ТЕОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЁТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И АГРЕГАТОВ АПК (13.12.2010)

Автор: Рыбак Александр Тимофеевич

При составлении математической модели гидравлического привода работа фильтра, обратных и предохранительных клапанов, а также гидрораспределителей описывается их гидромеханическими характеристиками. Движение исполнительного механизма связанного со штоками двух одинаковых ГЦ описывается уравнениями:

где m – масса всех подвижных частей механизма, равномерно приведенная к штокам ГЦ; x – перемещение поршня (за x = 0 принимается момент не силового контакта поршня с днищем ГЦ); Rв и Rн реакция упоров действующих на поршень со стороны крышек гидроцилиндров в верхнем и нижнем положениях соответственно; g – ускорение свободного падения; R – нагрузка на исполнительном механизме; Rтр – сила трения в уплотнениях ГЦ.

Для исследования предложенной математической модели автором разработана специальная программа численного решения дифференциальных уравнений, при помощи которой произведены исследования влияния основных конструктивных и технологических параметров системы привода пресс-молота на качество его функционирования.

Произведена рационализация параметров пресс-молота и режимов его работы в процессе пробивки стального листа толщиной S = 0.01м, который создаёт максимальное усилие сопротивления перемещению пуансона Rmax = 1600 кН. Сравнительный анализ показал, что использование двухаккумуляторной схемы привода позволяет повысить быстродействие прототипа с 80 до 112 ударов в минуту при среднецикловом КПД 20% (рис. 15а). Из рисунка (рис. 15б) видно, что быстродействие пресс-молота с простыми механическими упорами, после рационализации его параметров, составляет более 455 ударов в минуту. Пресс-молот, оснащённый гидромеханическими упорами, после рационализации его параметров обеспечивает быстродействие до 560 ударов в минуту (рис. 15в), что почти на 23,1% больше, чем у того же пресс-молота с механическими упорами (рис. 15б), и в 5 раз больше по сравнению с базовым вариантом пресс-молота.

Исследования аэродромной уборочной машины включали два этапа.

Применив уравнения Лагранжа с неопределёнными множителями с дополнительными голономными связями автор исследовал динамику её механической системы. Исследования показали, что механическая система машины не оказывает существенного влияния на систему привода её щёточного устройства – основной цели настоящей работы.

Исследования системы привода щёточного устройства проводились по выше изложенной методике и позволили её усовершенствовать. Целью усовершенствования явилось обеспечение минимального расхода топлива двигателем внутреннего сгорания на единицу совершаемой полезной работы.

После подбора рациональных параметров системы привода щёточного устройства оказалось, что минимум расхода дизельного топлива ДВС имеет при величине рабочего объема одного из двух гидронасосов V0.Н2 = 150 см3 (взамен установленного на машине V0.Н2 = 250 см3), рабочего объема обоих гидромоторов V0.М = 250 см3 и величине передаточного отношения механического привода с вала гидромоторов на исполнительный вал щёточного устройства iМ =0,3. Рабочее (потребное) давление гидронасоса в этом случае для обеспечения потребного момента составило pН (Мвр.потр) = 8 МПа. Значение угловых скоростей вала гидромотора и барабана щёточного устройства составили соответственно ?М = 748 об/мин, ?Б = 222,5 об/мин. Такой режим обеспечивает требуемое качество выполнения машиной своей основной технологической задачи – уборки взлётно-посадочных полос и рулёжных дорожек от снега, при этом существенно экономится горючее. При модернизации системы привода щёточного устройства, для обеспечения согласованной работы двух гидромоторов, применён дроссельный делитель потока не золотникового типа.

Здесь же произведена разработка системы гидравлического привода отделителя – выгрузчика кормов, работающего в условиях переменной плотности разделяемой массы, ввиду её неоднородности, что приводит к не устойчивой работе режущего инструмента, его затиранию. Произведённое моделирование системы привода отделителя – выгрузчика кормов на основе учёта коэффициента приведенной объёмной жёсткости его гидравлической системы и с использованием оригинальной конструкции аппарата управления мембранного типа при выборе рациональных параметров приведенной площади переменных гидравлическими сопротивлений типа плоский клапан, позволяет увеличить эффективность его работы и обеспечить стабильное функционирование в условиях переменной плотности массы разделяемых кормов.

Общие выводы

Данная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические решения, направленные на повышение конкурентоспособности технологических машин и агрегатов АПК путём обеспечения при проектировании требуемых показателей назначения за счёт развития теории, методов проектирования и расчёта рациональных параметров систем приводов с учётом объёмной жёсткости гидравлической системы, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны. Основные выводы по работе можно сформулировать следующим образом.

