автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Разработка методики расчёта и исследование рабочих процессов гидравлического привода широкополосного вибровозбудителя

РГБ 011

2 2 деи т

Броднев Павел Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА И ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА ШИРОКОПОЛОСНОГО ВИБРОВОЗБУДИТЕЛЯ

Специальность 05.04.13 Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре гидромашиностроения Санкт-Петербургского государственного технического университета

Научный руководитель: кандидат технических наук,

профессор Исаев Ю-М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Челпанов И.Б.,

кандидат технических наук, Сорокин В.П.

Ведущее предприятие: ОАО «НИИ Системотехника» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 05 декабря 2000 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета К.063.38.01 при Санкт-Петербургском ¡ису даре 1 вешюм техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, ауд. 251 главного здания.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан: " ¿74 " НОЯБРЯ 2000 г.

Учёный секретарь диссертационного совета к.т.н., профессор

Л.П.Грянко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ввиду широкого применения вибровозбудителей проблема их разработки весьма актуальна. Однако, несмотря на многочисленные исследования по данной тематике, имеется ряд недостатков, ограничивающих развитие вибрационной техники. Один из них - недостаточное развитие современных методов расчёта и проектирования вибровозбудителей.

В области создания испытательных вибрационных установок актуальной является проблема разработки широкополосных гидравлических вибровозбудитслей, обеспечивающих проведение испытаний приборов в условиях отсутствия значительных магнитных полей на уровне вибростола. Наиболее полно удовлетворяют данным требованиям гидравлические пульсаторные вибровозбудители с вращающимися золотниками.

В подавляющем большинстве конструкций пульсаторных вибровозбудителей присутствует упругий элемент, предотвращающий дрейф поршня при работе гидравлического исполнительного механизма (ТИМ). Вместе с тем разработаны тгюке способы гидравлического позиционирования исполнительного органа, что в ряде случаев является предпочтительным.

Существующие методы расчёта пульсаторных гидравлических вибровозбудителей основаны, главным образом, на результатах аналитических исследований ГИМ с упругой составляющей нагрузки. При этом остаются открытыми вопросы о правомерности вводимых допущений и о достоверности полученных результатов. Методы расчёта пульсаторных вибровозбудителей, учитывающие специфику работы вращающихся золотников и возможность применения гидравлических систем позиционированием поршня отсутствуют.

Этими обстоятельствами, а также постоянно возрастающими требованиями к вибрационным механизмам, объясняется насущная необходимость совершенствования теоретических методов исследования гидравлических вибровозбудителей.

Цель работы заключается в решении следующих основных задач:

1. Исследование рабочих процессов г идравлических вибровозбудителей с вращающимися золотниками и механическим позиционированием исполнительного органа ГИМ. , ... •

2. Исследование особенностей работы гидравлического вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа ГИМ, как более перспективной конструкции, позволяющей расширить диапазон рабочих частот и обеспечить повышенные немагнитные свойства вибростенда.

3. Обоснование предложенных расчётных методик путём сравнения результатов экспериментальных исследований и математического моделирования пульсатор-ного гидравлического вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа ГИМ.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Создана методика расчёта гидравлического пульсаторного вибровозбудителя с вращающимся золотником, учитывающая специфику работы вращающегося золотника.

2. Предложена принципиальная схема гидравлического позиционирования поршня гидравлического пульсаторного вибровозбудителя.

3. Изучено влияние ряда конструктивных параметров ГИМ на амплитудно-частотные характеристики (ЛАХ) и значения коэффициента нелинейных искажений (КИИ) гидравлического пульсаторного вибровозбудителя.

4. Проведены экспериментальные исследования рабочих процессов пульсаторного вибровозбудителя с вращающимся золотником в широком диапазоне рабочих частот.

Практическая ценность работы:

1. Выработаны практические рекомендации по расчёту и проектированию гидравлических пульсаторных вибровозбудителей с вращающимися золотниками.

2. На базе проведённых теоретических исследований предложены рекомендации но улучшению качества работы существующих вибровозбудителей данного типа.

3. Предложена конструктивная схема гидравлического пульсаторного вибровозбудителя, позволяющая получить широкий диапазон рабочих частот.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических исследований были использованы при создании в лаборатории гидромашиностроения СПбГТУ широкополосного вибровозбудителя, обеспечивающего при работе в составе испытательной вибрационной установки отсутствие значительных магнитных полей на уровне вибростола.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на научно-техническом семинаре кафедры гидромашиностроения Санкт-Петербургского государственного технического университета. Конструкторская часть работы была доложена и обсуждена на техническом семинаре ОАО «НИИ Системотехника».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и списка литературы, содержит 176 страниц машинописного текста, 59 рисунков. Список литературы содержит 24 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы основные задачи диссертационной работы.

В первой главе на основании обзора научно-технической литературы проведён анализ конструкций вибровозбудителей с гидравлическим приводом и теоретических методов исследования их рабочих процессов.

По способу управления исполнительным механизмом гидравлические вибровозбудители делятся на автоколебательные, самоуправляющиеся, пульсаторные и следящие. В подавляющем большинстве случаев для работы в составе виброиспытательных стендов применяются пульсаторные и следящие вибровозбудители. Они имеют широкие диапазоны рабочих частот и позволяют плавно регулировать основные рабочие параметры - частоту и размах колебаний вибростола.

