, 13, 19, 65-69]. Причина этого известна и заключается в том, что для увеличения угловой скорости вала РМ, необходимо уменьшить рабочий объём, а это ведет к снижению момента на валу гидромотора до значений, сопоставимых с моментами сил трения в гидромашине.

Кроме того, наличие только регулируемого гидромотора не позволяет получить неподвижное положение выходного звена при работающем насосе, существенно затрудняет режим пуска и остановки системы и т.д. Это требует оснащения ОГП дополнительной гидроаппаратурой для включения/выключения и разгрузки насоса, либо, что обычно практикуется, применения регулируемого насосного агрегата.

В этом случае существенное расширение бесступенчатого диапазона регулирования угловой скорости выходного звена, повышение адаптивности и быстродействия ОГП достигается путём усложнения конструкции привода, поскольку требуется установка двух механизмов управления (МУ) гидромашинами, организация их гидропитания и решение задачи совместного регулирования.

Ввиду отмеченных преимуществ гидромоторного регулирования, задача расширения его регулировочных свойств является весьма актуальной, что подтверждается наличием работ российских и зарубежных ученых в этом направлении. Вместе с тем следует отметить, что число подобных исследований существенно меньше тех, которые направлены на совершенствование традиционного - насосного управления ОГП. Возможно, одна из причин такого положения дел связана с тем, что в настоящее время существенное расширение диапазона регулирования гидромоторов с помощью параметрического совершенствования конструкций гидромашин, в рамках их неизменных структур, представляется маловероятным. За последние несколько десятилетий не произошло качественных и даже заметных количественных изменений в этом направлении, а применяемые конструкции, используемые материалы и технологические решения известны свыше полувека. Энергетическую базу ОГП по-прежнему образуют АПГМ трех указанных выше основных типов: с НБ и шатунным ведением поршней, с НБ и двойным несиловым карданом, а также гидромашины с НД.

Поэтому, одним из наиболее перспективных путей решения задачи расширения бесступенчатого диапазона гидромоторного регулирования следует считать обоснованное, с точки зрения технико-эксплуатационных и или) экономических показателей, структурное усложнение моторной части ОГП, т.е. комбинирование нескольких гидромашин, работающих на суммирующий механический редуктор или непосредственно на нагрузку, с последующей параметрической оптимизацией конструкции. Подобная практика уже нашла применение в трансмиссионной технике. Однако, расширенный диапазон регулирования известных структур гидромоторных блоков (ГМБ) обычно складывается из нескольких поддиапазонов со ступенчатым переходом между ними, что не всегда удовлетворяет требованиям к гидроприводу со стороны конкретного технического объекта, или же система ГМБ получается чрезвычайно сложной и дорогостоящей, и поэтому на практике не реализуемой [8, 9, 56, 57].

Таким образом, исследования, направленные на изучение особенностей гидромоторного регулирования и решение вопросов создания перспективных многомоторных ГМБ, являющиеся темой данной диссертации, представляются весьма актуальными.

Цель работы заключается в совершенствовании гидроприводов с гидромоторными блоками расширенного диапазона бесступенчатого регулирования и улучшенными энергодинамическими показателями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• сформировать систему критериев для оценки качества ОГП с регулируемыми ГМБ различного исполнения;

• проанализировать существующие структуры регулируемых ГМБ и разработать прототип ГМБ расширенного диапазона бесступенчатого регулирования;

• сформировать обобщенную математическую модель гидропривода машинного регулирования;

• с помощью математической модели исследовать регулировочные и энергодинамические характеристики ОГП с регулируемым ГМБ и дать сравнительную оценку с другими видами машинного регулирования; разработать стендовый экспериментальный комплекс и провести исследования выбранного прототипа регулируемого ГМБ, а также получить численные значения параметров, характеризующих потери энергии в гидромашинах, для уточнения математической модели; определить области предпочтительно применения ОГП с регулируемым гидромотором и ГМБ; провести сравнительный анализ перспективных структур МУ гидромоторами и дать рекомендации по их применению.