1. Одним из наиболее эффективных путей повышения конкурентоспособности технологических машин и агрегатов АПК является обеспечение при проектировании требуемых показателей назначения за счёт развития теории и методов расчёта рациональных параметров систем приводов с учётом объёмной жёсткости гидравлической системы, которая характеризуется коэффициентом объёмной жёсткости.

Коэффициент приведенной объёмной жесткости является интегративным показателем жесткостных свойств системы гидравлического привода, он зависит от ёмкости, материала и геометрических размеров элементов системы (особенно гидролиний), вида рабочей жидкости, наличия в ней нерастворённого воздуха, температуры и других свойств рабочей жидкости, ограничивающих оболочек и внешних условий.

2. Введение объёмной жёсткости, как интегративного свойства технологических машин и агрегатов АПК, позволило рассматривать системы их приводов как единую энергетическую цепь с учётом свойств и особенностей составляющих подсистем, и дало возможность разработать методологические основы их моделирования и рационализации параметров применительно к конкретным условиям эксплуатации и выполняемых функций.

Усовершенствование методологии расчёта и проектирования систем приводов технологических машин и агрегатов АПК на основе применения коэффициента приведенной объёмной жёсткости гидравлической системы позволяет проводить экспресс-моделирование вариантов систем приводов, при одновременном повышении точности расчётов и визуализации результатов анализа и в целом качества проектных решений.

3. Использование «объёмной жёсткости», как интегративного свойства системы привода технологических машин и агрегатов АПК позволяет с высокой степенью точности учитывать особенности динамики их функционирования (нелинейности характеристик, деформацию трубопровода, неравномерность подачи источника расхода, сжимаемости и других свойств рабочей жидкости), что, в совокупности с проведением экспресс анализа, обеспечивает повышение качества и сокращение сроков проведения ОКР, при проектировании.

4. Предложенные конструкции переменных гидравлических сопротивлений типа плоский клапан позволяют, за счёт изменения «приведенной площади» их затворов, обеспечить не только нулевое воздействие на затвор регулируемого перепада давления, что ставит их по точности регулирования в один ряд с золотниковыми аналогами, но, кроме того, в сочетании с гибким мембранным элементом, работающим в различных зонах (с переменной жёсткостью), они позволяют проектировать приводы технологических машин и агрегатов АПК со специальными свойствами, что обеспечивает их высокую конкурентоспособность, за счёт обеспечения, при проектировании, требуемых показателей назначения систем приводов.

Переменные гидравлические сопротивления типа «щель переменной длины» позволяют практически полностью исключить воздействие динамической силы на затвор регулирующего элемента (на эластичную мембрану), в результате точность регулирования, оснащённых таким регулирующим элементом аппаратов не уступает точности регулирования золотниковых аналогов, а их себестоимость значительно ниже золотниковых.

5.Предложенная методология моделирования позволяет разрабатывать математические модели систем приводов различного целевого назначения, использующих гидравлические аппараты не золотникового типа, и осуществлять подбор рациональных значений их конструктивных параметров для конкретных условий эксплуатации и выполняемых задач на стадии проектирования.

6. Теоретические исследования синхронных гидромеханических систем на базе дроссельных делителей и делителей-сумматоров потоков не золотникового типа подтвердили, что они обеспечивают достаточную точность функционирования на установившихся режимах (? < 3 %), что не уступает качеству работы их золотниковых аналогов.

7. Предложенная теория позволяет при проектировании синхронного гидропривода учесть наличие переменной нагрузки на рабочем органе технологической машины и её влияние на степень согласованности движения синхронизируемых объектов системы привода, произвести расчёт рациональных параметров системы, основываясь на использовании коэффициента её объёмной жёсткости, так как при значительной разности нагрузок на синхронизируемых рабочих органах технологических машин и агрегатов АПК, ошибка деления делителя потока не даёт полного представления об истинной точности синхронизации системы привода как на не установившихся, так и на установившихся режимах, так как в этом случае существенное значение в согласованности движения исполнительных гидродвигателей имеет объёмная жёсткость гидравлической системы привода.

8. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили работоспособность, исследуемых конструкций гидравлических аппаратов не золотникового типа. Подтверждена правильность их математических моделей. Теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность изменения скорости движения выходного звена системы привода, оснащённой стабилизирующим устройством, путём изменения подачи источника питания, без использования дополнительных тормозящих устройств, в том числе и при наличии попутной нагрузки.

