автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Оптимальное проектирование гидравлических клапанов непрямого действия

ХАРЬКОВСКИЙ ОРДЕНА. ЛШИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЫГ.ОЙ РЕВОЛЮЦИИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ В.И.ЛЕНИНА

На правах рукописи

Дкибраиль Ахмед Taxa

ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ КЛАПАНОВ НЕПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

05.04.13 - гидравлические машины и гидропневыоагрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1992

/

Работа выполнена па кафедре пртвод" Харьковсиэго полигехииче

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

"Гидропневмоавтоматика и гидро-ского института имеш! В.И.Ленина

кандидат технических наук, доцент Запорожец В.П. доктор технических наук, профессор Яхно О.М.

кандидат технических наук, ведущий инженер Пономаренко В.Д.

ВНШГидропривод

Защита состоится *уп " С' 1992 г. в чаоов

1П минут на заседании специализированного совета Д 068.39.01 в Харьковском политехни шском институте имени В.И,Ленина (310002, Харьков, ГОН, ул. Фрунзе, 21)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского политехнического института имени В.И.Ленина

Автореферат разослан " " ^ I_г.

Ученый оекретарь опзциалнэированного совета к.т.н., доцент

Зайченко Е.Т.

•'ЧУ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

К современным гидроприводам и средствам гидроавтоматики, ко -торне находят широкое применение в различных областях машиностроения, предъявляются требования по обеспечению надежности, быстро -действия, устойчивой работы, постоянства контролируемых рабочих характеристик потока, точности срабатывания и другие. Эти требования обеспечиваются регулирующей гидроаппаратурой, к которой относятся, в частности, предохранительно-переливные и редукционные клапаны. Эти клапаны, являющиеся наиболее распространенными гид -равлическими аппаратами регулирования, входят в оостав каждой гидросистемы. Их статические и динамические характеристики существенно влияют на работу всего гидропгивода. В эксплуатации ветре -чаются два типа этих клапанов, которые отличаются по конструкции: клапаны прямого и клапаны непрямого действия. Клапаны непрямого действия применяют при работе с выоокими давлениями или большими расходами, во избежание громоздкости конструкции и, в конечном счете, оамой гидросистемы вообщь.

Одной из важных задач проектирования клапанов непрямого действия являетоя выбор геометрических и гидромеханических параметров канала управления, во многом определяющего их статические и динамические. характерисики.

Цель и задачи работы

Задачей работы является создание математической модели, стати-чеонэй характеристики клапанов непрямого действия. Анализ влияния геометрических, гидродинамических, и механических параметров элементов канала управления на точность поддержания редуцируемого давления. Составление математической модели динамики редукционного клапана в двух вариантах его применения. Анализ влияния различных параметров и элементов клапана на качество его переходного процесоа. Формулировка критерия выбора диаметров дросселя и оопла канала управления и разработка алгоритма оптимального проектирования' клапанов непрямого действия.

Научная новизна работы

Составлена математическая модель статики и динамики редук -ционного клапана. Получено уравнение; непосредственно связывающее давление питания каскада управления с давлением в междроссельной камере. Разработан алгоритм решения си о те мы алгебраичеоких тран-цидентинх уравнений, описывающих статическую характеристику НС,

базирующийся на модифицированной методе итерации.-Установлено влияние параметров клапана, геометрических размеров элементов каокада управления на статическую ошибку клапана и на качество переходного процесоа. Получен критерий выбора оптимального соотношения диаметров основных элементов канала управления - диаметра оопла и диаметра постоянного дросселя. Выделена область рациональных диаметров сопла.

На защиту выносятся следующие основные положения. Математическая модель статической характеристики редукционного клапана, иатештичеокая модель динамики Ш. Методика выбора оптимального диаметра постоянного дросселя канала управления и ронование выбора диаметра сопла.

Практическая иеннооть работы

Полученные результаты исследования влияния параметров клапана на точность поддержания редуцируемого давления, а также ре -зультаты исследования динамики клапана дают основание для выбора формы дросселирующей канавки, диаметра постоянного дроооеля, жесткооти пружины, удерживающей золотник и других параметров, в зависимости от функции, которую они выполняют. Предложена методика выбора соотношения диаметров элементов канала управления, которая экономит время и труд в поиске оптимальных значений разме -ров элементов канала управления.

Методика исследования

Методика исследования включает в себя экспериментальное аналитическое исследование, эмпирический прогноз математичеоюго моделирования работы аппаратов в установившемся и неустановившемоя режимах работы, программирование и отладку программы.