Методами исследования являлись: литературный поиск, патентный анализ, математическое моделирование и стендовый эксперимент. Теоретические исследования основаны на известных положениях в области проектирования и расчетов гидропривода машинного регулирования. Изучение динамических процессов осуществлялось частотными методами теории автоматического регулирования, с учётом уточненной, согласно экспериментальным данным, параметрии математических моделей ОГП. Экспериментальные исследования ГМБ предложенной структуры проводились по разработанной автором методике на стендовом комплексе, разработанном и созданном им же в ходе выполнения диссертационной работы. 1

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем: ® сформирована универсальная математическая модель гидропривода машинного регулирования, позволяющая выполнять комплексные исследования различных структур гидроприводов с требуемой степенью детализации;

• исследованы энергетические, регулировочные и динамические характеристики гидропривода с регулируемым ГМБ, дающие возможность оценить предельные энергодинамические и регулировочные возможности системы;

• разработан стендовый комплекс, с помощью которого получены экспериментальные энергетические и регулировочные характеристики ОГП с регулируемым гидромотором и ГМБ оригинального исполнения, защищенного патентом на полезную модель [64], и позволяющего существенно расширить диапазон моторного регулирования;

• на основании экспериментальных исследований определены значения потерь энергии в гидромашинах ОГП, а также предложена упрощённая модель для их расчета, обладающая достаточной степенью достоверности;

• исследованы и сопоставлены по совокупности показателей функциональности и конкурентоспособности традиционные и сравнительно новые виды электрогидравлических и электромеханических механизмов управления гидромоторами и ГМБ.

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:

• по результатам экспериментальных исследований произведено уточнение математической модели ОГП с регулируемыми аксиально-поршневыми гидромашинами с наклонным блоком цилиндров. Полученная модель обеспечивает приемлемую точность расчетов и удобна для использования в инженерной практике; установлены области предпочтительного применения гидропривода с регулируемым гидромотором и много двигательным ГМБ;

• результаты экспериментальных исследований схемы объемного гидропривода с ГМБ заложены в основу эскизного проекта одной из технических систем, разрабатываемых в ФГУП «ЦНИИ АГ»;

• созданный универсальный стендовый комплекс предоставляет возможность проводить серии экспериментальных исследований при подготовке магистерских диссертаций студентами, обучающимися по программе «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»; проведенные исследования новых видов электрогидравлических и электромеханических механизмов управления позволяют рекомендовать их при разработке современных регулируемых гидромашин.

Апробация работы. Основные положения диссертации отражены в печатных работах, докладывались и обсуждались:

• на Международных научно-технических конференциях «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития», СПб ГПУ, 2008, 2010 гг.; Всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов», ЮУрГУ, г. Челябинск 2009 г.;

• 15-ой и 16-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, МЭИ, 2009, 2010 гг.; заседаниях кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. B.C. Квятковского МЭИ(ТУ) в 2008, 2009, 2010 гг.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием фундаментальных физических и математических моделей ОГП, надежных численных методов, применением многократно апробированных стандартных расчетных пакетов, достаточной степенью соответствия результатов моделирования с экспериментальными данными, а также исследованиями других авторов. Достоверность новизны технического решения подтверждается патентом на полезную модель [64].

На защиту выносятся:

• уточненная универсальная математическая модель гидропривода машинного регулирования;

• схема двухмоторного ГМБ с расширенным диапазоном бесступенчатого регулирования, в котором одна из гидромашин является регулируемой и обратимой;

• материалы экспериментальных исследований ОГП с РМ и ГМБ оригинального исполнения;

• результаты исследования влияния основных параметров ОГП и внешних возмущающих воздействий на основные характеристики энергетического контура ОГП с различными видами машинного регулирования;

• результаты исследований новых структур механизмов управления рабочим объемом аксиальных гидромашин;

• материалы исследований областей применения гидроприводов с гидромоторным регулированием.

По материалам диссертационной работы опубликованы две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК [40, 41], один доклад [42] и четыре тезиса докладов [43—46] на научно-технических конференциях, а также получен патент на полезную модель гидропривода [64].

5.4. Выводы

• Выполненный анализ особенностей работы механизмов управления насосов и гидромоторов в составе ОГП показал, что динамические свойства МУ гидромоторов могут быть существенно ниже, чем МУ насосов, поскольку в отличии от последних, МУ гидромоторов входят в состав выходного звена привода.

• В быстродействующих и высокоточных следящих ОГП в качестве МУ гидромашин наиболее целесообразно применение ЭгМУ на базе двух-каскадных ЭГУ, так как данные системы на настоящий момент не имеют себе равных в части соответствующих показателей.

