автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Исследование рабочего процесса и разработка методики расчета оптимальных конструктивных параметров гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе

на правах рукописи

СОЛЯР Сергей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ С ПЛОСКИМ ЗОЛОТНИКОМ НА УПРУГОМ ПОДВЕСЕ

Специальность 05.04.13 -Гидравлические машины, гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре Гидромеханики и гидравлических машин 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, доцент

Селиванов Александр Михайлович

Ведущая организация ОАО научно-производственное объединение «Родина»

Защита состоится в аудитории Б-407 11 марта 2005 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

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.157.09

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Электрогидравлические усилители с дроссельным управлением (ЭГУ) являются основной функциональной частью электрогидравлических следящих приводов и многих других силовых гидравлических систем. Базовым технико-конструктивным элементом ЭГУ является совокупность деталей, объединенных понятием «гидравлический распределитель» (ГР).

В связи с очевидным стремлением к уменьшению количества каскадов усиления в ЭГУ при одновременном улучшении его технико-эксплуатационных и экономических характеристик особого внимания заслуживает комплекс вопросов, связанных с расширенным применением ГР с плоским золотниковым запорно-регулирующим элементом (ЗРЭ) на упругом подвесе.

ГР с такими ЗРЭ имеют целый ряд преимуществ по сравнению с цилиндрическими и поворотными ЗРЭ, а также обладают свойствами, характерными для проточных высокочувствительных ГР типа «сопло-заслонка» и «струйная трубка». Они имеют меньше деталей, существенно проще конструктивно и технологически, поскольку рабочими поверхностями являются плоскости, не имеют кинематических пар трения, так как перемещение плоского ЗРЭ при подаче управляющего сигнала происходит вследствие деформации (изгиба) упругих пластин. Это повышает чувствительность и надежность работы ГР. Попадание твердых частиц в зазор менее опасно, чем в цилиндрических золотниковых парах, поскольку за счёт деформации упругих пластин имеется возможность выдавливания частицы в проточный тракт без заклинивания системы.

В качестве недостатков ГР рассматриваемой схемы в существующей литературе обычно отмечается их менее удобная компоновка, а также сравнительно невысокие рабочие давления.

Эти ГР применялись в составе ЭГУ, работающих в ряде ответственных гидроприводов мобильных и стационарных машин, и хорошо себя зарекомендовали надежной работой. В настоящее время в литературе имеются лишь весьма отрывочные и разрозненные сведения по их расчёту, проектированию и конструированию. Поэтому решение задачи по формированию практически пригодного алгоритма и программы расчёта основных параметров и характеристик ГР, построенных с учётом возможностей современной компьютерной техники и ориентированных на интерактивное взаимодействие пользователя с компьютером, является актуальным.

Цель работы

Обеспечить возможность расширения области применения ГР с плоским золотником на упругом подвесе в однокаскадных ЭГУ, а также в первых каскадах усиления двух и более каскадных ЭГУ, за счет оптимизационного проектирования, основывающегося на алгоритмизированной методике

расчета основных конструктивных параметров, которая реализует диалоговое взаимодействие разработчика ГР с современной компьютерной техникой.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• исследовать процесс течения рабочей жидкости через дросселирующие щели ГР;

• сформировать математическую модель, описывающую механические и прочностные характеристики, образование начальных перекрытий и регулировочные характеристики ГР;

• исследовать влияние основных конструктивных параметров на характеристики ГР;

• разработать систему алгоритмов, обеспечивающих интерактивные способы определения оптимальных сочетаний конструктивных параметров ГР;

• создать и отладить программный модуль, реализующий разработанную систему алгоритмов;

• исследовать границы области применения ГР;

• провести анализ путей совершенствования конструктивной схемы ГР.

Научная новизна

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

• в анализе существующих методов расчета гидравлических параметров течения жидкости в дросселирующих щелях гидрораспределителя;

• в использовании современных способов расчета гидравлических параметров течения рабочей жидкости в рабочих щелях ГР с плоским золотником на упругом подвесе, основанных на решении уравнений Рейнольдса, и установлении зависимости изменения коэффициента расхода от числа Рейнольдса Яе;

• в формировании целостной математической модели I 'Т, которая описывает механические и прочностные характеристики, деформации втулок, вследствие которых образуются перекрытия дросселирующих щелей, и регулировочные характеристики, на базе которой сформирована методика расчета основных конструктивных параметров ГР;

• в установлении влияния различных конструктивных параметров и точности изготовления ГР на его характеристики;

• в применении методов оптимизации при определении конструктивных параметров ГР.

Практическая ценность работы

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:

• в разработке программного модуля расчета основных конструктивных параметров ГР, реализующего методы оптимизации и интерактивное взаимодействие пользователя с компьютером, позволяющего получать вари-

анты решения, что ускоряет расчеты и повышает качество разработки, который внедрен в программный фонд ЦНИИ автоматики и гидравлики;

• в определении конструктивных параметров оптимизированного ГР, предназначенного для работы в первом каскаде двух и более каскадном ЭГУ, а также ГР предназначенного для работы в однокаскадном ЭГУ;

• в установлении области применения исследуемого ГР;

• в усовершенствовании конструктивной схемы ГР.

На защиту выносится

• результаты исследования зависимостей коэффициента расхода открытых и перекрытых дросселирующих щелей от Яв;

• математическая модель ГР;

• результаты исследования влияния основных конструктивных параметров ГР на его характеристики;

• методика и программный модуль расчета основных конструктивных параметров ГР;

• результаты определения конструктивных параметров ГР, работающих в качестве первого каскада в двух и более каскадном ЭГУ, а также в одно-каскадном ЭГУ;

• результат исследования области применения ГР;

• изменения конструктивной схемы ГР, позволяющие улучшить его характеристики.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

• на Московской студенческой научно-технической конференции «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика», МГТУ им. Баумана, 2001;

• на Восьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, МЭИ, 2002;

• на Девятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, МЭИ, 2003;

• на Десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, МЭИ, 2004.

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликованы две статьи [4, 5] и четыре тезиса докладов на научно-технических конференциях [1-3, 6], а также получены два патента на полезные модели [7,8].

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация объемом 198 страниц состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников и приложений. Список литературных источников содержит 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации. Сформулированы цель и основные задачи исследования.

Конструктивная схема объекта исследования приведена на рис. 1. Конструкция состоит из двух основных деталей плоского ЗРЭ 1 и основания 2. В верхней части ЗРЭ выполнены два пропила 8 и 9 и четыре фрезерованных паза 7, образующих систему из четырех плоских упругих пластин. Тем самым подвижный ЗРЭ представляет собой упруго-деформируемую консольную П-образную рамку 10, нижняя плита которой может совершать плоскопараллельное движение в пределах, ограниченных максимальным смещением хшх Усилие, необходимое для деформации упругих подвесов (перемещения ЗРЭ), развивается магнитной системой ЭМП. В центральную часть рамки запрессована втулка 4, в которой запрессован поводок 3 со сферическим хвостовиком для присоединения ЗРЭ к выходному звену ЭМП. Нижняя плита ЗРЭ с втулкой и поводком образуют золотник. В основание с натягом установлена втулка 5, имеющая пропилы, которые образуют дросселирующие щели требуемой ширины рабочих каналов Ь,, внутренний диаметр образует внутренние дросселирующие щели, внешний диаметр d2 образует внешние дросселирующие щели. Во втулку 5 запрессована втулка 6, через которую подаётся рабочая жидкость с давлением р„ и расходом Q„. Золотник, а также втулки основания, образующие дросселирующие щели, являются распределительной частью ГР.

При смещении ЗРЭ (например влево) жидкость поступает по левому боковому каналу к потребителю (давление в канале р/ и расход а с помощью правого канала(давление и расход обеспечивается отвод жидкости от потребителя на слив. Нужные значения перекрытий обеспечиваются допусками на изготовление перечисленных деталей и их соединений, а зазор между плоскостью втулки 3 и плоскостями втулок 5 и 6 специальными технологическими приёмами, например прокладками из фольги.

В Первой главе описано современное состояние методов расчета и проектирования гидравлических усилителей с плоским золотником на упругом подвесе. В результате анализа существующей литературы были сделаны следующие выводы.