Наличие отрицательной обратной связи между элементами ГИМ широкополосных следящих электрогидравлических вибровозбудителей позволяет проводить

испытания объектов различными способами вибрационного нагружения. Однако, данные вибрационные механизмы и их системы управления достаточно сложны. Кроме того они не исключают возможность возникновения в процессе работы значительных электрических и магнитных полей на уровне вибростола.

Более простыми по конструкции являются гидравлические вибровозбудители пульсаторного типа. Пульсаторные вибровозбудители с вращающимися золотниками (рис.1) имеют наиболее широкие диапазоны рабочих частот среди всех гидравлических вибрационных механизмов.

Рис. 1. Схема пульсаторного вибровозбудителя с вращающимся золотником

Вместе с тем в публикациях, посвященных вопросам разработки вибрационной техники, отмечается, что пульсаторные вибровозбудители имеют наряду с общими недостатками гидроприводов ещё ряд специфических недостатков, характеризуемых авторами (Баранов В.Н., Захаров Ю.Е., Искович-Лотоцкий Р.Д., Матвеев И.Б., Крат В.А. и др.) как неустранимые.

Анализ описанных в технической литературе схем пульсаторных вибровозбудителей с вращающимися золотниками (Баранов В.Н., Захаров Ю.Е., Варсанофьев В.Д., Кузнецов О.В.) позволяет сделать вывод о том, что влияние большинства указанных недостатков на работу вибростенда может быть сведено к минимуму за счёт замены упругого элемента в конструкции ГИМ на систему гидравлического пози-

ционирования поршня, а также выбора формы и геометрических размеров элементов вращающегося золотника.

Существующие методы теоретических исследований рабочих процессов в исполнительных механизмах пульсаторных вибровозбудителей предполагают наличие упругой составляющей нагрузки на исполнительный орган, работающий в режиме вынужденных колебаний. При этом в расчётных схемах (рис.2) вращающийся золотник условно заменяется дросселирующим гидрораспределителем с возвратно-поступательным движением плунжера.

Вынужденные колебания исполнительного органа (поршня) ГИМ с упругой составляющей нагрузки исследовались отечественными и зарубежными авторами с использованием различных методов приближенного решения уравнений, описывающих динамические процессы в ГИМ. При этом вводился ещё ряд допущений, таких как пренебрежение сжимаемостью рабочей жидкости, перетечками по поршню, упругостью основания вибровозбудителя, силами сухого и вязкого трения, а иногда и силами инерции. Такие допущения позволяют существенно упростить математическую модель вибровозбудителя, но одновременно уменьшают степень её соответствия многим разработанным конструкциям.

Наиболее перспективным направлением при проведении теоретических исследований работы вибровозбудителей является использование численных методов решения уравнений, описывающих динамические процессы в ГИМ. Это позволяет

сводить к минимуму число принимаемых допущений и учитывать особенности конструкции исследуемых вибровозбудителей.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям гидравлического пульсаторного вибровозбудителя с вращающимся золотником и механическим (при помощи упругого элемента) позиционированием поршня. Эти исследования выполнены на основе математической модели, отличающейся от моделей, применяемых другими исследователями.

При построении такой математической модели были приняты следующие допущения:

1) давление р„ и рсл в линиях подвода и отвода рабочей жидкости, а также температура и вязкость рабочей жидкости постоянны;

2) режим течения рабочей жидкости в соединительных каналах турбулентный;

3) модуль Е объёмного сжатия рабочей жидкости не зависит от давления;

4) перетечки между полостями гидродвигателя и внешние утечки из его полостей отсутствуют;

5) волновые процессы в соединительных каналах и полостях гидродвигателя отсутствуют;

6) пренебрегаем деформациями основания вибровозбудителя, возникающими при его работе;

7) нагрузку на поршень полагаем состоящей из силы инерции, силы вязкого трения, упругой силы и силы, постоянной по значению и направлению;

8) пренебрегаем силой сухого трения.

С учётом перечисленных выше допущений была принята расчётная схема вибровозбудителя (рис.3.), отражающая наличие в его конструкции вращающегося гидрораспределителя (золотника) ВР.

Одним из основных допущений, вводимых при аналитических исследованиях рабочих процессов пульсаторных вибровозбудителей большинством авторов, является предположение о работе ГИМ только в режиме двигателя. В этом режиме рабочая жидкость поступает из линии нагнетания в одну полость гидроцилиндра и выталкивается из другой полости в линию слива.

Использование численных методов позволяет оказаться от введения данного

Рис.3. Расчётная схема ГИМ вибровозбудителя пульсаторного типа с вращающимся золотником и механическим позиционированием поршня

допущения и учитывать возможность движения жидкости из линии слива в одну рабочую полость гидроцилиндра и вытеснения поршнем жидкости из другой полости в линию нагнетания (работа в режиме насоса).

В связи с этим при построении математической модели было введено правило знаков по отношению к расходам рабочей жидкости: расход считается положительным в случае движения рабочей жидкости в направлении от насосной станции к гидроцилиндру и отрицательным при движении рабочей жидкости от гид роцилиндра к насосной станции. На расчётной схеме вибровозбудителя (см. рис.3) показаны направления движения рабочей жидкости, соответствующие положительным значениям расходов.

Силы, действующие на исполнительный механизм вибровозбудителя, учитываются в уравнении движения поршня гидроцилиндра:

М^+к^ + сх + С = А{рх~рг), (1)

где А - эффективная площадь поршня.

