автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Оценка статических и динамических характеристик шестеренных делителей потока с целью их усовершенствования

ШЖТеРСТЬО ВЬЮШ'О И СРКШШХ) СШ-ШМЫЮГО ОБРАЗОВАНИИ —.....—

Р С 4> О Р

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 31Ш/5ЕШ СТШОШСТШЛГШЫйЙ ИНСТИТУТ

ОЦЕНКА СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШЕСТЕРЕННЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ ПОТОКА С ЦЫЫО Ил УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

Специальность 05.04.13 - Гидравлические машины и

гидропношоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Сиделев Валерий Александрович

УДК 621.225.44.*532:681.3.068(043.3)

Москва 1У91

/

- г -

Работа выполнена в Московском Ордана Трудоюго Красного Знамени станкоинструментальном институте на кафедра "Гидропневмоавтоматика и гидропривод".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Трифонов О.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук»

профессор Ермаков С.А.

кандидат технических наук, доцент Чупраков Ю.И.

Ведущее предприятие - Научно-производственное объединение

по тракторостроению (НПО НАТИ).

^сс

Защита диссертации состоится QuoeUJ? 1992г. на заседании специализированного совета К 063.42.05 по присуждения ученой степени кандидата технических наук Московского ордена Трудового Красного Знамени стаккоинструыантального института.

Адрес: I0I472, ГСП, Москва, К-55, Вадковский переулок, 3-а, Мосстанкш.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мосстанкина. Автореферат разослан м4р'г<? 1992г.

•Учений секретарь специализированного совета,

о —о—

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Задачи интенсификации производства, поставленные в основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986 - 1990 годи и на период до 2000 года, определяют требования по внедрению комплексов высокопроизводительных машин и оборудования для применения почвозащитных технологий, индустриальных и интенсивных систем земледелия, проведения мелиоративных, лесозаготовительных и других работ. Индустриальные методы обработки земли требуют использования энергонасыщенных тракторов, высокопроизводительных уборочных комбайнов и др. машин, снабженных большим количеством рабочих органов, предназначенных для выполнения различных операций.

Все большую роль, при создании таких машин, играет применение гидроприводов, что упрощает решение многих технических задач. Современная мобильная машина имеет, как правило, большое количество гидродвигателей различного типа работающих с различит™ нагрузками и скоростями движения. Наиболее эффективным способом обеспечения синхронизации движения гидродвигателей является применение шестеренных делителей потока, которые обеспечивают деление потока рабочей жидкости от одного источника на несколько разных или пропорциональных потоков, независимо от давлений действующих в гидравлических контурах, куда эти потоки направляются, с высоким коэффициентом полезного действия.

Шестеренный делитель потока серии МШД, разработанный в ГСКБ по насосам и гидромоторам завода "Гидросила", представляет собой гидромашину включающую в, себя от двух до шести унифицированных шестеренных секций, каздая из которых может имоть один из гаггп возможных рабочих объемов. Таким образом мояНо получить большое

количество различных моделей делителей потока, которые будут обладать различным коэффициентом полезного дойствия и различной погрешностью деления. Кроме того, шестеренная конструкция делителя потока обуславливает возникновение в гидросистеме пульсации расходов и давлений, зависящей от рабочих объемов секций делителя и других конструктивных параметров, режимов работы и параметров гад росистеми. Поэтому актуальной задачей является выявление взаимосвязи конструкторских и эксплуатационных параметров шестеренного делителя потока со статическими и динамическими его характеристиками.

Целью работы является улучшение эксплуатационных и технологических характеристик шестеренного делителя потока серии МВД, совершенствование методики расчета статических и динамических характеристик делителя, построение математической модели шестеренного делителя потока во взаимодействии с гидросистемой.

Методы исследования. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. В теоретической части был применены метод математического моделирования, методы численного решения систем дифференциальных и алгебраических уравнений. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде с использованием электронных измерительных средств.