• Применение ЭгМУ на базе более простых и дешевых пропорциональных распределителей прямого управления целесообразно в большинстве ОГП общепромышленного применения, где не требуется высокая точность и скорость изменения рабочих объемов гидромашин.

• Для ОГП гидромоторного регулирования с разнесенной компоновкой гидромашин в качестве МУ гидромотора наиболее целесообразно применение ЭлМУ, что связано со сравнительной простотой организации его энергопитания, возможностью упрощения компоновки гидромоторов и как следствие уменьшение его размеров ввиду отсутствия гидроцилиндров управления, а также высокой степенью унификации ЭлМП и его сравнительно невысокой стоимости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Сформированные в работе показатели качества и оценочные критерии объемного гидропривода с гидромоторным регулированием позволяют оценивать конкурентоспособность данных гидроприводов.

2. Разработана универсальная модель гидропривода машинного регулирования, учитывающая потери энергии в гидролиниях и включающая достаточно полный набор составляющих внешней нагрузки, которая позволяет в полном объеме, с требуемой детализацией и точностью исследовать объемный гидропривод с любыми видами машинных способов регулирования, а благодаря своей простоте и приемлемой точности результатов она может быть рекомендована для использования в инженерных расчетах.

3. Ввиду достигнутых на сегодняшний день высоких значений механического и объемного КПД гидромоторов, дальнейшее параметрическое совершенствование их конструкций в этом направлении с целью расширения диапазона регулирования малоперспективно. Гораздо большие возможности расширения диапазона регулирования дает поиск оптимальных структур многомоторных блоков.

4. По результатам анализа существующих схемотехнических решений была разработана структура оригинального гидромоторного блока расширенного бесступенчатого диапазона регулирования, защищенная патентом РФ № 92926.

5. Созданный стендовый комплекс позволяет проводить экспериментальные исследования гидроприводов различных видов машинного регулирования.

6. Экспериментальные исследования, выполненные на данном комплексе, показали, что диапазон бесступенчатого регулирования гидромоторного блока для исследованного типа входящих в него аксиально-поршневых гидромашин составляет 6,3, что более чем в два раза больше по сравнению с регулируемым гидромотором того же типа и рабочего объёма.

7. Экспериментально установленная практически линейная связь расходов объемных потерь в гидроприводе подтверждает правомочность сформированных теоретических моделей образования объемных потерь в приводе, а также позволяет использовать упрощенные расчетные соотношения для определения регулировочных и энергетических характеристик системы.

8. Оценены предельные энергодинамические и регулировочные возможности схем гидроприводов с регулируемым гидромотором и гидромоторным блоком, на основании которых сформированы области предпочтительного применения приводов конкретного исполнения.

9. Установлено, что в качестве механизма управления регулируемым гидромотором наибольшие перспективы имеют следующие виды устройств: электрогидравлический привод на базе пропорционального распределителя прямого управления и электромеханический привод на базе вентильного двигателя с планетарной или волновой механической передачей.

10. Разработанный гидропривод с гидромоторным блоком расширенного диапазона регулирования и результаты его экспериментальных исследований заложены в основу эскизного проекта автоматизированного гидропривода системы корабельной лебедки, разрабатываемой ФГУП «ЦНИИ АГ».

11. Дальнейшим направлением работ по совершенствованию структур регулируемых гидроприводов с комбинированным насос-моторным управлением следует считать решение вопросов создания гидромоторных блоков, включающих несколько регулируемых гидромоторов с использованием дифференциальных механических передач. Такие решения могут значительно увеличить диапазон регулирования гидропривода. Разработка эффективных гидроприводов с несколькими регулируемыми гидромашинами также требует решения задач оптимизации их совместного управления, что представляет собой отдельную научно-техническую задачу.

1. Аксиально-поршневой регулируемый гидропривод / Прокофьев В.Н. и др. Под ред. В.Н. Прокофьева. — М.: Машиностроение, 1969.

2. Башта Т.М. Объёмные насосы и гидравлические двигатели гидросистем: М.: Машиностроение, 1974.

3. Следящие приводы. В 2-х кн. Под ред. Б.К. Чемоданова. М.: Энергия, 1976.

4. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. — М.: Машиностроение, 1977.

5. Машиностроительный гидропривод /Л.А Кондаков, Г.А. Никитин, В.Н. Прокофьев и др. Под ред. В.Н. Прокофьева. М.: Машиностроение, 1978.