Уравнения расходов и ¡22> поступающих в нижнюю и верхнюю полости гидроцилиндра с учётом принятого правила знаков и сжимаемости рабочей жидкости имеют вид:

со

а/ Е а/

о)

ог Е а/

где; ¿)и2, Qc.ii и (¿^а ~ расходы рабочей жидкости, поступающие в нижнюю и верхнюю полости гидроцилиндра из линий нагнетания и слива.

Одной из особенностей вращающихся золотников является изменение в широком диапазоне величины коэффициента гидравлического сопротивления С,ок рабочего окна при изменении площади Аок его открытия. В силу этого вращающиеся золотники нельзя безоговорочно отнести к дросселирующим гидравлическим распределителям. При больших значениях относительного открытия Ат = А^А^ тах рабочего окна золотника величина Ст мала. Гидравлическое сопротивление каналов, предназначенных для подвода рабочей жидкости к окнам золотника, может оказаться сравнимым с гидравлическим сопротивлением самих рабочих окон.

На схеме ГИМ каналы подвода рабочей жидкости от насосной станции к окнам золотника условно заменены эквивалентными постоянными дросселями Др1 и Др2. Каналы, соединяющие окна золотника с полостями гидроцилиндра, заменены аналогичным образом на постоянные дроссели ДрЗ \\Др4.

Гидравлическое сопротивление каналов вращающегося золотника учитывается уравнениями расходов через постоянные дроссели Др1 - Др4:

а=а, + &л!=Лдрз ,Ь--\K-aI -р, (4)

и. 2

р> ДрЗ Р

1±. 2

1/Сдр4 Р

1 1 2

кдр1 Р]

а = Й.2 + 0СЛ2 = ЛЛр4 (5)

а=а,+а* - .У- --; (6)

уьдр! Р

бел = &л] + Qaa = ^Др2. /р- - \[|Рсл - Рсл| ^8П(Рсл ~ Рс.<) , (?)

Теоретические исследования рабочих процессов ГИМ вибровозбудителя проводились исходя из предположения о том, что рабочие окна вращающегося золотника расположены на его боковой цилиндрической поверхности и выполнены с нулевым начальным перекрытием рабочих кромок (рис.4).

Равенство ширины 5П перемычек между соседними рабочими окнами ширине 50К самих рабочих окон, а также наличие радиального зазора 8вр между ротором 1 и статором 2 золотника исключает «запирание» жидкости в полостях гидроцилиндра при работе вибровозбудителя.

Расходы рабочей жидкости через вращающийся золотник, являются функциями угла ф поворота ротора золотника и перепадов давления на соответствующих рабочих окнах:

&л. = г(ф ;(рсл - р.0)); 0сл2 = -,(р°а - р°2))■ (8)

Теоретические исследования работы ГИМ вибровозбудителя проводились путём численного решения уравнений его математической

Рис.4. Схема расположения рабочих окон в сечении вращающегося золотника плоскостью, перпендикулярной его оси

модели ((1) - (8)) при фиксированных значениях рабочей частотыКритерием окончания расчётов для каждого случая являлся выход вибровозбудителя на установившийся режим работы, при котором положение л' и скорость Ах dt исполнительного органа в начале и в конце рабочего цикла становились соответственно равны (с принятой при расчётах погрешностью).

Численное решение уравнений математической модели позволило получить интересующие характеристики исследуемого вибровозбудителя. К ним относятся ЛАХ, зависимости КНИ = f (/), а также логарифмические фазовые характеристики (ЛФХ) Ф = Г (/). Последние дают возможность оценить запаздывание движения поршня относительно переключения рабочих окон золотника и продолжительность работы ГИМ в насосном режиме за время рабочего цикла.

Результаты проведённых исследований подтвердили предположение о том, что в области средних и высоких частот работа исполнительного механизма вибровозбудителя в течение цикла происходит как в режиме двигателя, так и в режиме насоса.

Теоретические исследования позволили сделать ряд выводов, касающихся влияния на работу ГИМ сжимаемости рабочей жидкости, гидравлических потерь в каналах вращающегося золотника и некоторых конструктивных параметров вибровозбудителя, таких как:

1. форма рабочих окон вращающегося золотника;

2. относительная величина зазора между элементами золотниковой пары 5 = 5 50К;

3. жёсткость с упругого элемента в конструкции ГИМ вибровозбудителя;

4. длина /0 рабочей полости гидроцилиндра при среднем положении поршня.

На основании данных выводов были выработаны рекомендации по улучшению характеристик вибровозбудителей с вращающимися золотниками. Так, например, наиболее эффективным мероприятием по уменьшению нелинейных искажений при работе вибровозбудителя является обеспечение между элементами золотниковой пары гарантированного зазора, составляющего 5 т- 7% от ширины рабочего окна золотника.

В третьей главе рассмотрены основные схемы пульсаторных гидравлических вибровозбудителей с вращающимися золотниками и гидравлическим позиционированием исполнительного органа ГИМ. Для данных вибровозбудителей построены математические модели, позволяющие получать их характеристики и исследовать рабочие процессы.

Работа описанных в технической литературе (Баранов В.Н., Захаров 10.Е., Варсанофьев В.Д., Кузнецов О.В.) систем гидравлического позиционирования исполнительного органа ГИМ основана на включении в конструкцию гидроцилиндра регулируемых дросселей - гидравлических датчиков положения поршня.