Внедрение полученных результатов

Результаты работы апробированы в конструкторских раяработ -ках ВНИИГидропривода и ОКБ "Теплоавтомат".

Апробация работы и публикации

По результатам работы были сделаны научные доклады на Вое -ооюзной конференции в городе Харькове в апреле 1989 г. и на Конференции "Пневматические средства контроля и управления технологическими процессами" в городе Пензе в октябре 1990 г. Принята к печати в сборнике "Гидравлические машины" статья.

Структура и объем работы

Работа ооотоит нз введения, четырех глав, выводов, описка литературы и приложения. Работа содержит 149 страниц машинописного текста и 79 рисунков.

СОДЕ МАШЕ РАБОТЫ

Во введении даетоя обоснование актуальности работы.

В первой глава рассматриваются особенности гидравлических регулирующих аппаратов, применяемых в гидросистемах станочных приводов, отличительные черты клапанов прямого и непрямого действия: пр!веден принцип работы клапанов непрямого действия как пе -реливных, так и редукционных клапанов. Проведен анализ обзора литературных источников, связанных с исследованием гидравлических клапанов. Изложены ооновные направления, по которым ведутся ио -следования гидравлических клапанов. Наиболее полно эти вопросы ■ отражены в работах Попова Д.Н., Ситникова Б.Т., Измокерва В.А., позволяющих решать вопросы премирования клапанов прямого действия на современном уровне и исследование возможности создания новых работоспособных схем.и конструкции этих клапанов. Вместе о тем, в литературе недостаточно освещены вопрооы пректирвания клапанов непрямого действия и, в частности, каскада управления. Отсутствуют методики позволяющие выбирать размеры элементов клапана, критерии и рекомендации, позволяющие рализовывать машинное проектирвание клапанов непрямого действия на база модели оптими-. зации. Поставленная цель может быть рализована путем глубокого всестороннего анализа влияния гидравлических, геометрических и механичеоких-параметров клапанов непрямого действия на их стати-чеокие и'динамичеокие характеристики. Для удобства нами рассмотри серийно выпускаемый перливной клапан Г-52 и рдукционный клапан Г-57, охемы которых широко прдотавлены в литературе.

Во второй главе проведен анализ влияния геометрических и гидродинамических параметров клапанов непрямого действия на их ра -боту и, в частности, на чувствительность и погршность отслеживания выходного параметра. С этой целью были разработаны математи -чеокие модели прдохранительных и редукционных клапанов непрямого-действия. Эти модели построены на базе традиционных схем анализа гидроаппаратов. Ниже приведена такая модель для редукционного клапана.

^ -f^ff /frñ ;

S

= (26 -sin2d)n cosj, ; = ; в =atccos(i- )\

/7 -

dt

где <?í4i/, ^аяд - раоход райочей жидкости ооответственно через дроооелирущую щель, дроосель оопло-шаркк и через постоянный дроссель ;

dit cía t ~ Ооответственно диаметр сопла, диаметр по-

яска золотника в междроссельной камере, диаметр золотника у дросселирующей кромки и диаметр постоянного дросселя канала управления ;

уисни , - коэффициента расхода дросселирующей цели, дрооселя соплэ-шар!к и постоянного дросселя;

ОС , У - координаты положения шарика и золотника ;

- предварительное поджатое пружин, удерживающих шарик и золотник;

С,, Сг - коэффициенты жесткости данных пружин";

■Ри -р* I Рз~ давление рабочей жидкэсти в полостях подвода, мендроссельной камере и редуцирования;

Я - чиоло лысок;

а и с - размеры лыоки образующей дросселирующей канавки ;

8 - коэффициент сжатия отруи рабочей жидкости в дросселирующей щели.

Отличительной особенностью этой модели является полученное автором уравнение, непосредственно связывающее давление в меж -дроссельной камере о редуцируемым давлением. На базе метода Кар-дано отлажено решение данного уравнения. Решение системы уравнений (I) реализовано модифицированным методом итерации- обратным восхождением. Проведено аналитическое исследование влияния расхода нагрузки. Формы и геометрии дросселирующей щели, диаметра постоянного дросселя, жестнэсти пружины, удерживающей золотник, соотношения уровня редуцируемого давления, диаметра пояска междроо-оельнои камеры на погрешность, отслеживания заданного уровня редуцируемого давления (рис. I).Проведен широкомасштабный эксперимент, позволяющий идентифицировать результаты аналитических исследова -ний (рис. 2). Установлено, что для повышения чувствительности редукционного клапана следует уменьшать диаметр дросселя канала управления относительно диаметра сопла, уменьшать жесткость пружины, удерживающей золотник, кодифицировать форму и размеры дрэоселиру-«ицей щели.