ГР с плоским золотником на упругом подвесе до сих пор изучен недостаточно. Наиболее полно такой ГР представлен в работах В.И. Разинцева. в которых представлена методика расчета основных конструктивных параметров подвижной рамки распределителя. Но этого недостаточно, так как методика должна объединять в себе:

• определение конструктивных параметров распределительной части;

• определение конструктивных параметров подвижной рамки;

• определение допусков на диаметры втулок, образующих дросселирующие щели и назначение допусков на несоосность и некруглость их поверхностей.

Важной частью расчета является расчет регулировочных характеристик, который должен учитывать перекрытия, образующиеся в результате деформации втулок при их соединении. В существующей литературе расчет перекрытий, образующихся в результате соединения втулок, не представлен, поэтому необходимо разработать методику их расчета.

При расчете регулировочных характеристик необходимо учитывать изменение коэффициента расхода. Для чего желательно использовать аппроксимирующую зависимость в виде

где Ц шт ~ установившееся значение коэффициента расхода; — начальное значение производной зависимости

кинематическая вязкость рабочей жидкости; смоченный пе-

где

риметр дросселирующей щели.

Так как в существующей литературе нет данных о зависимости \L-ffRe) для открытых или перекрытых дросселирующих щелей ГР с плоским золотником на упругом подвесе, то необходимо исследование этих зависимостей, которое целесообразно проводить на основании численного моделирования

течения рабочей жидкости в щелях ГР. Для проведения такого исследования в результате выбора среди существующих программных комплексов, предназначенных для решения задач гидрогазодинамики, может быть рекомендовано использование многоцелевого комплекса

Так как расчет ГР, при проектировании ЭГУ, повторяется многократно, поэтому актуальной становиться задача автоматизации этого процесса, которая требует создания программного модуля, позволяющего проводить данные процедуры в диалоговом режиме между ПЭВМ и разработчиком.

Для определения конструктивных параметров ГР, соответствующих наилучшему сочетанию его характеристик, необходимо разработать алгоритм, который должен базироваться на методах параметрической оптимизации, в связи с чем необходимо сформировать массив выходных показателей ГР, выделив в нем показатели работоспособности и конкурентоспособности.

Во Второй главе представлено определение зависимостей коэффициента расхода дросселирующих щелей гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе от параметров течения жидкости. В процессе функционирования ГР с плоским золотником на упругом подвесе образуются открытые и перерытые дросселирующие щели. Необходимо провести моделирование объемного стационарного изотермического течения вязкой несжимаемой жидкости, которое происходит в широком диапазоне изменения Ке. Моделью турбулентности можно выбрать к-Б модель.

Коэффициенты, используемые при моделировании (коэффициенты в модели турбулентности, величина искусственной вязкости, введенной для обеспечения устойчивости и сходимости решения) проверялись на тестовых задачах, для которых в существующей литературе имеются экспериментальные данные. В качестве тестовых задач были выбраны течения через кольцевую двухкромочную щель гидравлического устройства (аналог течения через открытую дросселирующую щель ГР) и через цилиндрический дроссель, длина которого изменяется в широком диапазоне (аналог течения через перекрытую дросселирующую щель ГР).

В результате обработки данных, полученных с помощью моделирования течений жидкости, были определены зависимости для открытой дросселирующей щели ГР с плоским золотником на упругом подвесе, представленной на рис. 2 и перекрытой дросселирующей щели, представленные на рис. 3. В случае перекрытой щели, величина перекрытия представлена в

относительном виде /я, = где t - абсолютное значение перекрытия; 8 - зазор между неподвижным основанием и золотником ГР.

Л = г<яв)

г? * * / г 1 = 0 58 -Г'' !

I 1

1!

/ 1 1

/ 1

1 1 1

и г --1 ' ' I I I ' 4

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Рис. 2. Зависимость коэффициента расхода ц от Кв для отрытой дросселирующей щели гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе

Параметры аппроксимирующей зависимости Ц = ((Ив) открытой дросселирующей щели ГР

= 0.58,

км = 0.055. ^

1*1=4 ГЯ| 3 6 ГП| = 8 ГП|=10|

-тг." Г.1ТГ.-7

у/лу " _ « « ------- ::::::

1 >/'/ -V х-' •''1-й / ГП|= 30 1— -1

;/.• / / А- 1-ч .-/А т|»20 30 т| 4 40

/ж» ш/ т| = 15 I 1

ШлА

1

0 0 и 40 СО П 100 120 140 140 180 200

Рис. 3. Зависимость коэффициента расхода (1 от Ледля перекрытой дросселирующей щели гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе

Параметры аппроксимирующих зависимостей /I — / (Ка) перекрытой дросселирующей щели ГР, представлены в табл. 1.

Табл. 1. Параметры зависимостей fi=f (Re) перекрытой дросселирующей ще-

ли ^ гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе

m¡ j 2 4 6 ! 8 10 15 | 20 30 ■ 40 50 |

1 ^ 0.69 0.67 0.65 0.64 0.63 0.60 1 0.58 ! 0.54 0.51 0.48 !

0.024 0.021 0.019 0.018 0.017 0.015 , 0.013 1 0.012 0.011 0.0099j

На рис. 4 представлена зависимость установившегося значения коэффициента расхода от относительного перекрытия рабочей щели. Видно, что для определения установившегося значения коэффициента расхода щели с относительным перекрытием находящемся в промежутке между рассчитанными значениями можно воспользоваться линейной интерполяцией.

(Чц.т 0.7

0«

0.6

0J5

0.5

0.45

0 S 10 15 10 25 30 35 40 45 50 55

Рис. 4. Зависимость установившегося значения коэффициента расхода от относительного перекрытия рабочей щели

В Третьей главе изложены теоретические основы методики расчета основных конструктивных параметров ГР с плоским золотником на упругом подвесе.

В данной главе сформирован массив выходных показателей ГР с плоским золотником на упругом подвесе, который представлен в табл. 2. В таблице также представлен соответствующий данному показателю ГР показатель ЭГУ.

Значение каждого из показателей зависит от сочетания конструктивных параметров. Для связи отдельного показателя с конструктивными параметрами сформирована обобщенная математическая модель, содержащая в себе модели для определения механических и прочностных характеристик подвижной рамки; деформаций втулок, образующих рабочие щели после их запрессовке; регулировочных характеристик по расходу и перепаду давлений и расхода утечек рабочей жидкости.

Табл. 2. Выходные показатели гидрораспределителя с плоским золотником на __упругом подвесе_

ПОКАЗАТЕЛИ ЭГУ ПОКАЗАТЕЛИ ГР

ПОКАЗАТЕЛИ РА- БОТО-СПОСОБНОСТИ Коэффициент усиления Максимальный расход при заданном максимальном смещении золотника и подводимом давлении рабочей жидкости

Устойчивость Коэффициент запаса по продольной устойчивости подвижной рамки

ПОКАЗАТЕЛИ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ кпд Утечки рабочей жидкости

Ресурс работы Коэффициент запаса по усталостной прочности подвижной рамки

Быстродействие Механическая энергия перемещения подвижной рамки (характеризует жесткость упругих подвесов подвижной рамки)

Чувствительность Крутизна регулировочной характеристики по перепаду давлений

Нелинейность расходной характеристики Нелинейность регулировочной характеристики по расходу

Несимметричность расходной характеристики Несимметричность регулировочной характеристики по расходу

Смещения нуля расходной характеристики Смещение нуля регулировочной характеристики по расходу

Расчет деформации втулок ГР основывается на теории осесимметрич-ной нагрузки толстостенных цилиндров, а также моментной теории изгиба цилиндрических оболочек. Расчет перекрытий учитывает несоосности и не-круглости поверхностей втулок распределителя и основания, образующих рабочие щели.

Для апробации предложенных выражений и зависимостей ¡1 = /(Яе), полученных в предыдущей главе, был проведен проверочный расчет регулировочных характеристик существующего ГР, для которого в работе В.И. Разинцева представлены экспериментально снятые подобные характеристики. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показало хорошее совпадение (рис. 5), что позволяет сделать вывод о возможности применения предложенных выражений и зависимостей Ц - /(Ле) для расчета регулировочных характеристик ГР.

В Четвертой главе представлены исследования влияния основных конструктивных параметров гидрораспределителя на его характеристики.

Исследование влияния отдельного параметра проведено на базе математической модели, сформированной в предыдущей главе, при фиксированном значении оставшихся параметров.