Предложенный в диссертации принцип гидравлического позиционирования поршня пульсаторного вибровозбудителя состоит в использовании плунжерного гидрораспределителя, включённого параллельно вращающемуся (рис.5). Генератором пульсирующего потока рабочей жидкости служит вращающийся золотник 2, соединяющий полости гидроцилиндра 1 с линиями нагнетания и слива насосной станции. Четырёхкромочный дросселирующий

СО зол

Рис.5. Схема ГИМ пульсаторного вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием поршня

гидравлический распределитель плунжерного типа 3 предназначен для предотвращения значительного смещения поршня гидроцилиндра от среднего положения. Плунжер распределителя жёстко связан рычагом обратной связи с поршнем и повторяет его движение.

Математическая модель данного вибровозбудителя была получена исключением слагаемого сх из левой части уравнения (1) и введением в уравнения (2) - (7) выражений, учитывающих расходы рабочей жидкости, поступающие в полости гидроцилиндра через гидрораспределитель плунжерного типа.

В третьей главе описан также широкополосный пульсаторный вибровозбудитель с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа ГИМ, созданный на кафедре гидромашиностроения СПбГТУ. Приведены конструктивная, принципиальная и расчётная схемы и составлена математическая модель вибровозбудителя. В основу его конструкции положен приведённый выше принцип использования гидрораспределителя плунжерного типа для осуществления обратной связи по положению поршня. Особенностью является то, что элементы золотниковой пары плунжерного гидрораспределителя конструктивно объединены с поршнем и гильзой гидравлического цилиндра. Это позволяет избежать нежелательных люфтов и деформаций в цепи обратной связи. Вращающийся золотник выполнен с нулевым, а плунжерный - с положительным начальным перекрытием рабочих кромок.

Четвёртая глава посвящена проведению экспериментальных исследований. В данной главе определены задачи исследований, описаны используемые технические средства и методика проведения эксперимента, приведены результаты экспериментальных исследований.

Объектом экспериментальных исследований являлся гидравлический вибровозбудитель пульсаторного; типа с вращающимся золотником и гидравлической обратной связью по положению исполнительного органа, выполненный в соответствии со схемой, представленной на рис.5. ГИМ вибровозбудителя имеет эффективную площадь поршня А- 2,212-Ю-3 м2. При помощи нагружающего устройства имитировалась инерционная нагрузка, соответствую-

щая суммарной приведённой массе исполнительного органа вибровозбудителя Л/= 90 кг.

Цель проведения исследований состояла в подтверждении результатов математического моделирования и выработке рекомендаций по использованию аналогичных вибрационных механизмов в составе виброиспытательных стендов.

Исходя из поставленной цели, к основным задачам проведения экспериментальных исследований были отнесены: проверка работоспособности вибровозбудителя; исследование рабочих процессов вибровозбудителя при различных рабочих частотах; получение характеристик вибровозбудителя, а именно ЛАХ и зависимости величины КНИ от рабочей частоты.

Для проведения исследований была создана экспериментальная установка. Её схема полностью соответствовала рассмотренной ранее расчетной модели. Сама установка обладала обусловленными немагнитными свойствами в результате применения соответствующих конструкционных материалов и разработанному здесь принципу управления, исключающему использование электромагнитных приборов. Исследования проводились в диапазоне рабочих частот 2-е-500 Гц при давлении в линии нагнетания насосной станции рн = 5 МПа.

Процесс исследований был условно разделен на три этапа:

- проведение испытаний вибровозбудителя, в ходе которых осуществлялся сбор информации, характеризующей рабочие процессы в ГИМ (мгновенные значения ускорения вибростола и давления в одной из рабочих полостей гидроцилиндра), её регистрация и накопление в аналоговой форме на магнитной ленте;

- предварительная оценка результатов испытаний и регистрация в цифровой форме информации, полученной при выполнении предыдущего этапа;

- обработка данных на 1ВМ РС - совместимом компьютере, их анализ и представление части результатов в графическом виде.

Проведённые испытания подтвердили работоспособность исследуемого вибровозбудителя.

Для каждой из исследованных рабочих частот были получены: закон изменения давления в рабочей полости силового гидроцилиндра (рис.6); законы изменения ускорения (рис.7), скорости и положения вибростола; размах колебаний исполнительного органа ГИМ; значение К1Ш вибровозбудителя.

200 Гц 250 Гц 370 Гц

Рис.6. Осциллограммы давления в рабочей полости гидроцилиндра

200 Гц

250 Гц

370 Гц

Рис.7. Осциллограммы ускорения вибростола

В пятой главе , проведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований ГИМ пульсаторного вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа, а также представлены выводы по диссертационной работе.

Сравнение расчётных значений размаха вынужденных колебаний исполнительного органа и коэффициента нелинейных искажений вибровозбудителя с результатами эксперимента показало хорошее совпадение в средне- и высокочастотной областях и удовлетворительное - в низкочастотной области исследованного диапазона рабочих частот.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны математические модели и методика расчёта пульсатор-ных гидравлических вибровозбудителей с вращающимися золотниками и различными способами позиционирования исполнительного органа ГИМ, учитывающие специфику работы вращающегося золотника.

2. Проведены теоретические исследования влияния на рабочие процессы и характеристики пульсаторного гидравлического вибровозбудителя сжимаемости рабочей жидкости, гидравлических потерь в каналах вращающегося золотника и некоторых конструктивных параметров ГИМ.

3. Теоретическими исследованиями подтверждено предположение о том, что в области средних и высоких частот работа ГИМ вибровозбудителя в" течение цикла происходит как в режиме двигателя, так и в режиме насоса.';

4. Выработаны рекомендации по расчёту и проектированию гидравлических вибровозбудителей с вращающимися золотниками, а также по улучшению качества работы существующих вибровозбудителей данного типа.