Ресурсные испытания подтвердили, что надёжность дроссельных делителей и делителей-сумматоров потоков мембранного типа достаточна для обеспечения работы систем приводов технологических машин и агрегатов АПК в течение всего срока службы (наработка на отказ составляет более 6,6·105 циклов).

9. В результате использования теории и методологии расчёта приводов технологических машин различного целевого назначения установлено следующее:

– На динамику функционирования стационарного пресс-молота, наибольшее влияние оказывает силовой гидравлический привод, особенно его объёмная жёсткость. Математическая модель модернизированного перфорационного пресс-молота, разработанная на основе предложенной теории с учётом объёмной жёсткости гидравлической системы, позволила выявить влияние конструктивных и функциональных параметров на качество его работы в процессе пробивки листовой заготовки. Целенаправленное использование объёмной жёсткости гидравлической системы привода пресс-молота позволило многократно повысить его производительности.

Расчёт рациональных конструктивных и функциональных параметров базовой конструкции пресс-молота, оснащённого простыми механическими упорами, позволил повысить его быстродействие почти в 2,2 раза.

Использование в системе привода пресс-молота гидромеханических упоров повышает его быстродействие по сравнению с тем же пресс-молотом, оснащённым простыми механическими упорами, на 23,1%, а по сравнению с прессом – прототипом почти в 5 раз.

– Механическая система аэродромной уборочной машины не оказывает существенного влияния на работу системы привода щёточного устройства. Исследования математической модели, составленной с использованием коэффициента приведенной объёмной жёсткости гидравлической системы привода щёточного устройства, позволили осуществить подбор рациональных параметров системы привода, что обеспечило наиболее экономичный режим её функционирования. При этом выявлена целесообразность уменьшения рабочего объёма одного из двух питающих насосов с 250 до 150 кубических сантиметров. Одновременно обнаружена целесообразность применения в системе привода щёточного устройства дроссельной синхронизации параллельно работающих гидравлических моторов. С этой целью, при модернизации, использован дроссельный делитель потока не золотникового типа.

– Проектирование и расчёт рациональных параметров отделителя – выгрузчика кормов на основе учёта коэффициента приведенной объёмной жёсткости его гидравлической системы и с использованием аппарата управления мембранного типа при рациональном выборе параметров приведенной площади переменных гидравлическими сопротивлений типа плоский клапан, позволяет увеличить эффективность его работы и обеспечить стабильное функционирование в условиях переменной плотности массы разделяемых кормов.

В приложения помещены сведения о внедрении результатов исследований, разработанные автором, программы расчёта исследуемых систем приводов различного целевого назначения и некоторые результаты их исследования.

Публикации. В процессе разработки настоящей проблемы по теме диссертации опубликовано 84 научные работы (20 без соавторов). Наиболее значимые из опубликованных работ:

Монографии:

Рыбак А.Т. Научно-методологические основы проектирования приводов технологических машин / И.В. Богуславский, А.Т. Рыбак, В.А. Чернавский. – Ростов-на-Дону: ГОУ ДПО ИУИ АП, 2010. – 276 с.

Рыбак А.Т. Гидромеханические системы. Моделирование и расчёт: монография. / А.Т. Рыбак – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008. – 145 с.

Рыбак А.Т. Моделирование и расчёт гидромеханических систем на стадии проектирования /ДГТУ; А.Т. Рыбак.– Ростов н/Д, 2006.– 167 с.

Статьи в журналах рекомендованных ВАК:

Рыбак А.Т. Совершенствование методики расчёта систем приводов технологического оборудования / А.Т. Рыбак, И.В. Богуславский // Вестник машиностроения. – 2010. – № 10. – С. 39-47

Рыбак А.Т. Совершенствование научно-методологических основ проектирования систем привода технологических машин. / А.Т. Рыбак, И.В. Богуславский // Вестник ДГТУ, 2010. – Т.10. № 2 (45), С. 249 – 257.

Рыбак А.Т. Экспериментальные исследования гидро-механической системы с источником расхода постоянного давления на базе автомата разгрузки с дифференциальным клапаном. / С. А. Затолокин, А.Т. Рыбак // Вестник РГУПС, 2010. – № 1 (37), С. 10 – 13.

Рыбак А.Т. Теоретические исследования гидромеханической системы с источником расхода постоянного давления на базе автомата разгрузки с дифференциальным клапаном. / Затолокин С.А., Рыбак А.Т. // Вестник ДГТУ, 2010. – Т.10. № 1 (44), С. 84 – 90.


загрузка...