6. Основы теории и конструирования объёмных гидропередач / Кулагин A.B., Демидов Ю.М., Прокофьев В.Н., Л.А. Кондаков. Под ред. В.Н. Прокофьева. -М.: Высшая школа, 1968.

7. Васильченко В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин: Справочник. — М.: Машиностроение, 1983.

8. Объёмные гидромеханические передачи: расчёт и конструирование / О.М. Бабаев, Л.Н. Игнатов, Е.С. Кисточкин и др.; Под общ. ред. Е. С. Кисточкина. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987.

9. Петров В.А. Гидрообъёмные трансмиссии самоходных машин. -М.: Машиностроение, 1988.

10. Крымов Б.Г., Рабинович Л,В., Стеблецов В.Г. Исполнительные устройства систем управления летательным аппаратами. Учебн. пособие. — М.: Машиностроение, 1987.

11. Проектирование следящих гидравлических приводов летательных аппаратов / А.И. Баженов, Н.С. Гамынин, В.И. Карев и др.; Под ред. Н.С. Гамынина. — М.: Машиностроение, 1981.

12. Свешников B.K. Гидрооборудование: Международный справочник. Номенклатура, параметры. В 3-х кн. М.: ООО Издательский центр «Техинформ МАИ», кн.1- 2001, кн.2 - 2002, кн.З - 2003.

13. Свешников В.К. Станочные гидроприводы: справочник. 5-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 2008.

14. Геращенко А.Н., Самсонович C.JI. Пневматические, гидравлические и электрические приводы летательных аппаратов на основе волновых исполнительных механизмов: Учеб. пособие; Под ред. A.M. Матвеенко. — М.: Машиностроение, 2006.

15. Кисточкин Е.С., Киев A.B. Выбор параметров объёмных гидромеханических передач // Судостроение, 1982, №1, с. 31 34.

16. Свешников В.К. Гидроприводы в современном машиностроении // Гидравлика и пневматика, 2007, №28-29, с. 10—16.

17. Свешников В.К., Потапов В.А. Состояние и тенденции развития гидрооборудования // Приводная техника, 1997, № 4, с. 3 — 8.

18. Свешников В.К. Состояние и тенденции развития гидрооборудования // Приводная техника, 1998, № 10, с. 16 22.

19. Орлов Ю.М. Объемные гидравлические машины. Конструкция, проектирование, расчет. М.: Машиностроение, 2006.

20. Влияние нагрузки гидропривода на регулировочную характеристику механизма управления насоса / Я.А. Даршт, О.В. Косорукова, В.В. Сысоев, С.Г. Голубев // Изв. Вузов, Машиностроение, 1982, №6, с. 138 - 139.

21. Даршт Я.А. Расчётные характеристики механизма управления с питанием от управляемого им насоса // Гидравлика и пневматика. Приводы и системы управления. Вып. 12 / Под ред. Е.В. Герц. М.: машиностроение, 1986, с. 115-121.

22. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: наука, 1975.

23. Исследование электрогидравлических механизмов управления аксиально-поршневыми гидромашинами / Голубев В.И., Зуев Ю.Ю., Попов A.M. и др. Отчёт по НИР МЭИ № уо 2367, 1986, Москва.

24. Определение структуры и параметров нагружения регулирующего органа аксиально-поршневых насосов / Голубев В.И., Зуев Ю.Ю., Петров Ю.А. и др. // Пневматика и гидравлика. Вып. 13. М.: машиностроение, 1987, с. 201-209.

25. Расчёт моментов на регулирующем органе аксиально-поршневого насоса / Густомясов А.Н., Круглов В.Ю., Маранцев М.А. и др. // Вестник МГТУ им. Н,Э. Баумана. Сер. Машиностроение , 1994, №1, с. 51 — 55, 127.

26. Wilson W.E. Rotary pump theory / Transactions of the A.S.M.E., 1946, May.

27. Wilson W.E. Performance criteria for positive displacement pumps and fluid motors / Transactions of the A.S.M.E., 1949, Vol. 71. N12, p. 23 28.

28. Schlosser W.M. Mathematical model for hydraulic power and motors // Hydraulic power transmission, 1961, Vol. 7, N 76, p. 252 257.

29. Schlosser W.M., Hilbrands J.W. The hydraulic-mechanical efficiency of déplacement pumps // Hydraulic and Pneumatic power, 1965, September, p. 506-512, 1965, Oktober, p. 588 -591.