5. Предложена принципиальная схема гидравлического позиционирования поршня, работоспособность которой подтверждена в ходе испытаний гидравлического пульсаторного вибровозбудителя.

6. Предложена конструктивная схема гидравлического пульсаторного вибровозбудителя, позволяющая получить широкий диапазон рабочих частот.

7. Результаты экспериментальных исследований пульсаторного вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа ГИМ соответствуют результатам математического моделирования, что позволяет сделать вывод о возможности использования предложенной расчётной методики.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Броднев П.Н. Некоторые способы регулирования рабочей частоты широкополосного гидравлического вибратора с вращающимся золотником // Сборник студенческих научно-исследовательских работ-СПб.: СПбГТУ, 1995.-С.85 -94.

2. Антропова О.В., Броднев П.Н., Исаев Ю.М. Пульсаторный гидравлический вибратор с гидравлической обратной связью по перемещению исполнительного механизма // Гидравлические машины, гидропривод и гидропневмоавтоматика: тез. докладов международной студенческой научно-технической конференции. 9-10 декабря 1998 г., Москва. - М.: МЭИ, 1998. - с.9.

3. Антропова О.В., Броднев П.Н. Применение гидравлического вибровозбудителя с вращающимся распределителем в составе широкополосного виброиспытательного стенда // XXVII Неделя науки СПбГТУ. 4.1: Материалы межвузовской научной конференции. - СПб.: СПбГТУ, 1999. - с.69 - 71.

4. Броднев П.Н., Цветков A.B. Позиционирование исполнительного механизма широкополосного гидравлического вибратора пульсаторного типа // XXVII Неделя науки СПбГТУ. 4.1: Материалы межвузовской научной конференции. - СПб.: СПбГТУ, 1999. - с. 71.

5. Антропова О.В., Броднев П.Н. Влияние формы и начального перекрытия рабочих окон вращающегося золотника на характеристики пульсаторного гидравлического вибратора // XXVIII Неделя науки СПбГТУ. Ч.1: Материалы межвузовской научной конференции. - СПб. - СПбГТУ, 2000. - с. ! OB - 110.

Введение.

1. Анализ конструкций вибровозбудителей с гидравлическим приводом и теоретических методов исследования их рабочих процессов.

1.1. Общие сведения.

1.2. Автоколебательные гидравлические вибровозбудители.

1.3. Самоуправляющиеся гидравлические вибровозбудители.

1.4. Следящие гидравлические вибровозбудители.

1.5. Пульсаторные гидравлические вибровозбудители.

1.6. Недостатки пульсаторных вибровозбудителей.

1.7. Центрирование исполнительного органа пульсаторного вибровозбудителя без использования упругого элемента.

1.8. Особенности теоретических методов исследования рабочих процессов пульсаторных гидравлических вибровозбудителей

1.9. Расчёты параметров пульсаторных гидравлических вибровозбудителей.

2. Математическое моделирование рабочих процессов вибровозбудителей с вращающимися золотниками и механическим позиционированием поршня.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Расчёт основных параметров вибровозбудителя.

2.3. Математическая модель пульсаторного гидравлического вибровозбудителя с механическим позиционированием поршня.

2.4. Дополнительные зависимости, используемые при численном исследовании рабочих процессов пульсаторных гидравлических вибровозбудителей.

2.4.1. Зависимость открытия рабочего окна вращающегося золотника от угла поворота его ротора.

2.4.2. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления рабочего окна вращающегося золотника от площади его открытия.

2.5. Определение геометрических расходов рабочей жидкости через рабочие окна гидрораспределителя.

2.6. Теоретическое исследование рабочих процессов вибровозбудителя с механическим позиционированием поршня.

2.6.1. Расчётные характеристики исследуемого вибровозбудителя.

2.6.2. Влияние формы рабочих окон вращающегося золотника.

2.6.3. Влияние величины зазора между элементами золотниковой пары вращающегося гидрораспределителя.

2.6.4. Влияние жёсткости упругого элемента в конструкции ГИМ.

2.6.5. Влияние длины рабочей полости исполнительного двигателя. Повышение максимальной рабочей частоты вибровозбудителя.

3. Пульсаторный вибровозбудитель с гидравлическим позиционированием поршня.

Конструкция и математическая модель.

3.1. Схемы гидравлических пульсаторных вибровозбудителей с гидравлической обратной связью по положению исполнительного органа.

3.2. Математическая модель пульсаторного гидравлического вибровозбудителя с гидравлическим позиционированием поршня.

3.3. Конструкция пульсаторного гидравлического вибровозбудителя с гидравлическим позиционированием поршня, созданного на кафедре гидромашиностроения СПбГТУ.

3.4. Математическая модель пульсаторного гидравлического вибровозбудителя с гидравлическим позиционированием поршня конструкции кафедры гидромашиностроения СПбГТУ.

4. Экспериментальные исследования рабочих процессов ГИМ пульсаторного вибровозбудителя.

4.1. Объект и задачи экспериментальных исследований.

4.2. Установка для проведения экспериментальных исследований

4.3. Методика проведения экспериментальных исследований.

4.4. Результаты проведения экспериментальных исследований.

5. Сравнение экспериментальных и теоретических данных.

Общий анализ и рекомендации.

5.1 Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований ГИМ пульсаторного вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа.

5.2. Выводы.

Работа практически всех используемых человеком машин и механизмов сопровождается вибрацией. Причины её возникновения разнообразны. К основным из них можно отнести следующие:

• наличие неуравновешенных сил инерции, действующих на отдельные детали;

• пульсация расхода и давления в магистралях машин, использующих жидкие и газообразные среды, обусловленная спецификой их рабочих процессов;

• внешние возмущающие воздействия, такие как воздействие волн и ветра на корпуса судов или неровностей земной поверхности на колеса наземных транспортных средств.

Обычно вибрация является нежелательной, так как снижает ресурс машин, приводит к авариям, ухудшает качество обработки деталей, увеличивает износ инструмента. Однако в ряде случаев [10] вибрация используется целенаправленно при решении каких-либо задач, для её создания разрабатываются и строятся специальные машины.

Так, например, при выполнении строительных работ широко применяется вибрационное забивание свай и шпунтов, вибрационное уплотнение грунта и бетонных смесей.

В машиностроении благодаря применению вибрационного уплотнения литейных опок, литья в вибрирующие формы и обработке заготовок вибрирующим режущим инструментом удаётся существенно повысить производительность труда и качество изделий [1].

Широкое применение нашли методы вибрационной геологоразведки, используемые для поиска месторождений полезных ископаемых. Их суть заключается в создании направленного сейсмического излучения и обработке сведений о прохождении волн.

Отдельную область использования вибрации представляют собой вибрационные испытания. Машины, механизмы и приборы подвергаются в ходе таких испытаний вибрационным воздействиям с целью проверки их прочности и работоспособности при работе в реальных условиях, где аналогичные воздействия можно считать вредным фактором. Рассматривать виброиспытания отдельно следует по той причине, что к создаваемому вибрационному движению здесь предъявляется ряд дополнительных требований. Прежде всего, это касается диапазонов рабочих частот испытательных вибрационных установок. Они должны быть достаточно широки для качественной имитации реальных условий работы объекта испытаний.

Классифицировать способы вибрационного нагружения можно следующим образом [12]:

1) Гармоническое воздействие с фиксированной частотой. Реализация такого вибрационного движения испытуемого устройства наиболее проста, но выводы о работоспособности объекта в реальных условиях, сделанные на основе результатов таких испытаний, следует считать наименее надёжными.

2) Гармоническое воздействие с модуляцией частоты.

3) Широкополосные случайные вибрации. С их помощью возможно воспроизведение практически всех реально существующих нагрузок, но реализация такого способа достаточно сложна.

4) Узкополосная случайная вибрация.

5) Узкополосная случайная вибрация с девиацией средней частоты. По сравнению с широкополосной случайной вибрацией нуждается в применении менее сложного оборудования.

6) Воздействие ударами или импульсами.

Испытательные вибрационные установки [20] является сложными комплексами, включающими в себя оборудование различного назначения. Состав оборудования зависит от конкретных задач, решаемых при проведении испытаний. Однако в любом случае основой таких установок являются виброиспытательные стенды - устройства, обеспечивающие преобразование какого-либо вида энергии в энергию вибрации [9]. Основной элемент любого виброиспытательного стенда - вибровозбудитель - машина для получения вибрационного движения.

Вибровозбудители, применяемые в вибрационных устройствах различного назначения, делятся по принципу возбуждения колебаний на механические, пневматические, электрические и гидравлические. Требованиям, предъявляемым к вибровозбудителю, входящему в состав виброиспытательного стенда, удовлетворяют не все из них.

Конструкции механических вибровозбудителей позволяют успешно регулировать размах колебаний, но имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение в испытательной технике. Основным из них является сложность регулирования рабочей частоты, которое осуществляется обычно путем изменения скорости вращения приводного двигателя.

Регулирование частоты и размаха колебаний пневматических вибровозбудителей также является достаточно грубым и достигается изменением давления подводимого воздуха либо установкой упоров. Основным недостатком таких машин считается сложный характер работы, полностью исключающий возможность получения гармонических колебаний вибростола с закреплённым на нём объектом испытаний. Область их применения ограничивается испытательными вибрационными установками, предназначенными для имитации ударных или импульсных нагрузок.

Наилучшими, с точки зрения использования в виброиспытательных стендах, можно было бы признать электродинамические вибровозбудители. Они позволяют легко изменять частоту и размах колебаний, а также реализовать с высокой точностью требуемый закон перемещения вибростола. При использовании соответствующей системы управления на испытательном стенде, оснащенном такой машиной, может быть реализован любой из перечисленных выше способов имитации реальных нагрузок. Применение таких вибровозбудителей ограничивается сложностью создания машин большой мощности. При попытке создания мощных электродинамических вибровозбудителей их разработчики сталкиваются с рядом серьёзных препятствий, таких как резкий рост потерь энергии и значительные магнитные поля на уровне вибростола.

Выполнить основные требования, предъявляемые к виброиспытательным стендам большой и средней мощности, можно за счет применения в их конструкциях гидравлических вибровозбудителей. Анализ достоинств и недостатков гидравлических вибровозбудителей различных типов, приведенный в литературе [2, 4, 8], позволяет сделать вывод, что наиболее целесообразным при проведении вибрационных испытаний является использование следящих и пульсаторных гидравлических вибровозбудителей. Они позволяют проводить испытания тяжелых и крупногабаритных объектов в широком диапазоне изменения размаха и частоты виброперемещения.

Исполнительным органом гидравлического вибровозбудителя является гидравлический двигатель: гидроцилиндр или диафрагменный механизм - в случае возвратно-поступательного движения, неполноповоротный гидродвигатель (гидроквадрант) - при необходимости получения угловой вибрации. Отличие между гидравлическими вибровозбудителями разных типов заключается в способе управления исполнительным механизмом.

Следящим гидравлическим [2] называется вибровозбудитель с отрицательной обратной связью между исполнительным органом и управляющим им гидрораспределителем золотникового типа (золотником).

В зависимости от типа привода, обеспечивающего периодическое движение золотника, следящие гидравлические вибровозбудители подразделяются на две группы: А) гидромеханические - вибровозбудители с приводом золотника от двигателя вращательного движения через механический преобразователь (кривошипно-шатунный или кулачковый механизм);

Б) электрогидравлические - вибровозбудители с приводом золотника от электромеханического преобразователя (ЭМП).

Последние следует рассмотреть более подробно.

В электрогидравлическом вибровозбудителе первый (электрический) каскад - ЭМП - управляет работой второго (гидравлического) каскада. Возможность изменения в широком диапазоне по задаваемому закону любого из параметров вибрационного движения в сочетании с большой мощностью гидравлического привода делают такие вибровозбудители одними из наиболее часто применяемых в составе виброиспытательных стендов, несмотря на сложность самих машин и систем их управления.

Диапазон изменения рабочей частоты у большинства следящих гидравлических вибровозбудителей составляет 0 ч- 500 Гц. У гидромеханических вибровозбудителей (0 ч- 200 Гц) верхняя частота ограничивается резонансом деталей механического преобразователя. У электрогидравлических - ростом сил инерции, действующих на плунжер гидрораспределителя и, как следствие, необходимостью создания очень мощных ЭМП.

Частотные диапазоны виброиспытательных стендов можно значительно расширить за счет применения пульсаторных гидравлических вибровозбудителей, в которых колебания исполнительного органа возбуждается пульсирующим потоком рабочей жидкости.

Пульсация потока жидкости в таких вибровозбудителях достигается, как правило, преобразованием постоянного потока жидкости при помощи гидрораспределителя [8]. При этом в отличие от следящего гидравлического вибровозбудителя, создание пульсирующего потока в магистралях подвода жидкости к исполнительному механизму не связано каким-либо образом с положением последнего. Следствием этого является то, что вибровозбудитель пульсаторного типа практически всегда рассматривается как вибровозбудитель с подпружиненным (оснащенным упругим элементом) исполнительным механизмом. Упругий элемент позиционирует исполнительный орган, то есть вынуждает его совершать колебательные движения около некоторого среднего положения. В следящих гидравлических вибровозбудителях это обеспечивается за счет наличия обратной связи.

Вместе с тем на сегодняшний день разработаны пульсаторные гидравлические вибровозбудители, в конструкциях которых отсутствуют упругие элементы. Позиционирование исполнительного органа осуществляется при этом за счёт установки дополнительных гидравлических устройств. Гидравлическое позиционирование исполнительного органа в ряде случаев является предпочтительным по сравнению с применением упругого элемента.

В качестве гидрораспределителя в пульсаторном вибровозбудителе применяется вращающийся или совершающий возвратно-поступательное движение золотник с приводом от электро- или гидродвигателя.

Наибольшие значения рабочей частоты достигаются у пульсаторных гидравлических вибровозбудителей с вращающимся золотником. Это объясняется, прежде всего, отсутствием сил инерции при движении такого золотника с постоянной угловой скоростью.

Однако во многих случаях при проектировании широкополосных гидравлических вибровозбудителей возникает вопрос, связанный с влиянием гидравлических линий исполнительного механизма на его работу. В магистралях, по которым жидкость подводится непосредственно к гидравлическому двигателю, её движение всегда является неустановившимся. Причина этого -специфика работы гидравлического исполнительного механизма (ГИМ) в составе вибровозбудителя.

Учёт неустановившегося характера движения рабочей жидкости, её вязкости и сжимаемости, а также перетечек между полостями гидродвигателя делает математическое описание рабочих процессов вибровозбудителя достаточно громоздким. Аналитическое решение уравнений такой математической модели, чаще всего, является возможным лишь при введении ряда допущений.

Используемые на сегодняшний день методы расчёта и проектирования гидравлических вибровозбудителей основаны, главным образом, на результатах аналитических исследований. При этом остаются открытыми вопросы о правомерности тех или иных допущений и о достоверности полученных результатов.

Этими обстоятельствами, а также постоянно возрастающими требованиями к вибрационным механизмам, объясняется насущная необходимость совершенствования теоретических методов исследования гидравлических вибровозбудителей.

Наиболее перспективным направлением работы в данной области является использование численных методов решения уравнений, описывающих динамические процессы в ГИМ. Применение вычислительной техники позволяет свести к минимуму число принимаемых допущений и, как следствие, повысить степень соответствия математических моделей описываемым ими вибровозбудителям.

Ввиду широкого применения вибровозбудителей проблема их разработки весьма актуальна. Однако, несмотря на многочисленные исследования по данной тематике, имеется ряд недостатков, ограничивающих развитие вибрационной техники. Одним из них является, названное выше, недостаточное развитие современных методов расчёта и проектирования вибровозбудителей.

В области создания виброиспытательных стендов актуальной является проблема разработки широкополосных гидравлических вибровозбудителей, обеспечивающих проведение испытаний приборов в условиях отсутствия значительных магнитных полей на уровне вибростола. Наиболее полно удовлетворяют данным требованиям гидравлические пульсаторные вибровозбудители с вращающимися золотниками и гидравлическим позиционированием исполнительного органа. Рекомендации по их проектированию на сегодняшний день отсутствуют.

12

Целью выполнения данной работы является решение следующих основных задач:

I. Исследование рабочих процессов гидравлических вибровозбудителей с вращающимися золотниками и механическим позиционированием исполнительного органа ГИМ.

II.Исследование особенностей работы гидравлического вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа ГИМ, как более перспективной конструкции, позволяющей расширить диапазон рабочих частот и обеспечить повышенные немагнитные свойства вибростенда.

Ш.Обоснование предложенных расчётных методик путём сравнения результатов экспериментальных исследований и математического моделирования пульсаторного гидравлического вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа ГИМ.

5.2. Выводы

В целом экспериментальные и теоретические исследования пульсатор-ного гидравлического вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа показали следующее:

1) Вибровозбудитель вполне работоспособен, верхняя граница его частотного диапазона определяется объёмом рабочей полости гидравлического двигателя и упругими свойствами рабочей жидкости.

2) Разработанная система гидравлического позиционирования исполнительного органа вибровозбудителя допускает наличие дрейфа, определяемого геометрическими размерами вспомогательного гидрораспределителя.

3) Несмотря на существование дрейфа система гидравлического позиционирования исключает возможность соударения поршня с крышками гидроцилиндра, благодаря чему вибровозбудитель может работать с частотами порядка нескольких герц без снижения давления подводимого потока рабочей жидкости.

4) При выполнении вращающегося золотника с нулевым начальным перекрытием рабочих кромок максимальные значения давления рабочей жидкости в полостях гидроцилиндра незначительно превышают давление в линии нагнетания.

5) Вибровозбудитель рекомендуется для использования в составе стендов, предназначенных для проведения вибрационных испытаний объектов путём их нагружения гармоническим воздействием с модуляцией частоты.

6) Аналитическое описание работы ГИМ подтверждается результатами эксперимента и может быть использовано при дальнейшем исследовании рабочих процессов и расчёте характеристик гидравлических пульсаторных вибровозбудителей с вращающимися золотниками.

1. Бабичев А.П., Труиин В.Б., Самодумский Ю.М., Устинов В.П. Вибрационные станки для обработки деталей. М.: Машиностроение, 1984.- 168 с.

2. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1977. - 326 с.

3. Баранов В.Н. Электрогидравлические следящие приводы вибрационных машин. М.: Машиностроение, 1988. - 264 с.

4. Божко А.Е., Гноевой A.B., Шпачук В.П. Пространственное вибровозбуждение. -Киев.: Наукова думка, 1987. 190 с.

5. Борисова H.A., Гамынин Н.С., Карев В.И., Селиванов A.M. Гидравлика и гидроавтоматика: Учебное пособие / Борисова H.A., Гамынин Н.С., Карев В.И., Селиванов A.M. М.: Издательство МАИ, 1985. - 78 с.

6. Вайсман Н.М., Рыбаков В.Н. Расчёт объёмного гидропривода возвратно-поступательного движения дроссельного регулирования. СПб.: Издательство СПбГТУ, 1994. - 34 с.

7. Варсанофьев В.Д., Кузнецов О.В. Гидравлические вибраторы. -Л.: Машиностроение, 1979. 144 с.

8. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т. / Ред. совет: В.Н.Челомей (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1981 - Т 4 Вибрационные процессы и машины. / Под ред. Э.Э.Лавендела. 1981. - 509 с.

9. Вибрация. Термины и определения ГОСТ 24346 - 80.

10. Ю.Гончаревич И.Ф. Вибрация нестандартный путь. - М.: Наука,1986.-207 с.

11. П.Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

12. Искович-Лотоцкий Р.Д., Матвеев И.Б., Крат В.А. Машины вибрационного и виброударного действия. Киев.: Техника, 1982. - 208 с.

13. И.Кузнецов О.В. Вопросы создания гидравлических вибраторов // Труды Всесоюзного заочного машиностроительного института. Бункерные вибраторы. Выпуск. 3. М.: Издательство ВЗМИ, 1979. - с. 13-30.

14. Матвеев И.Б. Гидропривод машин ударного и вибрационного действия. -М.: Машиностроение, 1974. 184 с.

15. Обозначения условные графические. Аппараты гидравлические и пневматические, устройства управления и приборы контрольно-измерительные ГОСТ 2.781 - 96.

16. Панин A.C. Приближённый метод расчёта параметров гидропульса-ционного привода транспортирующих вибромашин // Труды Всесоюзного заочного машиностроительного института. Бункерные вибраторы. Выпуск. 3. М.: Издательство ВЗМИ, 1979. - с. 44 - 48

17. П.Рыбаков В.Н. Исследование гидравлической системы сейсмовибра-тора: Дис. на соиск. учён. степ. канд. техн. наук / Науч. руководитель Ю.М.Исаев. Л., 1982. - 252 с.

18. Самарский A.A. Введение в численные методы. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. -288 с.

19. Свешников В.К., Усов A.A. Станочные гидроприводы: Справочник. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1988. - 512 с.

20. Установки испытательные вибрационные. Методика аттестации -ГОСТ 25051.3 -83.

21. Чупраков Ю.И. Гидропривод и средства гидроавтоматики. М.: Машиностроение, 1979. - 232 с.

22. Чупраков Ю.И., Щербаков В.Ф. Результаты исследования динамических характеристик электрогидравлического следящего привода с гидромеханическими обратными связями при различных формах рабочего окна