Научная новизна работы состоит в установлении взаимосвязей конструктивных параметров шестеренного делителя потока и эксплуе тационных характеристик, влияющих на надежную работу делителя; в математических моделях анализа статических и динамических характеристик шестеренного делителя потока, учитывающих конструкт) ныв его параметры и параметры гидросистемы.

Практическая ценность работы заключается в усовершенствован; конструкции делателя с целью повышения технологичности и техни-

чоских характеристик, в выработанных рекомендациях по вибору эксплуатационных характеристик, в шшенерноЯ методике расчета делителей потока шестеренного типа, и комплексе программ для ЭН.1 позволяющих расчитывать статические и динамические характеристики делителей потока.

Реализация полученных результатов. Результаты работы использованы при разработке иестеренных делителей потока серии Ш!Д перьой и второй типоразмерных групп, при разработке и модернизации других типов шестеренных гидромашин проводимой в ГСКБ по насосам и гидромоторам завода "Гидросила" (г.Кировоград).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на всесоюзной научно-технической конференции "Исследования и совершенствование тракторных конструкций" (г.Москва, 1983г.), всесоюзной научно-технической конференции "Соверютнстго-вание тракторных конструкций" (г.Москва, 1985г.), заседаниях кафедры "Гидропривод и гидропневмоавтоматика" Московского станко-инструментального института.

Публикации. По результатам работы опубликовано 4 печатных работы, получена авторские свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 144 страницах машинописного текста, иллюстрированного 64 рисунками, содержит таблицу. Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных выводов, списка литературы и приложения. Список литературы состоит из 69 наименований. В приложении приведен исходный текст программы расчета динамических и статических характеристик для ЭВМ.

На защиту выносятся следующие тезисы:

I. Математическая модель шестеренного делителя потока во взаимодействии с гидросистемой включающей приводной насос и нагрузоч

ныо устройства.

2. Результаты исследований математической модели устанавливающие взаимосвязи конструктивных и эксплуатационных параметров шестеренного делителя потока.

3. Рекомендации по выбору режимов работы шестеренного делителя потока и выбору модели делителя для конкретных релимов и параметров гидросистемы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы п цель работы, приводятся основные положения выносимые на зениту, объем п структура работы.

В первой главе проводится анализ существующих конструкций делителей потока. Рассмотрены принципы работы и устройства двухпо-точных дроссельных делителей потока с клапанными запорно-регули-рующими элементами, с золотниковым распределителем, двухкаскадной конструкции. Проанализированы конструкции шогопоточных дроссельных делителей потока с гидравлическим замкнутым передаточным звоном, с механическим звеном, с гидравлическим замкнуто-проточным звеном и пр. Отмечены их полоаительные стороны и недостатки. К основному недостатку делителей потока дроссельного типа следует отнести их низкий коэффициент полезного действия вследствие потери части мощности потока на дросселирование рабочей жидкости, благодаря чему и осуществляется деление потока на несколько пропорциональных потоков независимо от действующего давления в каждом отвода.

Более высоким коэффициентом полезного действия обладают делители потока объемного типа. Объемные делители создаются на базе

конструкций лопастных, героторних, шестеренных гидромашин. КПД этих делителей определяется внутренними, в основном гидромеханическими, потерями, в них не происходит дросселирования основных потоков рабочей жидкости. Кроме этого, объемный делитель потока позволяет поддерживать давление на нескольких из своих выходах большее, чем давление на его входе, т.е. работать в режиме уси- . ления давления. Рассмотрены некоторые конструкции объемных делителей потока. Особое внимание уделано шестеренным делителям потока фирмы Свттеге(«£ , занимающей ведущее место в мире по производству и сбыту шестеренных делителей потока. В основу этой конструкции положен принцип секционирования, использования в делителе унифицированных шестеренных секций, которые применяются также и при сборке насосов или гидромоторов.

Благодаря высокому КПД, небольшой погрешности деления, возможности работать при больших перепадах давления на выходах, про-, стотэ в эксплуатации шестеронные делители потока представляются наиболее перспективными для использования их в гидросистемах сельскохозяйственных, строительно-дорожных и других машин.

Во второй главе рассмотрена конструкция шестеренных делителей потока серии МИД, которые разработанны Головным специализированным конструкторским бюро по насосам и гидромоторам завода "Гидросила" (г.Кировоград).

Шестеренный делитель потока этой серии представляет собой гидромапшну состоящую из унифицированных секций (модулей), каждая из которых является качающим узлом шесторенной реверсивной обратимой гидромашины. Конструкция шестеренных модулей предусматривает компенсацию радиальных и торцевых зазоров, благодаря чему имев! высокие объемные характеристики. Шестерни смежных секций связаны друг с другом через проставки шлицевыми валами.

Разработаны дво группы унифицированных посторонних модулой, кавдая из которых включает модули с пятью рааличньми рабочими объемами. Шестеренные модули технологичны и в отллчез от конструкции фирмы СаттеъссаС допускает самостоятельную их обкатку и проверку технических характеристик на стендах в рекиш насоса перед окончательной сборкой, что обеспочивает качество делптелой потока.

Число различных моделей шестеренных делителей потока, которые могут быть собраны из модулей одной тшюразморной группы определяется по формуле:

гдо: л?- количество исполнений отдельных модулой б ткпораэ-мерной группа;

а - количество секций и составе делителя потока.

Погрешность деления шестеренного делителя потока зависит от утечек рабочей жидкости, которые являются функцией вязкости рабочей .зддкостя, перепада давлений на секции, величин зазороЕ в подвижных частях.

Б главо отмечается, что долэтеяп потока данного типа вызывают пульсацию расхода и давления рабочей шздкости в гидросистеме, зависящую от конструктивных параметров делителя, параметров гидросистем и эксплуатационных параметров.

В третьей главо разрабатывается математическая модель шестеренного делителя потока в соответствии с расчетной схемой изображенной на рис.1.

При различных типах нагружекия, кавдая секция делителя потока может работать в режиме гидромотора, при котором давление на входе Рвх больше давления на выходе Р< , или в режиме насоса, при

51 (ггьп-<)!

(I)

котор.гм даале;шо на входе Past моньшо давления на выхода Pi. При этом шестерки со;сщш смещается пли к зоне выхода или к зоне входа, в результате чого обеспечивается радиальное уплотнение моязубовнх зпадан, в которых образуотсл давление л Р¿лг . Схемы работы секции доли толя потока в реяимах гидромотора и'в реяимо насоса прнводонн на р::с.2 я 3. Чзроэ подшишшковно зазоры и отверстия в цапфах шосторен н проставках, сокции соединяется с общей полость», з которой действует давление Pj . Под действием перепада давлений Рях, Pi', Rw, Р?:}- через радиалыща и торцевые зазоры происходит уте^а рабочей жадности. Направления уточек показаны ка рис.2 я рпс.З.

Учитывая уточки, записываются уравнения для расхода рабочей жидкости на выходе из секции Qt и расхода на входе в делитель потока С&.:

С.'<Г)а)*с!Ъ}Р,-*с!Ш*,*с!(-*)Рз.*С*№Ри**с'б)Рм i (2)

Gh-~ f (ОМи1 *C'm-<cfo)P.;,dOf 1PS<C?(№**€*(№»*) ; (3) i*' '

Коэффициенты ¿¡¡¿^зависят от гоомогрзчоекях параметров зубчатого зацепления, реяима работы секции, углового положения шестерен в расточках корпуса.

Давления в общей полости делителя потока и в маяэубовых впа-данох, находящихся в переходных зонах, зависят от объемов камер/, модуля упругости рабочей аедкости К в величин уточек проходящих через эта камеры:

if*1 i(¿km-¿m*с!'м&.<(4)

dPi

т Х(Ялг), а, , * „ Ж' fc(*c^m-dH^-n *сГ(Щ)} (6)

-КЗ-

Определение угловой скорости вращения шестерен делителя потоке

с учетом момента инерции вращающихся масс 3 выполняется с помощью

уравнения:

/V ш / " "

^fl^lC^-ZiC'W^* (7)

^ ¿4 с'Ч

t С". (\1(с'3(ПР. *С?МР<,,cftW/M*(сПт * сУт^сУмя,,!' ,

* с?Ш, -Ы* с *'(cfoiP¿* с?<г)Р„ ,с?спр3 -с?(пРс„ - )+

* сУи))]}

Коэффициенты с,(y) в этом уравнении учитывают моменты сил действующих на шестерни от рабочих давлений, тормозные моменты в подшипниках, в зацеплении, по торцам и пр.

Дазление на входе в делитель потока определяется разностью меяду расходом насоса Q„ и расхода на входе в делитель Q(*:

(6)

КГ'

Аналогично записывается уравнение для давлений на выходах кз . делителя потока:

где: и Ни - коэффициенты сопротивления дросселей. Коэффициенты с,Се) зависят от углового положения шестерен и поэтому необходимо определять текущий угол для текущего времени Ь :

СО, (10)

а с

Расход насоса Ф зависит от его конструкции, частоты вращения рабочих органов, коэффициента расхода.

Г"

Сь

3 /ч ' Пч '

9 И4±лл»

А

_»

ГГт*

ЬсрЬ™.

I

Ряс Л. Расчетная схема для построопчя математической модолп аестерешюго делителя потока

з

Рпс.2. Схема работы секции шестеренного дэлиталя потока в реаима гядромотора

Рзс.З. Схома работы секции шэстерокиого делателя потока в рваиш насоса

Урашення (2-10) совместно с вироношш/л: для С(Н') представляют собой динамическую математическую модель шестеронного делителя потока. Статическая модель записывается следугащьсз уравнени-

ями:

= и> ги'Рг , и! Р* * и*р$ .и?Р<„,- и?А-Лг ; (II)

(12)

£( - и?Рс-и?Р2 .и?Рсв, * и"Р<-«г ) - (13)

иГР4, +и'/Рс - и?Рг«< <- = О- (14)

и'р& + иРрс - иУРспг * - 0} (15)

♦ \1Ы?Р;*и?Р<, .и!<Р;аф(и"Рс*£С?'Рл*ие*Рш

Коэффициенты определяются как средние интегральные величины соответствующих коэффициентов

и;' £ \CiMdf; ,, (17)

в

Коэффициент полезного действия делителя р и погрешность деления определяются следующий! формулаш:

£ в^А_. •

Приведенные модели позволяют анализировать работу шестеренного делителя потока при различншс его конструктивных размерах, различных режимах нагруженая и параметрах гидросистемы.

Математические модели реализованы в программе М0ЬЖ1>- Приводится схема программы и описывается ее функционирование. Про-

грамма написана на языке "Паскаль" а отлачена на ЭШ типа ШЛ PC/XT/AT. Данная нг ,'чот непосредственно использо-

ваться для моделировав: . шестеренного делителя потока на

ЭШ, используюдих операционные системы совместимые о А<5 №£.

В четвертой главе проводится анализ работы шестеренных делителей потока с помощь» разработанных математических моделей. Машинные эксперименты позволяют установить влияние конструктивных параметров шестеренного делителя потока и параметров гидросисте-ш на основные характеристики делателя потока.

В качестве основных характеристик работы шестеренного делителя потока приняты: амплитуды и частоты колебания давлений п расходов на входа и выходах делителя, погрешность деления, коэффициент полезного действия. При анализа оценивалось влияние следующих параметров: характер работы питающего насоса, подача насоса, рабочий объем секций, входящих в состав шестеренного делителя потока, разность углового полелеют шестерен в сметных секциях, перепад давлений на выходах делителя потока, величина радиального эазора.

Исследования динамической модели показали, что при работе шестеренного делителя потока, в результате наложения собственных частот насоса и делателя потока, возникает гармоническое изменение емшштуд колебаний расходов и давлений. Предложена формула для определения частоты этих изменений.

Анализируя влияние подачи насоса и рабочих объемов оекций делителя на амплитуды колебаний расходов и давлений, установлено, что для каждой модели делителя существует такой критический входной расход, при котором ашлигудн колебаний расходов и давлений достигают максимума.Предложена формула определяющая критический расход для двухпоточных делителей потока о равными секциями.

Исследовано влияние на величину пульсации расходоз и даиленлй взаимного углового расположения шестерен смсшшх секций, влияние величин входного расхода и давлений на выходах из секций делителя потока на его коэффициент полезного действия и погрешность деления, Предложены рекомендации по сборке шестеренных делителей потока и выбору режимов ого работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Шестеренный делитель потока является эффективным средством обеспечения синхронизации движений рабочих органов сельскохозяйственных, дорожных и др. машин.

2. Разработанные математические модели шестеренного делителя потоки учитывают модульный состав и конструктивные параметры его секций, характеристики питающего насоса, характер нагружения дали-толя, зависящий от параметров гидросистемы и характеристик нагрузочных устройств.

3. Разработанная программа для ЭВМ, реализующая предложенные модели, позволяет моделировать различные режимы работы шестеренного дшштиля потока, расчитывать и исследовать его характеристики.

4. Результаты моделирования и исследований позволили определить ь:заш..ооьлзи конструктивных параметров делителей, параметров гцдросисти.мы и динамических и статических характеристик.шестеренных долитвлай потока.

о. Получены практические зависимости для коэффициента полезного действия и погрешности деления шестеренных делителей потока, чистог и амплитуд колебаний давлений и расходов на входе в делитель потока и на выходе из его секций.

6. Полученные результаты позволили сформулировать практические рекомендации по выбору модели делителя потока и режимам его

эксплуатации в сосгаио гидросистем машин, сформулировать инженерную методику расчета шостеронных делителей потока, расчитать конструктивнее параметры универсальных модулей серии Ь5ЦД первой п второй типоразмврннх групп.

Основные положения опубликованы в работах:

1. A.c. СССР ЯШ41675 "Шестеренная гидромавдна" Д1.А.Н; Аскера, Б.А. Сиделев и др., Опубл. в Б.И., I982.-JS25.

2. A.c. СССР Ш143879 "Шестеренная гадромаипша" /Б.А. Сиделев и др., Опубл. в Б.И., 1385.-Ю.

3. A.c. СССР ,$1439285 "Шестеренная гидромашина" /А.Г. Гарку-иа, В.А. Сиделев п др., Опубл. в Б.И., 1988.-МЗ.

4. Сиделев В.А., Лесвчоя В.И., Аскерн А.Н. Шестеренные делителя потока.-Строительные и дородные машины, 1983, ÏÏ1,

с.7-8.

5. Сиделев В.А. Шестеренные делители потока и их функционирование в гидравлических системах.-Тез. докл. всесоюзной научно-технической конференции: Совершенствование тракторных конструкций.-М,: НПО НАТИ, 1985, с.170-171.

6. Сиделев В.А. Шестеренные делители потока.-Тез. докл. всесоюзной научно-технической конференции: Исследования и совершенствование тракторных конетрукцнй.-М.: НПО НАТИ, 1983, с.146-147.

7. Сиделев В.А. Определение объемных а механических характеристик шестеренного делителя потока.-В межвузовском сборника: Гидравлические системы мзгаллореяущих станков и промышленных роботов.-M. 1987, с.35-42.