30. Thoma J. Performance of hydrostatic transmission // Hydraulic and Pneumatic power, 1963, Vol. 9, N 97, p. 273 285.

31. Thoma J. Mathematical models and effecktive performance of hydrostatic mashines and transmissions // Hydraulic and Pneumatic power, 1969, November, p. 642 651.

32. Борисов Б.П., Зайцев A.A. Математическая модель аксиально-поршневого регулируемого гидромотора с наклонным блоком // Известия вузов, 1987, №2, с. 50-55.

33. Прокофьев В.Н. Математическая модель гидропривода. Труды ВИСХОЛМ, -М.: 1971, вып. 62.

34. Городецкий К.И. Механический КПД объемных гидромашин // Вестник машиностроения, 1977, №7, с. 19 -23.

35. Городецкий К.И., Михайлин A.A. Математическая модель объёмных гидромашин. // Вестник машиностроения, 1981, № 9, с. 12-14.

36. Лепешкин A.B. Математическая модель, оценивающая КПД роторной гидромашины // Привод и управление, 2000, №1, с. 17 19.

37. Казмиренко В.Ф., Парфёнов A.C., Саков В.А. О влиянии объёмных потерь, пропорциональных угловой скорости вала гидромашины, на частотные характеристики гидропривода // Труды научно-техн. конф. Механика машин, вып. 53, Москва, 1975.

38. Васильев Л.В. Развитие математического моделирования гидроагрегатов на основе применения элементов теории подобия // Приводная техника, 2001, № 1, с. 30-43.

39. Шухман С.Б., Соловьёв В.И., Прочко Е.И. Повышение КПД полнопоточной гидрообъёмной трансмиссии за счёт комбинированного способа регулирования гидромашин / Вестник машиностроения, 2006, № 2, с. 27 32.

40. Голубев В.И., Зуев Ю.Ю., Драгомиров Д.В. Исследование характеристик объемной гидравлической передачи с регулируемым двухмоторным агрегатом // Вестн. МЭИ, 2010. №2. С. 5-14.

41. Драгомиров Д.В., Голубев В.И., Зуев Ю.Ю., Феденков В.В. Исследование гидромоторного агрегата с расширенным диапазоном бесступенчатого регулирования скорости // Строительные и дорожные машины. — 2010. №4.-С. 28-31.

42. Голубев В.И., Зуев Ю.Ю., Драгомиров Д.В. Анализ применимости пьезодвигателей в электрогидравлических усилителях мощности // Всероссийская науч.-техн. конф. «Динамика машин и рабочих процессов»: Доклад Челябинск, ЮУрГУ, 2009. - С. 37-41.

43. Драгомиров Д.В., Голубев В.И., Зуев Ю.Ю. Экспериментальное исследование объемного гидропривода с гидромоторным блоком // Междунар. научн.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. Москва, МЭИ, 2009. - Т.З. - С.230-231.

44. Драгомиров Д.В., Голубев В.И. Моделирование потерь энергии в объемно-роторных гидромашинных аксиального типа // Междунар. научн.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Москва, МЭИ, 2010. Т.З. - С.270-272.ч

45. Зуев Ю.Ю. Основы создания конкурентоспособной техники и выработки эффективных решений: Учеб. пособие. М.: Издательский дом МЭИ. 2006.

46. Прокофьев В.Н. Синтез структурных схем с желаемыми характеристиками гидроприводов с регулируемыми гидромоторами // Известия вузов. М.: Машиностроение, 1985, №9, с. 41 - 53.

47. Насосы регулируемые реверсивные унифицированной конструкции и насос-моторы на их базе. Выбор и применение / А .Я. Оксененко, В.М. Петухов, А.И. Жерняк и др. М.: ВНИИТЭМР, 1986.

48. Герасимов Г.В. Бесступенчатые передачи тракторов. — М.: МА-МИ, 1975.

49. Дзильно А.А., Полянин В.А. Гидрообъёмные трансмиссии зарубежных строительных машин // Строительные и дорожные машины, 1984, №6, с. 21-22.

50. Тагиева Н.К. Трансмисии, используемые в строительно-дородной технике // Вестн. МАДИ(ГТУ), 2009. №1. с. 30 - 33.

51. Волков Д.П., Крайнев А.Ф. Трансмиссии строительных и дорожных машин. — М.: Машиностроение, 1974.