В третьей глава проведен анализ влияния геометрических и гидромеханических параметров клапанов непрямого действия ^на их работу и, в частности, на быстродействие и качество переходного про -цесса. Для этого были разработаны математические модели динамики переливного и редукционного клапанов непрямого дейотвия. Было рассмотрено два варианта работы, характерных для редукционного клапана - без нагрузки и о типовой нагрузкой. Ниже приведена мате-, матическая модель редукционного клапана, работающего на типовуп нагрузку.

1о /а и р-к* О.—ЯГ

Рио. I. Влияние параметров редук- Рис. 2. Статические характерио-ционного клапана непрямого дейст- тики редукционного клапана не-

вия и формы его дросселирующей - прямого действия, полученные

канавки на погрешность поддержа- расчетный ( ■ ■ ) и экспершен-

ния редуцируемого давления тальныы (---) путями

Чч

Л

V V о. кх **

//

ч>

уги у <*

- ЬРл -/а У

с-и. С,

* 2Гр7 '

р эге*1 ,ГГ '• I

7/2

где £ - объемный модуль упруго от рабочей жидкости;

V;,- объем полости гидроцилиндра, воспринимаемый как нагрузка; изменение расхода нагрузки;

&Рз - изменение редуцируемого давления, соответствующее л@ц ;

л-р2~ соответствующее изменение давления в междроссельной камере ;

дСС ,лУ - перемещение шарика и золотника ; у , у - уокорение и скорость движения золотника; Кщ, - гидравличеокая проводимость по перемещению соот -ветотвенно дросселирующей щели и дросселя сопло-шарик;

^с-и, »^э ~ гидравличеокая проводимость по давлению соответственно щели, сопла-шартка и постоянного дросселя;' /г - площадь проходного сечения оопла;

площадь торца золотника в меядроссельной камере. Выделена область устойчивой работы редукционного клапана. Проведены аналитические исследования влияния типовой нагрузки, диаметра дросселя канала управления, жесткости пружины, удерживающей золотник, соотношения редуцируемого давления и давления питания, геометрии дросселирующей щели, модуля объемной' упругости рабочей жидкости на быстродействие и качество переходного процвоса (рио. 3). Оказалось, что о увеличением диаметра дросселя, жест -кооти пружины, удерживающей золотник, и о уменьшением соотношения редуцируемого давления, быотродейотме редукционного клапана растет (рис. 4).

В четвертой главе сформулирована задача о выборе диаметра постоянного дросселя и диаметра сопла канала управления, базирующаяся на противоречивых тенденциях изменения чувсттнтел^нести и

А Л I 1 сЧь сЪГё* е

Иг V' Ы

0. е 4 $ гю'ц ю

0 ! 1 * г «' о 1 . ■„.«-

Рис. 3. Переходной процесс для редукционного клапана

Рио. Влияние параметров редукционного клапана на его быстродействие

быстродействия клапанов при варьировании, напр1мер, диаметра постоянного 'дросселя канала управления (рис. 5).

и

¡3

1 1 V

1 Л \

1 I 1

¡¡,•5.5 Ю'м р, -ё Ю'Па

Й1С. 5. Влияние диаметра постоянного дросселя канала управления редукционного клапана на его чувствительность и быстродействие

3 !б'„ 4

Проведен энергетический анализ работы канала управления с целью выявления аналитической зависимости мзжду мощностью, затрачи-

ваемой на совершение работы по перемещению золотника, и соответствующим ей изменением мощности на постоянном дросселе канала управления. Сформирован кргтерий выбора оптимального диаметра этого дросселя, основанный на достижении максимального изменения шщнос-ти на дросселе, соответствующий идентичному изменению мощности управления на золотнике. Целью предложенной оптимизирующей функции является достижение высокого быстродействия клапана непрямого действия при сохранении требуемой чувствительности в рамках таких ограничительных функций как расход рабочей жидкости через канал управления и устойчивая работа клапана. Нике приводится уравнение функции щели, позволяющее выбрать диаметр постоянного дросселя канала управления, длл которого реализуютоя указанные выше требования.

d, < У ir ft аг d.*a* i1 ^

. hb XfcA,, + JUadf

I Д. а i1 Aiu.,..