Фиксированные параметры соответствуют существующей конструкции ГР и имеют следующие значения:

£^2ф = 2.7мм, й|ф = 0.2 мм, /)ф = 3 мм, 6ф = 6мм,д = Ммкм;

давление питания рп~20 МПа; свойства рабочей жидкости

В работе проведено исследование влияния параметров ГР на механические и прочностные характеристики подвижной рамки, к которым относятся:

• коэффициент запаса по усталостной прочности;

• коэффициент запаса по продольной устойчивости подвижной рамки;

• жесткость упругих подвесов подвижной рамки.

В результате исследования сделаны выводы о том, что для уменьшения жесткости упругих подвесов, а следовательно, и механической энергии перемещения подвижной рамки, необходимо уменьшать толщину и ширину подвесов, а также увеличивать их длину Минимальная величина параметров й; и Ь, максимальная величина параметраограничены возможностью потери продольной устойчивости подвижной рамки из-за действия сил давления.

Также проведено исследование влияния параметров ГР на утечки рабочей жидкости, результат которого представлен на рис. 6. На графике по оси абсцисс отложены относительные значения конструктивных параметров.

Л, - к} - /, Ь

= 1 = ; ' Г ■ «2ф % <1ф %

Также в относительном виде представлена величина утечек

0 .

У^ Ф

(4)

где ())г —утечки рабочей жидкости; утечки рабочей жидкости соот-

ветствующие фиксированным значениям.

Видно, что кривая, показывающая влияние диаметра с12 на утечки рабочей жидкости, имеет точку минимума. Это объясняется тем, что при небольших значениях ¡^ утечки растут из-за небольшой длины зазора, при увеличении утечки снижаются, но затем возрастают, вследствие увеличения площади поперечного сечения, на которую действует давление рабочей жидкости, из-за чего увеличивается отжим. Оптимальным является выбор величины этого параметра соответствующей точке минимума.

Рис. 6. Влияние основных конструктивных параметров на утечки рабочей жидкости

Кроме этого, проведены исследования влияния конструктивных параметров гидрораспределителя на показатели, характеризующие его регулировочные характеристики.

К показателям, характеризующим регулировочные характеристики, относят:

• ламинарный коэффициент усиления по расходу;

• турбулентный коэффициент усиления по расходу;

• коэффициент усиления по расходу линеаризованной характеристики;

• несимметричность регулировочной характеристики по расходу;

• нелинейность регулировочной характеристики по расходу;

• смещение нуля регулировочной характеристики по расходу;

• крутизна регулировочной характеристики по перепаду давлений.

В результате исследования показателей регулировочных характеристик определено, что при назначении допустимых отклонений внутреннего и

внешнего диаметров рабочих щелей нужно стремиться, чтобы относительная величина внутреннего и внешнего перекрытия (отношение величины перекрытия к величине зазора) находилась в диапазоне от -1.5 до 1.5, что позволило бы добиться наилучших значений крутизны регулировочной характеристики по перепаду давлений и коэффициента усиления по расходу. Причем введение перекрытий в указанном диапазоне практически не ухудшает другие показатели регулировочных характеристик. Однако, следует учитывать, что на суммарную величину перекрытий оказывает влияние несоосность и некруглость поверхностей втулок, поэтому кроме влияния на такие показатели, как несимметричность РХ и смещение нуля РХ, они оказывают косвенное влияние на другие показатели регулировочных характеристик, вследствие чего нужно стремиться к уменьшению допусков на несоосность и некруглость поверхностей.

Пятая глава посвящена разработке программного модуля «РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ С ПЛОСКИМ ЗОЛОТНИКОМ НА УПРУГОМ ПОДВЕСЕ» и его использованию для решения задачи расширения области применения ГР с плоским золотником на упругом подвесе.

Программный модуль реализует методику расчета конкретной и неизменной структурной схемы ГР по совокупности энергетических, регулировочных характеристик и использует соотношения, приведенные в предыдущих главах работы. Модуль позволяет в диалоговом режиме взаимодействия пользователя и ПЭВМ:

• рассчитать основные конструктивные параметры распределительной (гидравлической) части ГР;

• рассчитать основные конструктивные параметры подвижной рамки распределителя;

• предложить пользователю критерии выбора (назначения) тех или иных параметрических вариантов распределителя;

• осуществить выбор предпочтительных параметрических вариантов;

• рассчитать и построить основные регулировочные характеристики распределителя: по расходу и перепаду давлений.

Модуль имеет структуру, блоки встроенных программ, систему межпрограммного и внешнего информационного обмена, позволяющих использовать его как автономным образом, так и в составе расширенного программного набора для расчета и проектирования ГР.

Укрупненная блок-схема программного модуля представлена на рис. 7. Алгоритм параметрической оптимизации, применяемый в программе, представлен на рис. 8. Представленный алгоритм реализует последовательное или отдельное использование метода построения области Парето с выделением двух характерных показателей конкурентоспособности за счет либо их объединения, либо перевода некоторых из них в показатели работоспособности с заданием ограничений по их величине, и метода свертки показателей с помощью целевой функции.

Рис. 7. Укрупненная блок-схема программного модуля

Рис. 8. Алгоритм параметрической оптимизации

С использованием разработанного программного модуля была решена задача расширения области применения существующей конструкции ГР за счет увеличения подводимого давления с 17 MПa до 32 МПа. Повышение

давления приводит к нарушению устойчивости подвижной рамки, а также значительному увеличению утечек рабочей жидкости. Поэтому для обеспечения работоспособности ГР необходимо изменить его конструктивные параметры.

В результате расчета, проведенного с использованием вышеперечисленных методов оптимизации, были определены конструктивные параметры ГР, работоспособность которого при повышении давления была обеспечена.

Кроме этого определены оптимальные конструктивные параметры ГР, предназначенного для работы в первом каскаде двухкаскадного электрогидравлического усилителя, а также оптимальные конструктивные параметры ГР, предназначенного для работы в однокаскадном электрогидравлическом усилителе.

Разработанный программный модуль позволяет определить границы применения рассматриваемой конструкции ГР. Для определения области применения заданы граничные значения показателей, определяющих максимальные значения номинального расхода и подводимого давления: коэффициент запаса по усталостной прочности подвижной рамки-1; коэффициент запаса по устойчивости подвижной рамки-1; доля утечек в номинальном расходе до 100%;

механическая энергия перемещения подвижной рамки до 5000 мкДж, которая определена максимальными возможностями ЭМП, применяемых с таким типом ГР;

максимальное смещение золотника

Параметры подвижной рамки ГР могут изменяться в следующих диапазонах: Ограничения конструктивных параметров обусловлены требованиями к габаритам ЭГУ. Высота подвижной рамки ограничена длиной выходного звена ЭМП £эмп = 13 мм.

Рабочая жидкость имеет следующие физические свойства: плотность рабочей жидкости 850кг/м3, динамическая вязкость 0.0032 Па-с.

Исследование заключалось в определении максимальных значений номинального расхода и подводимого давления, для которых еще существует сочетание конструктивных параметров, удовлетворяющее наложенным ограничениям.

Рассмотрены конструкции, в которых зазор между основанием и распределителем (5) равен 10 мкм и 5 мкм.

Результаты исследования представлены на рис. 9.

Исследование показало, что при небольших подводимых давлениях для пропускания расхода требуются значительная ширина рабочих щелей, что приводит к увеличению внутреннего и внешнего диаметра диаметров рабочих щелей. Из-за этого увеличивается площадь, на которую воздействует рабочая жидкость под давлением, поэтому возрастает сила, действие которой приводит к нарушению устойчивости подвижной рамки ГР. Возрастание подводимого давления приводит к уменьшению размеров распределительной части ГР, но уменьшение внешнего диаметра рабочих щелей приводит к воз-

растанию утечек рабочей жидкости, что и определяет границу применения в области свыше 20 МПа.

Видно, что уменьшение зазора между основанием и распределителем приводит к увеличению области применения за счет значительного снижения утечек рабочей жидкости.

Рис. 9. Область применения гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе

Наиболее оптимально использовать исследованные конструкции в области давлений от 15 до 30 МПа при расходе до 5 л/мин. В этом диапазоне давлений геометрические размеры распределительной части получаются небольшими, что позволяет достигнуть наилучших сочетаний характеристик ГР за счет снижения жесткости подвесов и уменьшения утечек.