52. Голубев В.И., Виссарионов В.И. Регулируемые силовые гидравлические передачи для ветроэнергетических установок // Вестник МЭИ, 2002, №3, с.21- 26.

53. Разинцев В.И. Повышение эффективности гидроприводов с дроссельным регулированием. -М.: Машиностроение, 1993.

54. Гутман М.И., Каштанов Л.Н. Основные режимы функционирования объёмной гидропередачи на основе ГМШР / Деп. В ВИНИТИ 17.12.96, № 3695-В96.

55. Гутман М.И., Каштанов Л.Н. Выбор основных параметров объёмных гидропередач на основе ГМШР по критерию обеспечения минимального суммарного рабочего объёма гидромашин передачи М.: МАДИ (ТУ), 1996 .

56. Дмитриев А.Б. Регуляторы объемных насосов // Привод и управление, 2002, №1, с. 40 42.

57. Караваев В.А., Беляев И.А. Гидромашины с электрогидравлическим управлениме // Строительные и дорожные машины, 2005, №8, с. 27 -29.

58. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторный электропривод перед выходом на широкий рынок // Приводная техника. 1998. №3, с. 2 4.

59. Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского, М.Г. Юнькова. -М.: Энергоатомиздат, 1990.

60. Ооба Коичи. Разработка линейного двигателя и линейного сер-воклапана прямого управления для гидравлических компонентов // Гидравлика и пневматика, 2006, N 24, р. 12-15.

61. Hansgeorg Kolvenbach. Revolution in Dynamics and Force: New Drive Technology For Proportional & Servo Valves // The Tenth Scandinavian International Conference of Fluid Power, SICFP'07. 2007, CDROM Proceedings.

62. Гидропривод: Патент на полезную модель №92926 / Волков С.В., Голубев В.И., Драгомиров Д.В., Зуев Ю.Ю., Феденков В.В. Заявка № 2009144907/22; Опубл. 10.04.10. Бюл. №10, 2010.

63. Parker Hannifin. Каталог HY17-8223 / UK.

64. Bosch-Rexroth. Каталог RE 91604 / 09.07.

65. Bosch-Rexroth. Каталог RE 29564-XN-B2/11.06.

66. Sauer-Danfoss. Каталог 11024960 Rev AA / 04.07.

67. Sauer-Danfoss. Каталог DKMH.PB.800.C1.02.520L0909 . 05.2005.

68. Wittenstein. Каталог «MOTION CONTROL» / 09.03.

69. RACO SCHWELM Каталог KGT-P1-5/90.

70. Bosch Rexroth. Каталог RE.29564/01.07.

71. Bosch Rexroth. Каталог RE.29048/04.08.

72. Maxon motor GmbH. Каталог 92/93.

73. Элком. Каталог электродвигателей. 2008.

74. Minimotors СА. Каталог СН-6982 Agno.

75. Moog. Каталог Permanent magnet DC motor.

76. Moog. Каталог Brushless Servomotor Fastect G.

77. ПЕРЕЧЕНЬ УСТРОЙСТВ, КОМПЛЕКТУЮЩИХ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД

78. Наименование устройства Модель, марка, тип устройства Обозначение на схемах Основные параметры и характеристики устройства

79. Электродвигатель ВЭМЗ 4АМ180М4 эд Мощность 30 кВт, номинальная частота вращения вала 1470 об/мин, КПД 95 %, скольжение 2%

80. Насос регулируемый П№5 Н Объёмная постоянная 71 см'3, номинальная частота вращения вала 1440 об/мин, номинальное/максимальное выходное давление 10/16 МПа, управление подачей вручную от валика непрямого управления

81. Гидромотор М32НМ гм Объёмная постоянная 32 см'1, номинальная частота вращения вала 3000 об/мин, номинальное/максимальное давление 16/32 МПа

82. Насос-мотор Н32РДМ НМ Объёмная постоянная 32 см'3, номинальная частота вращения вала 3000 об/мин, номинальное/максимальное давление 16/32 МПа

83. Индукционный тормоз СНО-1691 НАГ Тормозной момент 50 кГс"м, момент инерции вращающихся частей 6,4 кГс см с2