—

л, d?d¿ />i; d;d21' o)

d*

f

где fa'Jb fff

В этом уравнении: ^ - масса золотника;

£ - юэМициент вязнэго трения при движении золотника в корпусе клапана. ^ Поставленная цель достигается при выполнении условия Установлено, что величина оптимального диаметра постоянного дросселя неразрывно связана о диаметром сопла (рис. 6) и жесткостью пружины управления (тис. 7), величина оптимального диаметра дросселя соответствует экстремальному значению критерия ^ .

Было проанализировано влияние диаметра сопла на работу редукционного клапана и, в частности, на его чувствительность и быстродействие. Из греков на тис. 8 следует отсутствие четкого критерия чнбора диаметра corma. 3 то же время следует отметить

/• Ь-0 ,

I. c.-tir**i st.

Рис. 6. Влияние диаметра сопла к диаметра постоянного дросселя канала управления редук. -циоиного клапана на критерий выбора их оптимального соотношения

Bio. 7. Влияние жеотнэсти пружины задания ре душно иного клапана непрямого действия на критерий выбора оптимального соотношения диаметров дросселя и сопла его канала управления

te

<е /г г

£

и

----- -----

о г 4 ею'*

Рис. 8. Влияние диаметра оо-Р,.//о'/!а пла канала управления редукционного клапана на его чувствительность и быстродей -отше

d,-

оуцествование. области предпочтительных размеров сопла, которую можно рассматривать как область рациональны* размеров согиа. Про-

веденные экспериментальные исследования, а также анализ геометрических размеров дрооселя и сопла канала управления серийно выпускавши клапанов Г-52 и Г-57 свидетельствуют об удовлетворительной оходшооти предложенной автором критериальной зависимооти (3) о практическими результатами.

На базе вшолненной работы разработан алгоритм машинного проектирования гидравличаоких клапанов непрямого действия, включающий в оебя оформулированный я разработанный автором критерий выбора оптимального диаметра дроооеля канала управления и рекомендации ю выделению области рациональных размеров сопла.

ОСНОВНЫЕ ШВСДЫ И ЕЗЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформулирован и разработан критерий выбора оптимального ооотношения диаметра дрсселя постоянного сечения и сопла канала управления, позволяющий минимизировать мощность потока рабочей ид ко ста через канал управления, необходимую для совершения работы по перемещению золотника. Определены ограничительные функции.

2. Показано, что выбор оптимального диаметра постоянного дросселя при выбранном диаметре оопла обеспечивает требуемые быстродействие и чувствительность гидравлических клапанов непря -мого действия.

3. Определена область предпочтительных размеров сопла, которую можно рассматривать как область выбора его рациональных раз -меров.

4. Проанализировано влияние геометрических, гидравлических и механических параметров клапана на изменение оптимизирующей функции.

5. Установлено, что с ростом диаметра сопла оптимальное соотношение диаметра постоянного дросселя и сопла, равно как и оптимизирующая функция, возрастают.

.6. Соотношение уровня редуцируемого давления и давления питания не оказывают влияния на величину оптимального ооотношения диаметра дросселя и сопла.

7. Изменение расхода нагрузки на выходе редукционного клапана не оказывают влияния на величину оптимального соотношения диаметров.

8. С возрастанием жестгасти пружины, удерживающей пилот ка -нала управления, происходит вырождение критериала оптимизации.

9. Разработан модифицированный итерационны!! мртэг, кз.го»лв-

ния от расхода нагрузки к уровню редуцируемого давления для решения оистемы нелинейных алгебраических уравнений, описывающих ра -боту редукционного клапана при раличии раохода нагрузки.

10. Получено уравнение, непосредственно связывающее давление в междроооельной камере о давлением на входе в канал управления.

По теме диосергации принята в печать в оборник "Гидравли -чеокие машины" статья "Исследование влияния конструктивных и гидродинамических параметров редукционного клапана на гочнооть поддержания редуцируешго давления".

1одп. к печ. ~• Формат 60Х84'/к. Бумага тип. Печать офсетная. Усл. печ. л. ¿¡Р ч.-щд. л. г, с Тираж -ССО экз. Зак. М /ЛЬ Бесплатно.

Харьковское межвузовское арендное полиграфическое предприятие. 310093, Харьков, ул. Свердлова, 115.