Таким образом, исследование области применения данной конструкции ГР показало, что его границы определяются такими недостатками конструкции как силовое воздействие на подвижную рамку со стороны жидкости под давлением, а также утечками рабочей жидкости. Для расширения области применения ГР с плоским золотником на упругом подвесе необходимо изменение конструкции, направленное на устранение или значительное уменьшение влияния этих недостатков. В этой связи, становится актуальной задача структурного улучшения конструкции.

В результате анализа, при участии автора, были разработаны две конструкции ГР с плоским золотником на упругом подвесе, в которых применены решения, приближающие техническую систему к идеальному конечному результату [7, 8]. Разработанные конструкции ГР, позволяют улучшить характеристики ГР. Причем для расчета разработанных конструкций можно использовать зависимости, приведенные в предыдущих главах работы.

В Заключении сформулированы основные выводы по работе, а также определены пути дальнейших исследований.

Приложения содержат вывод системы уравнений для расчета механических и прочностных характеристик подвижной рамки ГР, численные ре-

зультаты расчета зависимостей (в том числе и тестовых задач), опи-

сание проведения расчетов конструктивных параметров ГР с помощью программного модуля, описания патентов на разработанные полезные модели, а также акт о внедрении программного модуля в ЦНИИ автоматики и гидравлики.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. На основании моделирования, проведенного с помощью специализированной программы ANSYS, получены зависимости коэффициента расхода от параметров течения в открытых и перекрытых дросселирующих щелях ГР с плоским золотником на упругом подвесе, которые позволяют расширить область применения существующих формул. Таким образом, возможно увеличить точность и существенно упростить расчет регулировочных характеристик по расходу и перепаду давлений.

2. Сформирована целостная математическая модель, которая связывает выделенные показатели ГР с его основными конструктивными параметрами. В ней объединены расчеты механических и прочностных показателей, перекрытий, образующихся в результате соединения втулок распределителя и основания, а также регулировочных характеристик по расходу и перепаду давления. Модель учитывает влияние таких конструктивных параметров как допуски на размеры и взаимное положение поверхностей.

3. Проведено исследование влияния основных конструктивных параметров ГР на его характеристики. В результате исследования предложен метод расчета внешнего диаметра рабочих щелей, что позволяет добиться увеличения энергетической экономичности ЭГУ за счет снижения утечек рабочей жидкости, а также установлен оптимальный диапазон изменения относительной величины перекрытий рабочих щелей ГР.

4. Создан и отлажен программный модуль для расчета основных конструктивных параметров ГР, позволяющий в диалоговом режиме взаимодействия пользователя и ПЭВМ:

рассчитать основные конструктивные параметры распределительной (гидравлической) части ГР;

рассчитать основные конструктивные параметры подвижной рамки распределителя;

предложить пользователю критерии выбора (назначения) тех или иных параметрических вариантов распределителя;

осуществить выбор предпочтительных параметрических вариантов;

рассчитать и построить основные регулировочные характеристики распределителя.

5. С помощью программного модуля были проведены:

а) Параметрическая оптимизация существующей конструкции ГР. Целью расчета было определение такого сочетания конструктивных параметров ГР, которое позволило бы повысить давление гидропитания до 32 МПа.

б) Определение оптимальных конструктивных параметров ГР, который используется в первом каскаде двух и более каскадном усилителе. Полученное сочетание конструктивных параметров соответствует оптимальному сочетанию ресурса работы и механической энергии перемещения подвижной рамки, которые являются особенно важными характеристиками таких ГР.

в) Определены основные конструктивные параметры ГР, который предназначен для работы в однокаскадном усилителе. Предложенное сочетание конструктивных параметров соответствует требованиям по утечкам рабочей жидкости, а также оптимальному сочетанию ресурса работы и механической энергии перемещения подвижной рамки.

6. Определена область применения (по давлению и расходу) рассматриваемой конструктивной схемы ГР. Установлено, что наиболее оптимально использовать данную конструкцию в области от 15 до 30 МПа при расходе до 5 л/мин. Более низкие давления приводят к увеличению геометрических размеров распределительной части ГР, что увеличивает силовое воздействие на подвижную рамку, в результате чего происходит потеря её устойчивости и снижается ресурс работы ГР. Более высокие давления, приводят к уменьшению размеров распределительной части ГР, что увеличивает утечки рабочей жидкости.

7. В результате анализа и выявления противоречий разработаны новые конструктивные схемы, в которых элементы разгружены от сжимающей силы давления, благодаря чему возможно повысить надежность и ресурс работы ГР. Кроме этого разработанные схемы обладают большей энергетической экономичностью за счет уменьшения утечек рабочей жидкости. Снижение жесткости упругих подвесов позволяет улучшить динамические характеристики ЭГУ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Сол яр СВ., Голубев В.И. Анализ методов расчета статических характеристик дроссельных гидрораспределителей и их применение для плоских золотников на упругом подвесе// Восьмая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. В 3-х т. - М: Изд-во МЭИ, 2002.- Т. 3. - С. 259.

2. Соляр СВ., Голубев В.И. Применение программы А№У8 для исследования течений жидкости в гидравлических устройствах// Девятая Междунар. на'уч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. В 3-х т. - М.: Изд-во МЭИ, 2003.- Т. 3- С. 208209.

3. Соляр СВ., Голубев В.И. Исследование влияния конструктивных размеров распределителя на упругом подвесе на его функциональные параметры// Московская студенческая научно-техническая конференция «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика»: Тез. докл. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001-С. 24.

0S.Pl- о£06

4. Волков СВ., Голубев В.И., Соляр СВ. Исследование влияния конструктивных параметров плоского распределителя на упругом подвесе на его устойчивость// Вопросы оборонной техники. Сер. 9. Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы, 2002.- Вып. 2(225).- С. 32-34.

5. Соляр СВ., Голубев В.И., Волков СВ. Улучшение характеристик гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе// Вестник МЭИ.-2003.-№6.-С.3-7.

6. Соляр СВ., Голубев В.И. Исследование параметров течения в щелях гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе с помощью программы Л№У$// Десятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. В 3-х т.- М.: Изд-во МЭИ, 2004,- Т. 3.- С 178-179.

7. Гидроусилитель. Патент на полезную модель № 34218/ В.И. Голубев, И.А. Зюбин, СВ. Соляр. № 2003118867; Опубл. 27.11.2003. Бюл. № 33.

8. Гидроусилитель: Патент на полезную модель № 34219/ В.И. Голубев, И.А. Зюбин, СВ. Соляр. № 2003120213; Опубл. 27.11.2003. Бюл. № 33.

• * ' «

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ С

ПЛОСКИМ ЗОЛОТНИКОМ НА УПРУГОМ ПОДВЕСЕ.

1.1. Методы расчета и проектирования.

1.2. Методы определения регулировочных характеристик.

1.3. Анализ специализированных программных комплексов для решения задач гидрогазодинамики.

1.4. Выводы.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА

РАСХОДА ДРОССЕЛИРУЮЩИХ ЩЕЛЕЙ ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ С ПЛОСКИМ ЗОЛОТНИКОМ НА УПРУГОМ ПОДВЕСЕ ОТ ПАРАМЕТРОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ.

2.1. Постановка задач.

2.2. Решение тестовой задачи для дросселирующей двухкромочной кольцевой щели.

2.3. Моделирование течения в открытой дросселирующей щели гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе.

2.4. Решение тестовой задачи для цилиндрического дросселя с широким диапазоном изменения относительной длины.

2.5. Моделирование течения в перекрытой дросселирующей щели гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе.

2.6. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ.

3.1. Формирование массива выходных показателей гидрораспределителя.

3.2. Определение основных конструктивных параметров распределительной части.

3.3. Определение механических и прочностных характеристик подвижной рамки.

3.4. Определение утечек рабочей жидкости.

3.5. Определение перекрытий рабочих щелей.

3.6. Определение регулировочных характеристик.

3.7. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ НА ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ.

4.1. Исследование влияния параметров гидрораспредслителя на механические и прочностные характеристики.

4.2. Исследование влияния параметров гидрораспределителя на утечки рабочей жидкости.

4.3. Исследование влияния параметров гидрораспределителя па регулировочные характеристики.

4.4. Выводы.

5. РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ «РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ С ПЛОСКИМ ЗОЛОТНИКОМ НА УПРУГОМ ПОДВЕСЕ».

5.1. Назначение и структура программного модуля.

5.2. Определение оптимальных параметров гидрораспределителя.

5.3. Исследование области применения гидрораспределителя.