84. Теплообменный агрегат — ТО —

85. Манометр МН1 Предел измерения 160 атм, цена деления 1 ат

86. Манометр МН2 Предел измерения 25 атм, цена деления 0,5 ат

87. Манометр МНЗ Предел измерения 25 атм, цена деления 0,5 ат

88. Манометр МН4 Предел измерения 25 атм, цена деления 0,5 ат

89. Расходомер турбинный ТДР 12 Р1 Диапазон измерения расхода 15 96 л/мин, максимальное рабочее давление 20 МПа, основная приведённая погрешность 0,5%

90. Расходомер турбинный ТДР7 Р2 Диапазон измерения расхода 1,8 -¡-9,6 л/мин, максимальное рабочее давление 20 МПа, основная приведённая погрешность 0,5%

91. Расходомер турбинный БСО-ОбО-О-02 РЗ Диапазон измерения расхода -60 ^+60 л/мин, максимальное наибольшее рабочее давление 30 МПа, погрешность не более 2%

92. Блок отображения информации БСМ 200 ЭСМ 200 Дисплей на 4 значащие цифры

93. Электромагнитный счётчик импульсов электрического тока(сигнала) 9В 120 ДЧ1, ДЧ2 Частота следования импульсов электрического тока до 100 имп/с, период импульсов не менее 10 мс, длительность паузы не менее 5 мс

94. Преобразователь частоты ПЧ-1 ПЧ-1 Диапазон входных сигналов синусоидальной или прямоугольной формы 12.5+2000 Гц

95. Частотомер электронно-счётный 43-33 43-33 Диапазон измеряемых частот 10 Гц- 10 МГц

96. Измерительный комплекс К-540 К-540 Максимальное значение измеряемого напряжения 600 В, тока 50 А, мощности 30 кВт, класс точности 0,2

97. Динамометр пружинный ДПУ-0,1 дм Предел измеряемых усилий 10*100 кГс, цена деления 1 кГс, погрешность измерения до 1%1. Продолжение приложения 1

98. ВНЕШНИЙ ВИД, РАЗМЕРЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГУЛИРУЕМОГО ОБРАТИМОГО НАСОСА Н32РДМ

99. ОСНОВНЫЕ ХАРКТЕРИСТИКИ РЕГУЛИРУЕМОГО ОБРАТИМОГО НАСОСА Н32РДМ

100. Наименование показателя Размерность Значение

101. Объёмная постоянная см^ 32

102. Частота вращения вала: -номинальная: -максимальная; -минимальная об/мин 3000 3750 1000

103. Номинальная подача п/мин 96

104. Давление в выходной гидролинии: -номинальное; -максимальное МПа 16 32

105. Давление во всасывающей (входной) гидролинии: -максимальное; -минимальное МПа 1,5 0,9

106. Максимальное давление дренажа МПа 0,1

107. Гидромеханический КПД. не менее % 941. Полный КПД, не менее % 851. Масса, не более кг 22

108. Номинальная потребляемая мощность кВт 13,7

109. Угол поворота регулирующего органа (люльки) град. 30

110. Давление в гидросистем управления кВт 2,0

111. Номинальная подача подпитом но го (шестерённого) насоса л/мин 35

112. Время перемещения РО на угол 30 град , не хуже с 0,151. Окончание приложения 1

113. ВНЕШНИЙ ВИД, ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕРЕГУЛИРУЕМОГО ГИДРОМОТОРА № М32НМ

114. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕРЕГУЛИРУЕМОГО ГИДРОМОТОРА № М32НМ

115. Наименование показателя Размерность Значение

116. Объёмная постоянная смл 321. Частота вращения вала: -номинальная; 1500-максимальная; об/мин 3000-минимальная 3

117. Номинальный расход л/мин 48

118. Давление в напорной (входной) гидролинии:-номинальное; МПа 16-максимальное 32

119. Максимальное давление в сливной (выходной) гидролинии МПа 1,5

120. Номинальный перепад давлений МПа 15

121. Максимальное давление дренажа МПа 0,1

122. Гидромеханический КПД, не менее % 951. Полный КПД, не менее % 911. Масса, не более кг 18

123. Номинальная эффективная мощность кВт 10,7

124. Номинальный крутящий момент на валу Нм 74,6

125. Момент инерции вращающихся частей Нсм'с" 0,393

126. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЮЩИМИ ОРГАНАМИ ГИДРОМАШИН

127. СХЕМА МУ С ОДНОКАСКАДНЫМ ЭГУ НА БАЗЕ НЕПРОТОЧНОГО ЗОЛОТНИКОВОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯтг