автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Разработка и исследование электрогидравлического следящего привода для испытаний арматуры железобетонных конструкций и их элементов

На правах рукописи УДК 62-82

Чвялев Дмитрий Станиславович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ АРМАТУРЫ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.04.13 - Гидравлические машины, гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2006

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Попов Д.Н.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Ермаков С.А., кандидат технических наук, Федотов В.А.

Ведущее предприятие

ОАО НПО "Родина1

»г

Защита диссертации состоится "29" ноября 2006 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.141.16 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005,2-я Бауманская ул., 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по указанному адресу. Желающие присутствовать на защите должны заблаговременно известить Совет письмами заинтересованных организаций на имя председателя Совета.

Автореферат разослан " еяс*** 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.141.16

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, Современное развитие науки и техники вышло на такой уровень, что создание новых материалов, конструкций и механизмов, не уступающих или превосходящих по своим экономическим, эксплуатационным и техническим характеристикам лучшие мировые образцы, невозможно без детального изучения физических процессов, протекающих в технических системах. В связи с этим возникла необходимость в создании испытательной техники, которая позволяла бы на этапе проектирования вновь разрабатываемых конструкций исключить или усилить воздействия различных параметров. Основная задача испытательной техники состоит в том, чтобы максимально приблизить условия испытаний к реальным условиям эксплуатации и количественно определить изменение в этих условиях основных свойств, функций и характеристик конструкций.

К одной из сложных проблем испытательной техники относится моделирование динамического воздействия на несущую арматуру железобетонных конструкций. Для решения этой проблемы необходимы испытательные машины, развивающие большие усилия при высоких частотах колебаний, возможность моделирования законов нагружения со случайными составляющими. Наиболее эффективным в таких испытательных машинах является гидропривод, который позволяет моделировать различные динамические законы нагружения на испытательные образцы.

Повышение динамических характеристик испытательных машин может быть достигнуто за счет совершенствования элементов и режимов управления гидропривода. Вследствие этого следует признать актуальность задачи создания следящих электрогидравлических приводов испытательных машин.

Цель работы - создание и исследование электрогидравлического следящего привода для испытательной машины, создающей динамические периодические воздействия на материалы, конструкции и их элементов.

Методы исследования. Задачи данной работы решались теоретическими и экспериментальными методами. Теоретические исследования базируются на основных положениях гидродинамики и теории управления. Для изучения динамических процессов, как в отдельных элементах, так и во всем гидроприводе в целом, применялись методы математического моделирования.

При расчете характеристик гидростатической опоры поршня гидроцилиндра применялся программный пакет STAR CD, позволяющий решать уравнения в частных производных в трехмерной постановке конечно-разностными методами.

Экспериментальные исследования проводились на макетном образце гидропривода.

Научной новизной в работе являются:

- трехмерная математическая модель для расчета параметров гидростатической опоры на штоке поршня гидроцилиндра, которая учитывает клиновидный зазор в опоре, возникающий при перекосе штока. При этом особое внимание обращено на сложность расчета, возникающую в связи с достаточно большим отношение длины гидроопоры к величине щели;

- математическая модель всего гидропривода, в которой учтено влияние гидроопор штока гидроцилиндра на динамику привода. При составлении модели учитывались интегральные характеристики гидроопоры.

Практическая ценность работы. Полученные математические модели ориентированы на применение при создании гидроприводов испытательных машин. Разработанные на базе этих моделей методы позволяют:

рассчитывать характеристики различных вариантов гидростатических опор штока гидроцилиндра;

- рассчитывать статические и динамические характеристики различных проектных вариантов гидроприводов испытательных машин с учетом процессов, протекающих в гидроопорах,

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований создан гидропривод испытательной машины, позволяющий моделировать заданные, а также случайные динамические воздействия на материалы, конструкции и их элементы.

Достоверность_полученных_результатов обеспечивается

применением обоснованных допущений, принятых при математическом моделировании гидромеханических процессов, как в отдельных элементах, так и во всем гидроприводе. Достоверность расчетов процессов в гидростатических опорах и в гидроприводе в целом подтверждена путем их сравнения с результатами экспериментальных исследований, проведенных автором на специально созданной установке.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы применены при проведении динамических испытаний в лаборатории при ООО "Фирма "Следящие тест-системы". Кроме того, ведется подготовка результатов экспериментов и методики проведения испытаний для сертификации стенда.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Московской студенческой научно-технической конференции в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 1999; на Московской конференции молодых ученых "Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса" в ИМАШ им. А.А, Благонравова РАН в 2002, было сделано три доклада; на Международном научном симпозиуме, посвященном 120 - летаю гидродинамической теории смазки в Орел! "ГУ.

Публикации. По материалам диссертации имеются две опубликованные работы и четыре рукописных работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 108 страниц машинописного текста, 3 таблицы, 45 страниц рисунков, список литературы из 74 наименования и 12 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, определены цель и задачи работы.

Первая глава посвящена обзору отечественных и зарубежных материалов по теме исследований. Рассмотрены также основные схемы и конструкции гидроприводов испытательных машин. В результате сделан вывод о перспективности конструкции с электрогидравлическим усилителем.

Затем приводится краткий обзор и обоснование выбора бесконтактных уплотнений штока поршня гидро цилиндра. Даны основные сведения о гидростатических опорах и их применения в испытательных машинах.

Вторая глава посвящена разработке математической модели течения жидкости в гидростатической опоре и расчету ее характеристик. Расчет выполнен в специализированном программном комплексе STAR CD.

Гидростатическая опора (рис. 1) представляет собой цапфу 1 с четырьмя карманами, расположенными противоположно друг другу, к которым через постоянные дроссели подается давление питания рп.

В цапфе находится шток 2, который под действием внешней радиальной нагрузки имеет возможность смещаться вдоль оси z. При этом в гидроопоре появляется клиновидный зазор, показанный на рисунке. Сила, возникающая от перепада давления в щелях гидроопоры, стремится вернуть шток в исходное положение. Эта сила характеризует несущую способность гидроопоры. Другой характеристикой является расход жидкости, протекающий через гидроопору.

В начале главы рассматривается возможность определения характеристик гидростатической опоры, применяя уравнение Рейнольдса для ламинарного течения жидкости. При этом описываются допущения, принимаемые при составлении математической модели, а также условие определения границ взаимодействия течений жидкости для соседних карманов гидроопоры. Анализируя полученную математическую модель, делается вывод, что принятые допущения значительно искажают физическую картину течения жидкости и могут существенно сказаться на точности решения.

Рис. 1

1 - цапфа гидроопоры; 2 - шток поршня гидроцилиндра

В связи с этим выбирается современный программный комплекс, который позволяет рассчитать поля скоростей и давлений жидкости в зазоре гидроопоры, основываясь на математической модели, состоящей из уравнений Навье-Стокса и неразрывности в трехмерном описании течения жидкости и учитывающей клиновидный зазор в гидроопоре, возникающий при перекосе штока в цапфе. Уравнения в декартовой системе координат имеют вид: дУ. - = 0,

дх. ÔV:

ОУ; д ( \

[pV.V.-a.. = -dt дхХ J 1 U) 1

др

. . , ôx.

J '

2 dvk

где сг,- =2/i s.. —ц—- компонента тензора напряжений для элемента У у 3 дх* У

жидкости, в которой S-i= —

У 2

'bV. дУ"

дх. дх. J I

xi(j Л) ~ соответствующие оси

декартовой системы координат (7, к = 1, 2, 3); V. - компоненты скорости течения жидкости; р - давление жидкости; - проекции массовых сил; ¡л -динамическая вязкость; р - плотность жидкости; дд - функция Кронекера.

Граничными условиями являлись давления жидкости на входе и выходе из гидроопоры. Также учитывалось условие прилипания жидкости к стенкам, при котором скорость жидкости на стенках приравнивалась к нулю. Течение принималось ламинарным при изотермическом режиме.

Из решений этих уравнений находились распределения давления и скоростей по трем направлениям декартовой системы координат для расчетной области течения жидкости в зазоре гидроопоры. Уравнения в частных производных были заменены разностными выражениями, представленными в виде:

2>;+1=о,

}

гф ~ЛМНУ[ 2_АЛг

т

где Pj ={рУу - массовый поток жидкости через поверхность j; р -

плотность жидкости; V - вектор скорости жидкости относительно поверхности S; ф - параметр для любых зависимых переменных (р, У^ ); п -

номер узла по итерационному времени; = ^^ , где Ат - член,

т

учитывающий конвективные и диффузионные составляющие; т -количество ячеек; /j 2 " коэффициенты силовых составляющих.

Система этих уравнений решалась в программном комплексе STAR CD методами конечных объемов с применением методов установления и расщепления.

По рассчитанным полям давления и скоростей жидкости определялись интегральные характеристики гидроопоры: а) несущая способность опоры

Р =V5

го Z-t го /'

где / = Рт I " несущая способность опоры, рассчитанная для одной

ячейки расчетной области; р . - давление в ячейки, действующее на

поверхность штока;/ - количество ячеек, граничащих с поверхностью штока; б) расход жидкости, протекающий через гидроопору

Qro-11

ЫУ=0+Ы

У=1

го.

где [ Q.. • I = [ К . S . 1 - расход жидкости, протекающей через зазор

V. yjjy=о V. yj JJ\y-о

У = 1

- расход жидкости,

го

го со сТОро„ы {ауЦ -\yyjSj)

7 го

протекающей через зазор ГО со стороны у = /го. При этом У . ~ проекция

скорости жидкости на ось Оу, протекающей через поверхность Sj ячейки на

границах гидроопоры;

в) сила жидкостного трения, действующая на шток поршня со стороны жидкости

Р_ =УР_

тр

' Z-( тр i'

i

где Р . - сила трения для одной ячейки; гш{. - касательное

напряжение, возникающие на поверхности штока.

Был произведен сравнительный расчет характеристик гидроопоры в случае с перемещением штока параллельно оси цапфы гидроопоры и в случае перекоса штока. На рис. 2а показаны характеристики безразмерного расхода £?го = /(у, ё), на рис. 26 - характеристики безразмерной несущей

- я

способности Р = /(/,<?), где Qг0 =——--отношение текущего расхода

^гоО

жидкости через гидроопору к расходу жидкости при концентричном

Р

-в гпах го

положении штока; Ргп-- - отношение максимальной величины

ГО р

го

У

усилия, возникающего в гидроопоре, к текущему усилию; / = —-— -

^шах

отношение текущего угла поворота штока к максимальному; ё= е

"о

отношение текущего смещения штока к радиальному зазору в гидроопоре при концентричном положении штока.

Сплошными линиями показаны результаты, полученные для случая с перекосом штока, штриховыми - для случая с параллельным перемещением штока. Характер роста этих характеристик для случая с параллельным перемещение штока относительно оси цапфы гидроопоры и случая с перекосом штока различен. В случае перекошенного штока расход жидкости меньше и разница составляет 50...55%, при этом несущая способность гидроопоры больше на 37...105%. Существенная разница характеристик позволяет сделать вывод, что при расчетах гидростатических опор необходимо учитывать перекос штока в цапфе гидроопоры.

Полученные расчетные характеристики гидростатической опоры проверены по экспериментальным характеристикам несущей способности и расхода жидкости.

В третьей главе представлены математические модели гидропривода с двухкаскадным электро гидравлическим усилителем (ЭГУ) и гидроцилиндром, имеющим гидростатические опоры на штоке поршня (рис.3). Рабочая жидкость подается под давлением рп к золотнику ЭГУ 4 и

через дроссель к гидростатическим опорам 1. Золотник имеет возможность перемещаться на величину х под действием силы, возникающей от

перепада давлении на его торцах ^Ру] -Ру2\" созДаваемого гидравлическим

мостом с четырьмя регулируемыми сопротивлениями типа сопло-заслонка. При этом жидкость подается в полость гидроцилиндра с расходом а

вытекает из него с расходом Q^ и на поршне возникает перепад давления

- р^)» который определяет рабочее усилие на испытуемом образце.

Жидкость, поступающая из гидроопор в атмосферу, откачивается струйным насосом 3.

Рис. 3

1 — цапфа гидростатической опоры; 2 - шток поршня гидроцилиндра; 3 - струйный насос; 4 — золотник ЭГУ

Рис.4

В основу математических моделей положены перечисленные ниже уравнения.

Уравнение расхода жидкости через дросселирующие устройства типа сопло-заслонка и цилиндрический золотник

^лp=k,x^¡pд.pl-рдр2> где к' - коэффициент проводимости дросселирующего элемента; х -расстояние между кромками щели дросселирующего отверстия; РДр| - Рдр2

- перепад давления на дросселирующем устройстве.

Уравнение расходов, поступающих под торцы золотника

о . = _3-+. у1_у±

3 аг вж '

где Г - площадь торца золотника; V - объем полостей перед торцами з у

золотника; В - модуль объемной упругости жидкости; /=1,2; знак плюс

Лч

записывается для индекса 1; знак минус - для индекса 2.

Уравнение расходов жидкости, втекающей и вытекающей из полости гидроцилиндра

-Ш.+

К

I

в а г го-ц 1 пеР

Ж

где - рабочая площадь поршня гидроцилиндра; - величина смещения поршня; V. и КТр . - объемы рабочей жидкости в полостях гидроцилиндра и в подводящих трубопроводах; 12го . - расходы жидкости, поступающие в полости гидроцилиндра из гидроопоры; Л - коэффициент перетечки

11С и

жидкости по поршню.

Уравнение движения золотника

<Р"х йх

3 ¿р. тр.з гд з з

[Ру1-Ру2)>

где гп^- масса золотника; А^р з - коэффициент трения; сгд - коэффициент

жесткости гидродинамической пружины. Уравнение движения поршня

(Р- у Ыу

»-¿Р + Ьтр* ^'«Уш-'*-

где т - масса поршня вместе с испытуемым образцом; уш - смещение штока; ц - коэффициент трения; сн - жесткость испытуемого образца; Рн - усилие, прикладываемое к испытуемому образцу.

Порядок составленных нелинейных дифференциальных уравнений,

описывающих гидропривод испытательной машины, равен десяти. Для

определения параметров, обеспечивающих устойчивость гидропривода, а

также для получения его частотных характеристик, полученные уравнения

были линеаризованы и по ним составлена структурная схема гидропривода

(рис. 4). На схеме введены следующие обозначения: и (я) - входное

вх

напряжение с блока питания ЭГУ; ^э^-у (*)» ^ц^) - передаточные

О, . +0 ->

ГО И 1 РО Ц 2

функции ЭГУ и гидроцилиндра соответственно; Q =-—-—— -

го.ц 2

расход жидкости, поступающий через гидростатические опоры в полости гидроцилиндра; к - коэффициент обратной связи по перепаду давлений в

\JviP

полостях гидроцилиндра. Передаточные функции имеют вид

КусКШК<р1Кх<р

^ЭГУ^" К К.ГТК .К КОх>

1+_ус 1Ц (р1 х<р к ^

кРЯкурЪ__

w M- I дц А ц ^ц ц )

V" к F s

1+_pQ ур п

rm,i + 1

, дц

где К— коэффициенты усиления, передачи и обратной связи; Т- постоянные времени; Ç— коэффициенты демпфирования.

Линейная математическая модель гидропривода имеет восьмой порядок.

В результате были получены безразмерная логарифмическая

амплитудная L(/)- ^^ и фазовая <p{f) характеристики для всего

^шах

гидропривода (рис. 5), где L - текущая величина логарифмической

амплитудной характеристики; £тах - ее максимальная величина; / = — -

1тг

частота.

В четвертой главе описана конструкция созданной экспериментальной установки, представлен расчет струйного насоса, а также описаны методика и результаты экспериментальных исследований гидростатической опоры и динамики гидропривода.

L 2 1 О -1 -2 -3 -4

í?, град -90 -180 -270 -360 -450

1 10 100 1000

Л Гц

Рис. 5

Рис. 6

\

\ \

\ N S

\

N>

Piic.7

Фотография экспериментальной установки представлена на рис. 6. Установка состоит (рис. 7) из насосной станции 1, закрепленного на горизонтальной станине гидроцилиндра 3, электрогидравлического усилителя 9. Гидропневмоаккумуляторы 10 подсоединены к входной и выходной магистралям гидропривода и позволяют гасить пульсации давления. Экспериментальный образец каната 2 закреплен в специальных цанговых зажимах 6. К полостям цилиндра подключены датчики давления II, с помощью которых контролируется усилие нагружения испытательного образца. Датчик перемещения 4 контролирует среднее положение поршня в гидроцилиндре при предварительном натяжении. Давления питания гидропривода и гидростатических опор контролируется по манометрам 12. С левой стороны гидроцилиндра расположено нагрузочное устройство 7 и контрольные индикаторы 5 и 8 для испытаний гидроопор.

Результаты расчетов и экспериментальных исследований гидростатической опоры сравниваются на рис. 8. На рис. 8а представлены графики безразмерной расходной характеристики гидроопоры Qтo =/07).

На рис. 56 - графики безразмерной характеристики несущей способности гидроопоры Рг0 = /(/). Сплошными линиями на этих рисунках изображены

характеристики, полученные экспериментально, а штриховыми -соответствующие им характеристики, рассчитанные на ЭВМ. Сравнение результатов расчета и экспериментов, проведенных с гидроопорой, показало отличие при концентричном положении штока не более, чем на 6%, в случае с перекосом штока на 11-14%.

Результаты расчетов и экспериментальных исследований динамики гидропривода сравниваются на рис. 9. На нем представлены графики безразмерной логарифмической амплитудной характеристики Т. - /(/"), полученной экспериментально (сплошная линия) и расчетом на ЭВМ (штриховая линия). Сравнение результатов проведенных для гидропривода в целом, показало отличие не более, чем на 7%.

1,75 1,5 1,25 1 i 0,75

0,5 0,25 0

L 1,25

1

0,75

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В испытательных машинах для моделирования динамических воздействий на арматуру железобетонных конструкций целесообразно применять электрогидравлический следящий привод с обратными связями по положению выходного звена и по разности давлений в гидроцилиндре.

2. Гидроцилиндры испытательных машин, позволяющие проводить динамические испытания на частотах до 100 Гц и амплитудах силового воздействия до 10 кН, а также до 2 млн. циклов нагружения должны быть снабжены гидростатическими опорами и не иметь контактных уплотнений.

3. При расчете характеристик гидростатических опор следует учитывать возможный перекос штока в цапфе гидроопоры от действия внешней радиальной нагрузки. С достаточной для практики точностью расчет может быть выполнен по разработанной в диссертации методике, основанной на использовании программного комплекса STAR CD. Применение программного комплекса позволило решить проблему, возникающую при расчете течения жидкости в щели, длина которой значительно превышает ее толщину. Адекватность результатов таких расчетов реальным характеристикам гидростатической опоры была подтверждена экспериментально.

4. Разработанная математическая модель электрогидравлического привода, учитывающая интегральные характеристики гидростатических опор, достоверно описывает динамические процессы в испытательной машине при частотных испытаниях каната на всем рабочем диапазоне. Сравнение результатов моделирования с результатами экспериментов подтверждают правомерность сделанных допущений при разработке модели.

5. Разработанная конструкция испытательной машины используется для испытаний канатов с максимальной статической нагрузкой до 300 кН, амплитудой нагружения до 10 кН, частотой колебаний до 70 Гц.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Составление и исследование математической модели электрогидравлического следящего привода для динамических испытаний железобетонных конструкций и их элементов / Д.С. Чвялев, Д.Н. Попов, С.Л. Ситников, Г.Ж. Сахвадзе // Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса: Труды Московской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. - М., 2003. - С. 23-39.

2. Математическое моделирование и экспериментальные исследования гидростатических опор для штока гидроцилиндра испытательной машины / Д.С. Чвялев, Д.Н. Попов, С.Л. Ситников // Международный научный симпозиум. Гидродинамическая теория смазки - 120 лет. Сборник трудов симпозиума. - Орел, 2006, Т.1, - С. 301-307.

3. Чвялев Д.С., Попов Д.Н. Составление и исследование математической модели электрогидравлического привода для динамических испытаний арматуры железобетонных конструкций // Наука в образовании: электронное научное издание. Инженерное образование. - 2006. -№6. - 14 с.

4. Попов Д.Н., Чвялев Д.С. Численное исследование течения вязкой жидкости в гидростатической опоре штока // Вестник МГТУ. Машиностроение, - 2006. - №3. - С, 15-24.

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Гидроприводы испытательных машин.

1.1. Обзор схем гидроприводов испытательных машин.

1.2. Оценка необходимости применения гидростатических опор на штоке поршня гидроцилиндра.

1.3. Выводы.

Глава 2. Математическое моделирование и расчет гидростатических опор для штока гидроцилиндра.

2.1. Принимаемые допущения при математическом моделировании гидростатической опоры.

2.2. Уравнение распределения давления в рабочем зазоре гидростатической опоры.

2.3. Толщина смазочного слоя в гидростатической опоре.

2.4. Составление уравнений сил и расходов жидкости в гидростатических опорах штока.

2.5. Определение интегральных характеристик гидростатической опоры.

2.6. Составление упрощенной модели гидростатической опоры. Определение статических характеристик.

2.7. Решение уравнений течения жидкости в гидростатической опоре в программном комплексе STAR CD.

2.7.1. Основные сведения о программном комплексе STAR CD.

2.7.2. Структура и комплектация STAR CD.

2.7.3. Составление сеточной модели гидростатической опоры.

2.7.4. Выбор метода решения уравнений гидродинамики для гидростатической опоры.

2.7.5. Интегральные характеристики гидростатической опоры.

2.7.6. Задание начальных и граничных условий.

2.8. Анализ результатов расчета характеристик гидростатической опоры.

2.9. Выводы.

Глава 3. Математическая модель гидропривода испытательной машины

3.1. Нелинейная математическая модель гидропривода.

3.2. Линейная математическая модель гидропривода.

3.3. Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования гидропривода испытательной машины.

4.1. Экспериментальная установка.

4.2. Гидросхема испытательной установки.

4.3. Расчет струйного насоса.

4.4. Экспериментальные исследования статических характеристик гидростатических опор.

4.4.1. Получение проливочных характеристик дросселей гидроопоры.

4.4.2. Порядок и методика проведения экспериментальных исследований гидростатических опор.

4.4.3. Результаты и обработка экспериментальных исследований

4.5. Экспериментальное исследование динамической характеристики гидропривода.

4.5.1, Порядок и методика проведения экспериментальных исследований гидропривода.

4.5.2. Результаты и обработка экспериментальных исследований

4.6. Выводы.

В настоящее время, несмотря на значительные успехи в области методов расчета конструкций на прочность и определения механических свойств материалов, важной проблемой является проведения экспериментальных исследований, с помощью которых можно было бы определить несущую способность конструкций с учетом всего многообразия комплексного воздействия эксплутационных факторов. Основные данные о прочности материалов, полученные по результатам экспериментальных исследований в условиях, близких к эксплутационным, вносятся в расчеты элементов конструкций, которые затем проходят стадию экспериментальной проверки.

В связи с этим основная задача испытательной техники состоит в том, чтобы максимально приблизить условия испытаний к реальным условиям эксплуатации и количественно определить изменение в этих условиях основных свойств, функций и характеристик материалов и конструкций. При моделировании внешних воздействий как в процессе создания новых материалов конструкций, так и при оценке качества готовой продукции необходимо четко представлять основные факторы, воздействующие на элементы конструкции в процессе эксплуатации.

Виды воздействующих факторов и их значения в зависимости от условий эксплуатации материалов и изделий устанавливаются в стандартах и технических условиях, а для вновь создаваемых конструкций - в технических заданиях на их разработку. В общем случае основными воздействующими факторами являются механические, климатические, биологические, специальные среды, ионизирующие и электромагнитные излучения.

Испытательная техника охватывает обширный круг вопросов в различных областях науки и техники [15]. Особое место испытательной техники уделяется в авиационной, космической, автомобильной промышленности, в строительстве и других областях.

Строительство подразделяется на такие отрасли как промышленное, жилищное, транспортное строительство. Основным материалом для перечисленных отраслей является железобетон. Основным недостатком железобетона является низкая прочность при растяжении. Поэтому при разработке железобетонных конструкций важную роль занимает их расчет и процесс испытаний.

На протяжении многих лет во всем мире накапливался опыт испытаний и эксплуатации железобетонных конструкций. Было найдено, что при металлической арматуре бетон хоть и не разрушается при растяжении, но трескается. Это отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах железобетонных конструкций и сооружений. Однако важнейшим достижением, в результате накопленного опыта, является получение технологии так называемого преднапряженного железобетона. Суть этой технологии заключается в создании на стадии изготовления или строительства железобетонной конструкции напряженного состояния в ней, при котором предварительный знак напряжения в бетоне противоположен знаку напряжения от эксплуатационной нагрузки. Такая технология позволяет наиболее эффективно использовать повышенную прочность бетона при сжатии.

С развитием технологии преднапряженного железобетона она стала завоевывать все большие области в строительстве. На сегодняшний день эта технология во всем мире используется при сооружении зданий, пролетных строений и опор мостов, железобетонных свай, труб, опор ЛЭП, мачт освещения, телебашен, различных морских сооружений и многого другого.

В России технология преднапряженного железобетона получила наиболее широкое применение в мостостроении. При строительстве мостов, по такой технологии, напрягаемой арматурой являются прядевые пучки высокопрочных канатов марки К7 [11], которые изготавливаются и поставляются канатными заводами. В настоящее время, как поставщик, так и заказчик проводят испытания канатов на растяжение до разрыва [10, 13, 66]. Поставщику эти испытания необходимы для текущего контроля и составления сертификата на готовые пряди, а заказчику, - с одной стороны, для проверки соответствия действительных характеристик их величинам, установленными техническими условиями или ГОСТом на пряди, и, с другой стороны, - для технологических целей, связанных с процессом изготовления и испытания предварительно напряженных железобетонных конструкций. Однако такие испытания не удовлетворяют реальным режимам работы каната при эксплуатации моста. Так как в реальных условиях канат испытывает сложный закон нагружения, который условно можно разбить на две составляющие: статическое и динамическое нагружение. Статическое нагружение возникает от действия постоянных нагрузок - предварительного натяжения каната, восприятия им массы моста и т.п. Динамическое нагружение возникает от действия знакопеременных нагрузок - движения транспорта, порывов ветра и т.п. Российские испытательные машины, позволяющие проводить испытания образцов при динамических нагружениях, не способны моделировать работу каната в реальных условиях. За рубежом существуют испытательные машины, позволяющие проводить испытания канатов при учете динамической составляющей нагрузки, максимально приближенной к реальной. Такие стенды разработаны фирмами ЗсИепск, МТ8, ¡тйгоп и др. На основе таких испытаний были получены европейские стандарты характеристик канатов при динамических испытаниях [72]. Сравнение испытательных машин показывает, что зарубежные аналоги значительно дороже российских при этом они не позволяют проводить испытания в широком спектре законов нагружения.

Поэтому появилась необходимость в создании испытательной машины, параметры которой удовлетворяли бы реальным условиям работы каната.

Основываясь на опытных данных строительства и эксплуатации мостов, закон нагружения каната можно представить графиком, показанном на рисунке В.

Рн,кН

160 150 140 t, с

Рис. В. График закона нагружения испытуемого каната:

Р - усилие, нагружающее канат; t - время; Т - период колебаний; / -н частота колебаний в Гц

В этом случае статическая нагрузка составляет 150 кН, при такой нагрузке канат подвергается динамическому воздействию с амплитудой по усилию 10 кН и частотой 0-100 Гц. Диапазон частот обеспечивает варьирование режимов динамического нагружения каната, а также сокращение времени испытаний.

Кроме того, испытательная машина должна создавать широкий спектр законов нагружения на выходном звене, например синусоидальный, пилообразный, случайный закон. и

Указанные требования можно удовлетворить с помощью электрогидравлического следящего привода. Его основные преимущества перед механическим, электрическим и пневматическим приводами - это большая энергоемкость, высокое быстродействие и способность регулировать выходную величину по желаемому закону.

Однако при создании такого гидропривода испытательной машины заводские лаборатории сталкиваются со значительными техническими трудностями. Режимы работы гидропривода на базе промышленных гидроагрегатов осуществить достаточно сложно, а обеспечить режим динамического нагружения по требуемым законам практически невозможно.

Разработка гидропривода с точным воспроизведением реального закона нагружения каната требует исследования всех процессов, протекающих как в отдельных элементах, так и во всем гидроприводе в целом.

Одним из основных факторов, ограничивающих точность динамического закона нагружения, а также частоту колебаний, являются контактные уплотнения гидроцилиндра. При сложной форме моделируемого закона нагружения, силы сухого трения на контактных уплотнениях существенно искажают форму процесса. В тоже время контактное давление уплотнения на зеркало цилиндра при большой скорости относительного перемещения пар трения приводит к высокотемпературному режиму работы материала уплотнений, что сокращает ресурс работы установки.

Для преодоления указанного недостатка контактных уплотнений, непосредственно в гидроприводах испытательной машины, передовые фирмы применяют гидростатические опоры, методы расчета и проектирования которых не приводят.

В связи с перечисленными выше особенностями применения гидропривода в испытательных машинах, необходимо: разработать методику расчета гидростатических опор гидроцилиндра;

- исследовать режимы работы гидропривода испытательной машины, имитирующей динамические воздействия на канат, и создать математическую модель такой гидромеханической системы;

- подтвердить адекватность математической модели реальной системе.

Диссертация посвящена решению этих задач.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Ниже представлены основные результаты и выводы диссертационной работы.

1. Разработан и апробирован метод решения пространственной задачи для течения жидкости в зазоре гидростатической опоры, определяющий поле давления в слое смазки и ее основных характеристик. Новизна метода заключается в следующем: а) впервые уравнения гидродинамики для тонкого слоя смазки в гидростатической опоре решались в полной постановке с применением программного комплекса STAR CD; б) впервые задача гидродинамики для течения жидкости в зазоре гидроопоры решалась с учетом перекоса штока в цапфе гидроопоры под действием внешней радиальной нагрузки, что приводило к клиновидной форме зазора.

2. Рассчитаны и представлены интегральные характеристики гидростатической опоры (несущая способность и расход жидкости).

3. Составлена и апробирована математическая модель гидропривода для динамических испытаний канатов, учитывающая влияние гидродинамических процессов в гидроопорах на динамику гидропривода.

4. Рассчитаны и представлены динамические характеристики гидропривода для всего диапазона рабочих частот.

5. Создан экспериментальный стенд для испытания гидропривода и проведены испытания, подтвердившие основные теоретические положения диссертации. Результаты испытаний следующие: а) получены значения несущей способности и расхода жидкости через гидростатическую опору. Расхождение расчета с экспериментом для концентрического положения штока в цапфе гидроопоры не более 6%, для случая с перекосом штока не более 14%; б) получена логарифмическая амплитудная характеристика для всего гидропривода. Выявлена частота пропускания входного сигнала без существенного искажения выходного сигнала, которая составляет 70 Гц. При этом логарифмическая амплитудная характеристика падает на 2,5 дБ, что составляет 3% падения амплитуды выходного сигнала.

6. Основываясь на международных нормах для динамических испытаний канатов, которые накладывают условия испытаний до 2 млн. циклов, можно сделать вывод, что при 70 Гц время испытания канатов будет составлять около 8 часов непрерывной работы, что значительно меньше времени, при котором необходимо проводить испытания на существующих отечественных установках.

7. Результаты диссертационной работы применены при проведении динамических испытаний в лаборатории при ООО "Фирма "Следящие тест-системы". Кроме того, ведется подготовка результатов экспериментов и методики проведения испытаний для сертификации стенда.

154

1. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода / Под ред. С.А. Ермакова. М.: Машиностроение, 1988. -312 с.

2. Алифов A.A., Фролов К.В. Взаимодействие нелинейных колебательных систем с источником энергии. М.: Наука, 1985. - 237 с.

3. A.c. 1698500 AI (СССР). Гидравлический вибратор /В.И. Седнев, И.И. Лапин, Ю.Ф. Кучумов. //Б.И. 1991. -№46.

4. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы. М.: Машиностроение, 1977. -326 с.

5. Воскресенский В.А., Дьяков В.И., Зале А.З. Расчет и проектирование опор жидкостного трения: Справочник. М.: Машиностроение, 1983. -232 с.

6. Гамынин Н.С. Гидравлический привод систем управления. М.: Машиностроение, 1972. -376 с.

7. Гатиев М.К., Гергая P.C. Гидростатический подшипник для гидравлических пульсаторов // Вестник машиностроения. 1993. - №7. -С. 24.

8. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. М.: Машиностроение, 1982. - 432 с.

9. Голубев А.И., Кукин P.M., Лазарев Г.Е. Контактные уплотнения вращающихся валов. М.: Машиностроение, 1976. - 264 с.

10. ГОСТ 12004-81. Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение. М., 1986. - 15 с.

11. ГОСТ 13840-68. Канаты стальные арматурные 1x7. Технические условия. -М., 1995. 7 с.

12. Григорьев Б.С., Смирнов Д.Б. Расчет газостатических подшипников методом конечных разностей // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2002. - №4. - С. 35-42.

13. Зацаринный В.П., Шилов В.А. К вопросу о методике испытания прядевой арматуры // Предварительно напряженные конструкции с прядевой арматурой / Под ред. А.И. Семенова. Махачкала: Дагкнигиздат, 1970. - 160 с.

14. Инженерные исследования гидроприводов летательных аппаратов / Д.Н. Попов, С.А. Ермаков, И.Н. Лобода и др.; Под ред. Д.Н. Попова. -М.: Машиностроение, 1978. 142 с.

15. Испытательная техника для исследования механических свойств материалов / А.П. Волошенко, М.М. Алексюк и др. Киев: Наукова думка, 1984.-319 с.

16. Испытательная техника: Справочник; В 2-х кн. / Под ред. В.В. Клюева. -М.: Машиностроение, 1982. -Кн.1. -528 с.

17. Квитницкий Е.И., Киркач Н.Ф., Паставский Ю.Д. Расчет опорных подшипников скольжения: Справочник. М.: Машиностроение, 1979.-70 с.

18. Кирилловский Ю.Л., Подвидз Л.Г. Баланс энергии и основы расчета струйных насосов // Труды ВИГМ (М). 1960. - Вып. 26, - С. 57-78.

19. Ковалев В.Д. Численный метод расчета опор жидкостного трения // СТИН. 1999. - №10. - С. 12-16.

20. Коровчинский М.В. Теоретические основы работы подшипников скольжения. М.: Машгиз, 1969. - 403 с.

21. Гидрообъемный генератор полигармонических колебаний / П.Я. Краунып, А.Н. Гаврилин, С.А. Смайлов, Б.С. Климов //Машиноведение. 1991. -№4. - С. 14-17.

22. Левит Г.А. Основы конструирования и расчета элементов машин из условия обеспечения жидкостного трения. М.: Машиностроение, 1968.-91 с.

23. Мукосеев Б.В. О нелинейных эффектах в динамике программного гидравлического вибростенда // Машиноведение. 1968. -№3. - С. 18-22.

24. Пасынков P.M., Посвянский B.C. Численное решение уравнения Рейнольдса с учетом переменной вязкости жидкости (в приложении к торцовым распределителям, уплотнениям и упорным подшипникам скольжения) // Вестник машиностроения. 1993. - №9. - С. 26-29.

25. Пешти Ю.В. Газовая смазка: Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ, 1993.-381 с.

26. Подвидз Л.Г., Кирилловский Ю.Л. Рабочий процесс и основы расчета струйных насосов // Труды ВИГМ (М). 1960. - Вып. 26, - С. 127156.

27. Подвидз Л.Г., Кирилловский Ю.Л. Расчет оптимального струйного насоса для работы на разнородных и однородных жидкостях // Труды ВИГМ (М).- 1963.-Вып. 32,-С. 114-128.

28. Подвидз Л.Г., Кирилловский Ю.Л. Расчет струйных насосов и установок // Труды ВИГМ (М). 1965. - Вып. 36, - С. 44-96.

29. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. -М.: Машиностроение, 1987. -464 с.

30. Попов Д.Н., Панаиотти С.С., Рябинин М.В. Гидромеханика: Учебник для вузов / Под ред. Д.Н. Попова. М.: МГТУ, 2002. - 384 с.

31. Попов Д.Н., Чвялев Д.С. Численное исследование течения вязкой жидкости в гидростатической опоре штока // Вестник МГТУ. Машиностроение. 2006. - №3. - С. 15-24.

32. Попов Е.П. Прикладная теория процессов управления в нелинейных системах. -М.: Наука, 1973. 584 с.

33. Проектирование гидростатических подшипников: Пер. с англ. / Под ред. Г. Риппел М.: Машиностроение, 1967. - 135 с.

34. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник; В 3-х т. / Под ред. A.C. Проникова. М.: Машиностроение, 1995. (Т. 2. Ч. 1. Расчет и конструирование узлов и элементов станков). - 371 с.

35. Пуш A.B. Шпиндельные узлы: Качество и надежность. М.: Машиностроение, 1992. -288 с.

36. Русаков А.И. Разработка метода расчета радиальных сегментных газовых подшипников турбомашин установок для получения холода: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1998.-228 с.

37. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука, 1989. - 616с.

38. Ситников C.JI. Разработка и исследование самонастраивающегося гидропривода для моделирования динамических воздействий на конструкции и грунтовые основания: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1989. - 209 с.

39. Скляревский А.Н., Тумаркин М.М., Савченко Ю.В. Некоторые особенности построения электрогидравлических следящих приводов испытательных машин // Вестник машиностроения. 1991. - №3. - С. 2326.

40. Скляревский А.Н., Тумаркин М.М., Стах Е.П. Динамика гидропульсаторного привода // Транспортное и энергетическое машиностроение. 1995. - №3. - С. 24-29.

41. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин. Киев: Наукова думка, 1979. 188 с.

42. Соколов Ю.Н., Гордеев А.Ф. Шпиндельные гидростатические подшипники. Расчет и проектирование. -М.: ЭНИМС, 1969. 70 с.

43. Справочник по производственному контролю в машиностроении / Под ред. А.К. Кутая. М.: Машиностроение, 1974. - 357 с.

44. Стрункин Ю.Е. Высокоскоростные следящие гидроприводы // Станки и инструменты. 1998. - №4. - С. 14-18.

45. Темнов В.К., Спиридонов Е.К. Расчет и проектирование жидкостных эжекторов: Учебное пособие. Челябинск, 1984. - 44 с.

46. Уплотнения и опоры из полимерных и композиционных материалов для гидроцилиндров и валов гидромашин: Каталог. ЭЛКОНТ, 1998.-42 с.

47. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев и др. М.: Машиностроение, 1994.-448 с.

48. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1970.544с.

49. Физическое моделирование гидродинамических процессов при проектировании специального электрогидравлического привода испытательной машины / Г.Ж. Сахвадзе, С.Л. Ситников, И.В. Викторова,

50. Д.С. Чвялев // Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса: Труды Московской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. -М., 2003. С. 40-51.

51. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х т. -М.: Мир, 1991.-Т.1.-504 с.

52. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х т. -М.: Мир, 1991.-Т.2.-552 с.

53. Фомичев В.М. Дросселирующий гидропривод супер-класса // Приводная техника. 1998. - №8/9. - С. 43-46.

54. Шатохин С.Н., Зайцев В.П., Ярошенко С.А. Проектирование адаптивных гидростатических подшипников // Вестник машиностроения. 1992.-№6-7.-С. 25-28.

55. Шатохин С.Н., Коднянко В.А., Зайцев В.П. Функциональные возможности радиальной активной гидростатической опоры // Машиноведение. 1986. - №4. - С. 85-91.

56. Шенк. Продольные цилиндры Гидропульс серии PL: Проспект. -Дармштадт: Карл Шенк АГ, Р2701/Зч, 1987. 15 с.

57. Шенк. Стандартные машины Гидропульс серии PSB: Проспект. -Дармштадт: Карл Шенк АГ, Р2802/Зч, 1988. 18 с.

58. Шиманович М.А. Разработка и применение гидростатических опор в металлорежущих станках: Обзор. М.: НИИМаш, 1972. - 92 с.

59. Шихватов A.M. Исследование устойчивости подшипников на газовой смазке с наддувом методом Бубнова-Галеркина // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2002. - №4. - С. 27-34.

60. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 712с.

61. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений. М.: Наука, 1969.-344с.

62. Ausgewählte Beispiele, Heraugegeben von Gerhard J. Werkstoff und bauteilprüfung sowie betriebslasten simulation. - Karlsruhe: Werstofftechnische Verlagsgesellschaft m.b.H., 1981.-261 s.

63. Bannister S.L. Characteristics of strand prestressing tendons. W.C. Struct. Eng. March 1959. 24 p.

64. Crawshaw A.H., Robinson A.D. The Calibration of Force Transducers on the Fly. W.C. Center for Mechanical and Acoustical Metrology National Physical Laboratory, 2002. 21 p.

65. Laurenson I.I. The design of sell-centring seal-less hydraulic pistons //Proc.Inst.Mech.Eng.- 1985.- Vol. 199. №1.-P. 59-65.

66. Lee S. R., Srinivasan K. Self-Tuning control application to closed-loop servohydraulic material testing // Transactions of the ASME C. -1990.-Vol. 112.-P. 680-689.

67. Pizon A. Experimentelle und theoretische Utersuchungen eines elektrohydraulischen Schwingungssystems mit einem Proportionalregelventil // Maschinenbautechnik. Berlin. - 1991. - №5. - S. 222-224.

68. P. 4212630 AI (Deutsch). Hydrostatisches Radial-Taschenlager für einen Servozylinder / R. Kuhnen, P. Wacker. 1992.

69. European standard. PrEN 10 138-1. Prestressing steels. W.C. 1998.17p.

70. Stabler J. New Servo-Hydraulic Testing Machin for the Institut Massivbau and Baustoftechnologie // LACER. 1997. - №2. - P. 65-75.

71. Warsi Z.V.A. Conservation form of the Navier-Stokes equations in general nonsteady coordinates // AIAA Jornal. 1981. - №19. -P. 240-242.161