5.4. Конструктивные изменения, направленные на улучшение характеристик гидрораспределителя.

5.5. Выводы.

Электрогидравлические усилители с дроссельным управлением (ЭГУ) являются основной функциональной частью электрогидравлических следящих приводов и многих других силовых гидравлических систем [7, 9, 10, 11, 16 - 22, 31, 32, 36, 41, 42, 44, 46, 47 - 52, 54, 55, 57 - 67, 84, 86, 87, 88, 97 - 100, 103, 108]. ЭГУ преобразуют и усиливают до требуемого энергетического уровня входной маломощный электрический сигнал, формируемый внешней информационной системой. Данное усиление осуществляется за счёт гидравлической энергии, поступающей на усилитель от источника гидропитания. Усиление сигнала происходит путём управления величинами гидросопротивлений переменных дросселей ЭГУ при перемещении запорно-регулирующих элементов (ЗРЭ).

Укрупнённая функциональная схема ЭГУ включает следующие основные части:

- электромеханический преобразователь (ЭМП), воспринимающий маломощный электрический информационный сигнал и преобразующий его в сигнал механической природы (чаще всего поворотный, реже - поступательный и вращательный на неограниченный угол);

- систему гидроусилителей, состоящую, в общем случае, из нескольких каскадов (степеней) последовательного усиления энергетического уровня гидравлического сигнала до требуемого значения;

- систему обратной связи (ОС), которая может иметь различные схемоконструктивные исполнения.

Основная классификация электрогидравлических усилителей приведена на рис. В.1.

Основной технико-конструктивной частью каскада усиления ЭГУ является совокупность деталей, объединенных понятием «гидравлический распределитель» или «гидрораспределитель» (ГР).

Рис. В.1. Классификация электрогидравлических усилителей мощности И

В случае применения двух и более каскадных схем первый каскад должен воспринимать и обрабатывать (усиливать) информационные сигналы, обладающие низким энергоуровнем, что предъявляет особые требования по надежности, помехоустойчивости, чувствительности, линейности регулировочных характеристик и быстродействию этого каскада. Поэтому во входных каскадах используются, так называемые, проточные схемы, потребляющие гидравлическую энергию даже при отсутствии информационного сигнала, т.е. в ждущем режиме. Подавляющая часть многокаскадных ЭГУ имеет в первом каскаде ГР типа «струйная трубка», «сдвоенное сопло-заслонка», реже - «счетверенные сопла-заслонки» и золотниковые ЗРЭ. Выходные каскады усиления многокаскадных ЭГУ построены на базе непроточных золотниковых ГР с положительными или «нулевыми» перекрытиями дроссельных щелей ЗРЭ. Для однокас-кадных ЭГУ приходится искать компромисс между преимуществами проточных схем и, обладающими существенно лучшей экономичностью и жесткостью характеристик, непроточными ГР [18, 21, 57, 61 - 66, 84, 86, 97 - 100, 108].

В связи с очевидным стремлением уменьшения количества каскадов в ЭГУ при одновременном улучшении его технико-эксплуатационных и экономических характеристик особого внимания заслуживает комплекс вопросов, связанных с расширенным применением ГР с плоским золотниковым ЗРЭ на упругом подвесе (или ГР с плоским золотником на упругом подвесе), который выделен на рис. В.1.

Конструктивная схема ГР с плоским золотником на упругом подвесе приведена на рис. В.2. Конструкция состоит из двух основных деталей плоский ЗРЭ— 1 и основания 2. В верхней части ЗРЭ выполнены два пропила 8 и 9 и четыре фрезерованных паза 7, образующих систему из четырех плоских упругих пластин. Тем самым подвижный ЗРЭ представляет собой упруго-деформируемую консольную П-образную рамку 10 (подвижная рамка), нижняя плита которой может совершать плоскопараллельное движение в пределах, ограниченных максимальным смещением хтах. Усилие, необходимое для деформации упругих подвесов (перемещения ЗРЭ), развивается магнитной системой (якорем) ЭМП. В центральную часть рамки запрессована втулка 4, в которой запрессован поводок 3 со сферическим хвостовиком для присоединения ЗРЭ к выходному звену ЭМП. Нижняя плита ЗРЭ с запрессованными в неё втулкой 4 и поводком 3 образует золотник. В основание с натягом установлена втулка 5, имеющая пропилы, которые образуют дросселирующие щели требуемой шириной рабочих каналов />/, внутренний диаметр с// образует внутренние дросселирующие щели (внутренние рабочие щели), внешний диаметр с/? образует внешние дросселирующие щели (внешние рабочие щели). Во втулку 5 запрессована втулка 6, через которую подаётся рабочая жидкость с давлением рп и расходом О,,. Золотник, а также втулки основания, образующие дросселирующие щели, являются распределительной частью ГР.

Рис. В.2. Гидравлический распределитель с плоским золотником на упругом подвесе

При смещении ЗРЭ в каком- либо направлении (например влево) жидкость поступает по левому боковому каналу к потребителю (давление в канале Р1 и расход с//), а с помощью правого канала обеспечивается отвод жидкости от потребителя на слив (давление рг и расход (¡2). При изменении полярности информационного сигнала ЗРЭ перемещается вправо и уже правый боковой канал становится напорным, а левый — сливным. Нужные значения перекрытий обеспечиваются допусками на изготовление перечисленных деталей и их соединений, а зазор между плоскостью втулки 3 и плоскостями втулок 5 и 6 5 — также специальными технологическими приёмами, например прокладками из фольги.

Как следует из приведенного описания, ГР с такими ЗРЭ имеют целый ряд преимуществ по сравнению с цилиндрическими и поворотными ЗРЭ, а также обладают свойствами, характерными для проточных высокочувствительных ГРтипа «сопло-заслонка» и «струйная трубка» [62, 64 - 66]. Они имеют меньше деталей, существенно проще конструктивно и технологически, поскольку рабочими поверхностями являются плоскости, не имеют кинематических пар трения, так как перемещение плоского ЗРЭ при подаче управляющего сигнала происходит вследствие деформации (изгиба) упругих пластин. Это повышает чувствительность и надежность работы ГР. Попадание твердых частиц в зазор менее опасно, чем в цилиндрических золотников парах, поскольку за счёт деформации упругих пластин имеется возможность выдавливания частицы в проточный тракт без заклинивания системы.

В качестве недостатков ГР рассматриваемой схемы в существующей литературе обычно отмечается их менее удобная компоновка, а также сравнительно невысокие рабочие давления. В таких ГР практически исключена возможность реализации такого эффективного приёма, как создание «вложенных» и оболочечных конструкций по принципу «матрёшки», что весьма часто используется применительно к цилиндрическим золотниковым парам, размещаемым одна внутри другой, а всего комплекта - в штоке гидроцилиндра. Создание резервированных ЭГУ на базе таких ГР также наталкивается на трудности связанные с резким увеличением массогабаритных показателей.

Несмотря на то, что ГР с плоскими ЗРЭ на упругом подвесе используются уже несколько десятков лет, в литературе имеются лишь весьма отрывочные и разрозненные сведения по их расчёту, проектированию и конструированию. Поэтому решение задачи по формированию практически пригодного алгоритма и программы расчёта основных параметров и характеристик ГР, построенных с учётом возможностей современной компьютерной техники и ориентированных на интерактивное взаимодействие пользователя с компьютером, является актуальным.

Однако плоский ЗРЭ на упругом подвесе обладает целым рядом специфических свойств, пренебрежение которыми может привести к существенным погрешностям в расчётах, использующих общеизвестные соотношения и формулы.

В указанной связи прежде всего, следует обратить внимание на течение жидкости в специфических дроссельных щелях такого ГР. В данных ГР имеется значительная гидравлическая сила, «отжимающая» ЗРЭ от плоскости основания (увеличивающая зазор 5), что приводит к росту объёмных потерь и ухудшению регулировочных характеристик. Наблюдающаяся тенденция повышения рабочих давлений в силовых гидросистемах различных объектов (а, следовательно, и ЭГУ) может привести к проблемам проектирования ГР из-за возможной потери продольной устойчивости подвижной рамки. Простое решение, связанное с увеличением жёсткости упругих подвесов, потребует установки более мощных и, тем самым, инерционных и крупногабаритных ЭМП, что неизбежно ухудшит динамические и массогабаритные показатели системы.

Таким образом, цель данной работы - обеспечить возможность расширения применения ГРс плоским золотником на упругом подвесе в однокаскадных ЭГУ, а также в первых каскадах усиления двух и более каскадных ЭГУ, за счет оптимизационного проектирования, основывающегося на алгоритмизированной методике расчета основных конструктивных параметров, которая реализует диалоговое взаимодействие разработчика ГР с современной компьютерной техникой.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследовать процесс течения рабочей жидкости через дросселирующие щели ГР;

- сформировать математическую модель, описывающую механические и прочностные характеристики, образование начальных перекрытий и регулировочные характеристики ГР;

- исследовать влияние основных конструктивных параметров на характеристики ГР;

- разработать систему алгоритмов, обеспечивающих интерактивные способы определения оптимальных сочетаний конструктивных параметров ГР; создать и отладить программный модуль, реализующий разработанную систему алгоритмов; исследовать границы области применения ГР; провести анализ путей совершенствования конструктивной схемы ГР.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем: в анализе существующих методов расчета гидравлических параметров течения жидкости в дросселирующих щелях гидрораспределителя; в использовании современных способов расчета гидравлических параметров течения рабочей жидкости в рабочих щелях ГР с плоским золотником на упругом подвесе и установлении зависимости изменения коэффициента расхода от числа Рейнольдса Ис; в формировании целостной математической модели ГР, которая описывает механические и прочностные характеристики, деформации втулок, вследствие которых образуются перекрытия дросселирующих щелей, и регулировочные характеристики, на базе которой сформирована методика расчета основных конструктивных параметров ГР; в установлении влияния различных конструктивных параметров и точности изготовления ГР на его характеристики; в применении методов оптимизации при определении конструктивных параметров ГР.

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем: в разработке программного модуля расчета основных конструктивных параметров ГР, реализующего методы оптимизации и интерактивное взаимодействие пользователя с компьютером, позволяющего получать варианты решения, что ускоряет расчеты и повышает качество разработки, который внедрен в программный фонд ЦНИИ АГ (приложение 8); в определении конструктивных параметров оптимизированного ГР, предназначенного для работы в первом каскаде двух и более каскадном ЭГУ, а также ГР предназначенного для работы в однокаскадном ЭГУ; в установлении области применения исследуемого ГР;

- в усовершенствовании конструктивной схемы ГР.

На защиту выносятся:

- результаты исследования зависимостей коэффициента расхода открытых и перекрытых дросселирующих щелей от Re;

- математическая модель ГР;

- результаты исследования влияния основных конструктивных параметров ГР на его характеристики;

- методика и программный модуль расчета оптимальных конструктивных параметров ГР;

- результаты определения конструктивных параметров ГР, работающих в качестве первого каскада в двух и более каскадном ЭГУ, а также в однокас-кадном ЭГУ;

- результат исследования области применения ГР;

- новые конструктивные схемы ГР, позволяющие улучшить его характеристики.

По материалам диссертационной работы опубликованы две статьи [15,

79] и четыре тезиса докладов на научно-технических конференциях [76 - 78,

80], а также получены два патента на полезные модели (приложения 6 и 7) [104, 105].

5.5. Выводы

1. Разработанный программный модуль предназначен для расчета основных конструктивных параметров ГР с плоским золотником на упругом подвесе.

Модуль позволяет в диалоговом режиме взаимодействия пользователя и ПЭВМ: рассчитать основные конструктивные параметры распределительной (гидравлической) части ГР; рассчитать основные конструктивные параметры подвижной рамки распределителя; предложить пользователю критерии выбора (назначения) тех или иных параметрических вариантов распределителя; осуществить выбор предпочтительных параметрических вариантов; рассчитать и построить основные регулировочные характеристики распределителя.

Модуль имеет структуру, блоки встроенных программ, систему межпрограммного и внешнего информационного обмена, позволяющих использовать его как автономным образом, так и в составе расширенного программного набора для расчета и проектирования ГР.

2. Для параметрической оптимизации ГР может быть использована последовательность действий представленная на рис. 5.4. Представленный алгоритм реализует последовательное или отдельное использование метода построения области Парето и метода свертки критериев с помощью целевой функции. Причем построение области Парето происходит с выделением двух характерных показателей, за счет перевода показателей конкурентоспособности в показатели работоспособности, с заданием ограничений по их величине.

3. На основании разработанного программного модуля были проведены: параметрическая оптимизация существующей конструкции ГР; определение оптимальных конструктивных параметров ГР, предназначенного для работы в первом каскаде двухкаскадного ЭГУ; определение оптимальных конструктивных параметров ГР, предназначенного для работы в однокаскадном ЭГУ.

4. В результате исследования области применения конструкции ГР с плоским золотником на упругом подвесе установлено, что наиболее оптимально использовать данную конструкцию в области от 15 до 30 МПа при расходе до 5 л/мин. Более низкие давления приводят к увеличению геометрических размеров распределительной части ГР, что увеличивает силовое воздействие на подвижную рамку, в результате чего происходит потеря устойчивости и снижается ресурс работы ГР. Более высокие давления, приводят к уменьшению размеров распределительной части ГР, что увеличивает утечки рабочей жидкости.

5. Разработаны новые конструкции ГР, которые позволяют улучшить характеристики ГР. Причем для расчета разработанных конструкций можно использовать зависимости, приведенные в предыдущих главах работы. Отличие состоит лишь в определении механических и прочностных характеристик ГР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. На основании моделирования, проведенного с помощью специализированной программы АЫЭУЭ, получены зависимости коэффициента расхода от параметров течения в открытых и перекрытых дросселирующих щелях ГР с плоским золотником на упругом подвесе, которые позволяют расширить область применения существующих формул. Таким образом, возможно увеличить точность и существенно упростить расчет регулировочных характеристик по расходу и перепаду давлений.

2. Сформирована целостная математическая модель, которая связывает выделенные показатели ГР с его основными конструктивными параметрами. В ней объединены расчеты механических и прочностных показателей, перекрытий, образующихся в результате соединения втулок распределителя и основания, а также регулировочных характеристик по расходу и перепаду давлений. Модель учитывает влияние таких конструктивных параметров как допуски на размеры и взаимное положение поверхностей.

3. Проведено исследование влияния основных конструктивных параметров ГР на его характеристики. В результате исследования предложен метод расчета внешнего диаметра рабочих щелей, что позволяет добиться увеличения энергетической экономичности ЭГУ за счет снижения утечек рабочей жидкости, а также установлен оптимальный диапазон изменения относительной величины перекрытий рабочих щелей ГР.

4. Создан и отлажен программный модуль для расчета основных конструктивных параметров ГР, позволяющий в диалоговом режиме взаимодействия пользователя и ПЭВМ: рассчитать основные конструктивные параметры распределительной (гидравлической) части ГР; рассчитать основные конструктивные параметры подвижной рамки распределителя; предложить пользователю критерии выбора (назначения) тех или иных параметрических вариантов распределителя; осуществить выбор предпочтительных параметрических вариантов; рассчитать и построить основные регулировочные характеристики распределителя.

5. С помощью программного модуля были проведены: параметрическая оптимизация существующей конструкции ГР, с целью определения такого сочетания конструктивных параметров ГР, которое позволило бы повысить давление гидропитиания до 32 МПа; определение оптимальных конструктивных параметров ГР, который используется в первом каскаде двух- и более каскадном усилителе. Полученное сочетание конструктивных параметров соответствует оптимальному сочетанию ресурса работы и механической энергии перемещения подвижной рамки, которые являются особенно важными характеристиками таких ГР; определены основные конструктивные параметры ГР, который предназначен для работы в однокаскадном усилителе. Предложенное сочетание конструктивных параметров соответствует требованиям по утечкам рабочей жидкости, а также оптимальному сочетанию ресурса работы и механической энергии перемещения подвижной рамки.

6. Определена область применения (по давлению и расходу) рассматриваемой конструктивной схемы ГР. Установлено, что наиболее оптимально использовать данную конструкцию в области от 15 до 30 МПа при расходе до 5 л/мин. Более низкие давления приводят к увеличению геометрических размеров распределительной части ГР, что увеличивает силовое воздействие на подвижную рамку, в результате этого происходит потеря её устойчивости и снижение ресурса работы ГР. Более высокие давления приводят к уменьшению размеров распределительной части ГР, что увеличивает утечки рабочей жидкости.

7. В результате анализа и выявления противоречий разработаны новые конструктивные схемы, упругие подвесы которых разгружены от сжимающей силы давления, благодаря чему возможно повысить надежность и ресурс работы ГР. Кроме этого разработанные схемы обладают большей энергетической экономичностью за счет уменьшения утечек рабочей жидкости. Снижение жесткости упругих подвесов позволяет улучшить динамические характеристики ЭГУ.

Отдельно следует выделить задачи, которые требуют дальнейшего исследования.

Течение в дросселирующих каналах, отношение длины (перекрытия) к зазору которых изменяется от 0 до 1.5, представляет собой сложный нестабильный характер. Подобные течения мало изучены, в том числе применительно и к дросселирующим щелям ГР с плоским золотником на упругом подвесе, кроме этого мало изучены вопросы влияния осцилляции на течение рабочей жидкости через дросселирующие щели. Проведение таких исследований позволило бы уточнить методику.

Также представляет интерес проведение исследований, определяющих связи конструктивных параметров ГР и допусков на них со стоимостными характеристиками ГР. Подобные исследования позволили бы дополнить методику возможностью стоимостной оптимизации.

Требует дополнительного изучения зависимость гидродинамической силы от конструктивных параметров и параметров течения рабочей жидкости через рабочие щели ГР.

1. Акияма Н., Абу Е. О коэффициентах расхода гидравлического переключаю-щего золотникового клапана. Нихон Кикай Гаккай Ромбусю, 1970.— Т. 36, вып. 286.— С. 266-281.

2. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения.— М.: Московск. рабочий, 1973.• 3. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука.— М.: Сов. радио, 1979.

3. Альтшуллер Г.С. Как научиться изобретать.— Тамбов: Кн. изд-во, 1961.

4. Аракелян Э.К., Пикина Г.А. Оптимизация и оптимальное управление: Учебное пособие/ Под ред. Т.Е. Щедеркиной. — М.: Изд-во МЭИ, 2003.

5. Артемов В.В., Круглов В.Ю. Сравнительный анализ электрогидравлическихраспределительных аппаратов// Системы управления конверсия - проблема: Материалы науч.-техн. конф.— Ковров КГТА.— С.77-78.

6. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Электрогидравлические и гидравлические виб• рационные механизмы.— М.: Машиностроение, 1977.

7. Баранов Г.Г. О выборе допусков обеспечивающих заданную точность механизма и наименьшую стоимость его изготовления.// В кн.: Тр. Ин-та машиноведения.— М., 1956.— вып. 11—С. 114-116.

8. Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика.— М.: Машиностроение,1972.

9. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика.— М.: Машиностроение,• 1963.

10. И. Бекиров Я.А. Технология производства следящего гидропривода.— М.: Машиностроение, 1977.

11. Беязов Й.Й. Аналоговые гидроусилители.— М.: Машиностроение, 1983.

12. Бургвиц А.Г., Форенталь В.И. Особенности расчета гидравлических характеристик четырехщелевого золотника при малых открытиях дросселирующих щелей // Изв. вузов. Машиностроение.— 1987.— №8.— С. 76-80.

13. Бургвиц А.Г., Форенталь В.И. Характеристики золотниковых гидрораспределителей с учетом микрогеометрии дросселирующих щелей // Вестник машиностроения.— 1993.— №3.— С. 25-28.

14. Гамынин Н.С. Гидравлический привод систем управления.— М.: Машиностроение, 1972.

15. Гамынин Н.С. Основы следящего гидравлического привода.— М.: Оборо-низ, 1962.

16. Гидравлика и гидроавтоматика. Учебное пособие/ Борисова H.A., Гамынин Н.С., Кареев В.И. и др.— М.: МАИ, 1985.

17. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы/ Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др.— М.: Машиностроение, 1982.

18. Гидравлические и пневматические силовые системы управления: Пер. с анг./ Под ред. Дж. Блэкборна и др.— М.: Машиностроение 1962.

19. Гидравлические приводы летательных аппаратов/ Н.С. Гамынин, В.И. Кареев, A.M. Потапов и др.; под ред. В.И. Кареева.— М.: Машиностроение, 1992.

20. Гидравлический привод/ Гавриленко Б.А., Минин В.А., Рождественский С.Н.— М.: Машиностроение, 1968.

21. Годжело А.Г. Допуски, размерные цепи и индекс качества.— М.: МЭИ, 1999.

22. ГОСТ 22750-77. Усилители мощности электрогидравлические. Основные параметры и технические требования. Изд-во стандартов, 1978.

23. Голубев В.И., Попов A.M. Расчет гидравлических характеристик дросселирующих устройств при докритических числах Рейнольдса// Международная научная конференции ЕМФ'98. София. Тез. докл.— 1998г.— С. 19-25.

24. Данилов Ю.А., Кирилловский Ю. Л., Колпаков Ю. Г. Аппаратура объёмных гидроприводов: Рабочие процессы и характеристики.— М.: Машиностроение, 1990.

25. Даршт Я.А., Холкин H.H., Куванов К.Е. Моделирование потоков рабочей жидкости в каналах гидроаппаратов //Приводная техника— 1999.— №9-10.—С. 34-39.

26. Динамика следящих приводов: учебное пособие для ВТУЗов/ Б.И. Петров,

27. B.А. Полковников, Л.В. Рабинович и др.; под. Ред. Л.В. Рабиновича.- 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Машиностроение, 1982.

28. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика.— М.: Машиностроение. 1987.

29. Ермаков С.А., Жукова М.О., Селиванов М.П. и др. Статистический анализ разброса характеристик и параметров состояния типовых электрогидравлических усилителей мощности // Вестник машиностроения.— 1976.— №5.—1. C. 10-13.

30. Ермаков С.А., Тимофеев А.Б., Фомичев В.М. Принципы составления моделирующих алгоритмов электрогидравлических приводов с дроссельным регулированием// Труды МАДИ. Гидропневмоавтоматика и гидропривод, 1974.— вып. 74.— С.73-85.

31. Захаров Ю.Е., Баранов В.Н., Шомло Я. Определение коэффициента расхода и гидродинамической силы на золотниках гидравлических сервомеханизмов// Станки и инструмент.— 1962.— №3.— С. 16-21.

32. Захаров Ю.Е. К вопросу о гидродинамике золотников // Известия Вузов СССР. Машиностроение— I960 — вып.9,— С. 16 24.

33. Зенкин A.C., Петко И.В. Допуски и посадки в машиностроении: Справочник.— К.: Технжа, 1981.

34. Зуев Ю.Ю. Гидромеханический привод с дроссельным управлением.— М.: Изд-во МЭИ, 1992.

35. Зуев Ю.Ю. Основные принципы системно—креативного подхода в продуктивной инженерной деятельности: Учебное пособие.— М.: Изд-во МЭИ, 2003.

36. Зуев Ю.Ю. Основы теории формирования эффективных решений и управления процессом разработки конкурентоспособной техники: Учебное пособие,— М.: Изд-во МЭИ, 2004.

37. Зуев Ю.Ю. Особенности постановки и решения задач параметрического синтеза в продуктивной инженерной деятельности: Учебное пособие.— М.: Изд-во МЭИ, 2004.

38. Зуев Ю.Ю., Островский В.Л. Расчет электрогидравлического следящего привода с позиции продуктивной инженерной деятельности.— М.: Изд-во МЭИ, 1998.

39. Зуев Ю.Ю., Разинцев В.И. Методические указания к дипломному проектированию по специальности «Гидравлические машины и средства автоматики». Расчет электрогидравлического следящего привода с дроссельным управлением.— М.: МЭИ, 1987.

40. Илюхин Ю.В., Лобачев В.И. Особенности моделирования на ЦВМ динамики комплекса гидроприводов дроссельного регулирования// Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления. Сб. статей. Вып. 4.— М.: Машиностроение, 1977.— С. 46-55.

41. Иринг Ю. Проектирование гидравлических и пневматических систем: Пер. со словац. Д.К. Раппопорта. Л.: Машиностроение, 1983.

42. Исаев Ю.М. К определению коэффициента расхода гидравлического дросселирующего распределителя//Тр. СПбГТУ, 1997.— №465.— С. 50-53.

43. Казмиренко В.Ф. Электрогидравлические мехатронные модули движения: Основы теории и системное проектирование. М.: Радио и связь, 2001.

44. Крассов И.М. Гидравлические элементы в системах управления.— М.: Машиностроение, 1967.

45. Крымов Б. Г., Рабинович J1. В., Стеблецов В. Г. Исполнительные устройства систем управления летательными аппаратами.— М.: Машиностроение, 1983.

46. Куприянов Ф.Ф., Шаров Г.В. Унифицированные дросселирующие гидрораспределители с плоским поворотным золотником// Вестник машиностроения— 1979.— №6.— С. 188-200.

47. Лещенко В. А. Гидравлические следящие приводы станков с программным управлением.— М.: Машиностроение, 1975.

48. Литвин-Седой М.З. Гидравлический привод в системах автоматики.— М.: Машгиз, 1956.

49. Математическое моделирование и оптимизация гидросистем: Учеб. пособие/ Боровин Г.К., Попов Д.Н., Хван В.Л.; под. ред. Д.Н. Попова.— М.: Изд-во МГТУ, 1995.

50. Никитин Г.А. О некоторых особенностях течения жидкости через зазоры микронных размеров// Гидропривод и гидропневмоавтоматика в машиностроении. Сб. статей, М.: Машиностроение, 1966.— С. 126-137.

51. Никитин Г.А., Комаров A.A. Распределительные и регулирующие устройства гидросистем.— М.: Машиностроение, 1965.

52. Объемные гидравлические приводы/ Т.М. Башта, И.З. Зайченко, В.В. Ермаков и др.; под ред. Т.М. Башты.— М.: Машиностроение, 1969.

53. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач.— М.: Наука. 1982.

54. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосиситем: Учебник для вузов. 2-е изд.— М.: Машиностроение, 1987.

55. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов: Учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов в обл. техники и технологии.— М.: Изд-во МГТУ, 2001.

56. Проектирование следящих гидравлических приводов летательных аппаратов/ А. И. Баженов, Н. С. Гамынин, В. И. Кареев и др.— М.: Машиностроение, 1981.

57. Пропорциональная техника и техника сервоклапанов: учебный курс гидравлики. Т.Лор на Майне: Маннесман Рексрот, 1986.

58. Применение гидроаппаратуры с дистанционным пропорциональным управлением на базе линейных электромагнитов с электронными согласующими блоками.— М.: НИИМаш, 1984.

59. Разинцев В. И. Электрогидравлические усилители мощности-М.: Машиностроение, 1980.

60. Разинцев В.И. Повышение эффективности гидроприводов с дроссельным регулированием.— М.: Машиностроение, 1993.

61. Разинцев В.И. Электрогидравлические усилители мощности.— М.: МЭИ, 1984.

62. Разинцев В.И. Электрогидравлические усилители мощности. Учебное пособие по курсу «Регулирование и динамика гидросистем».— М.: МЭИ, 1981.

63. Разинцев В.И., Наумов C.B., Волков C.B. и др. Унифицированный ряд электрогидравлических усилителей мощности // Приводная техника— 1999.— №3-4.— С. 31-34.

64. Редько П.Г. Электрогидравлические усилители мощности завода «Восход»// Привод и управление.—2000.— №2.— С. 23-32.

65. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 1 и Кн. 2.— М.: Мир, 1986.

66. Свешников В.К. Обзор российского рынка гидрооборудования. Дросселирующие гидрораспределители // Приводная техника— 1998.— №10.— С. 16-22.

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

68. Серенсен C.B. Справочник машиностроителя.— М.: Машиностроение, 1955, т. 3.

69. Следящие приводы: Т.1: Теория и проектирование следящих приводов/ под ред. Б.К. Чемоданова.— М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.

70. Следящие приводы/ Е.С. Блейз, Ю.А, Данилов, В.Ф. Казмиренко и др./ под ред. Б.К. Чемоданова. В 2-х кн.— М.: Энергия, 1976.

71. Снитко Н.К. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1972.

72. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями.— М.: Наука, 1981.

73. Соляр C.B., Голубев В.И., Волков C.B. Улучшение характеристик гидрораспределителя с плоским золотником на упругом подвесе// Вестник МЭИ— 2003 —№6,— С.3-7.

74. Сопротивление материалов. /Под редакцией АН УССР Г.С. Писаренко— Киев: Вища школа. Головное издательство, 1986.

75. Справочник по авиационным материалам.— М.: ВИАМ, 1962.

76. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов.— М.: Наука, 1979.

77. Фомичев В.М. Дросселирующий распределитель супер-класса для общемашиностроительного применения // Приводная техника— 1998.— №8-9.— С. 49-57.

78. Фомичев В.М. Обобщенные гидравлические характеристики элементов гидравлических усилителей мощности// Изв. вузов Машиностроение— 1969.— №4.— с.78-84.

79. Фомичев В.М. Расчет характеристик гидравлических усилителей мощности с учетом температуры жидкости// Вестник машиностроения— 1973.— №10.—С.31-34.

80. Фомичев В.М. Синтез параметров электрогидроусилителей// Вестник машиностроения— 1977.— №11.— С. 31-36.

81. Фомичев В.М. Современные электрогидравлические усилители мощности// Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления. Сб. Статей. Вып 5.— М.: Машиностроение, 1978 — С .210-223.

82. Фомичев В.М., Оленин О.М., Бирюков О.Я. и др. Безразмерные гидравлические характеристики цилиндрических насадков учитывающие кавитацию и число Рейнольдса// Вестник машиностроения— 1975.— №11.— С. 7-11.

83. Фомичев В.М., Чайковский Ю.В., Бирюков О.Я. Значения коэффициента расхода цилиндрических золотниковых распределителей гидроприводов// Вестник машиностроения— 1977.— №9.— С. 10-13.

84. Форенталь В.И. Зависимость гидравлических характеристик золотниковых гидрораспределителей от микрогеметрии дросселирующих щелей: Автореферат дис. канд. тех. наук: 05.04.13/МАДИ.— М., 1991.

85. Форенталь В.И. К вопросу о течении жидкости через дросселирующие щели золотников // Изв. вузов. Машиностроение. 1986.— №3.— С. 65-69.

86. Хорошев А.Н. Введение в управление проектированием механических си-ситем: Учебное пособие. — М.: Изд-во МЭИ, 1999.

87. Хохлов В.А. Коэффициент гидравлических потерь и коэффициент расхода жидкости через окна цилиндрических золотников гидравлических исполнительных механизмов//Автоматика и телемеханика, 1955.— т. XVI.— №1.

88. Хохлов В.А. Электрогидравлический следящий привод.— М.: Наука. 1966.

89. Чупраков Ю. И. Основы гидро- и пневмоприводов.— М.: Машиностроение, 1966.

90. Чупраков Ю. И. Гидропривод и средства гидроавтоматики.— М.: Машиностроение, 1979.

91. Чупраков Ю.И. Электрогидравлические усилители.— М: МАДИ, 1968.

92. Чупраков Ю.И. Дросселирующие гидрораспределители следящих электрогидроприводов.— М.: МАДИ, 1976.

93. Чупраков Ю.И. Электрогидравлические следящие приводы.— М.: МАДИ, 1975.

94. Шварцбурд Б.И. Технология производства гидравлических машин.— М.: Машиностроение. 1978.

95. Электрогидравлические следящие системы/ В. А. Хохлов, В. Н. Прокофьев, Н. А. Борисова и др. ; под ред. В А. Хохлова.— М.: Машиностроение, 1971.• 169

96. Гидроусилитель: Патент на полезную модель № 34218/ В.И. Голубев, И.А. Зюбин, С.В. Соляр.— № 2003118867; Опубл. 27.11.2003,— Бюл. № 33.

97. Гидроусилитель: Патент на полезную модель № 34219/ В.И. Голубев, И.А. Зюбин, С.В. Соляр.—№ 2003120213; Опубл. 27.11.2003.— Бюл. № 33.

98. Akiyama N., Anno Y. The Discharge Coefficient of Spool Type Hydraulic Valve. Bulletin of the JSME, 1972, Vol. 15, No. 85, pp. 858-865.

99. Launder, B.E., Spalding, D.B, "The Numerical Computation of Turbulent

100. Flows", Computer Methods In Applied Mechanics and Engineering, Vol. 3.— 1974,— pp 269-289.

101. Maskrey R.H. Thayer W.J. A brief history of electrohydraulic servomecha-nisms// Trans. ASME. J. Dyn. Syst., Meas., and Contr., 1978, 100 — №2 — P. 110-116.