CC BY
31
УДК 62-82-112.6
АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ КОМПОНЕНТОВ АГРЕГАТНО-МОДУЛЬНЫХ ГИДРОБЛОКОВ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
В. В. ПИНЧУК, С. Ф. АНДРЕЕВ, Д. Г. ВОРОЧКИН
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
В. К. ШЕЛЕГ
Учреждение образования «Белорусский национальный технический университет», Республика Беларусь
Введение
Наиболее полно современным требованиям развития машиностроения соответствует агрегатно-модульная система построения различных машин и оборудования. Представляется, что переход к агрегатно-модульному конструированию гидроблоков управления гидроприводов технологических машин (ГУ) позволит снизить негативное влияние факторов инвариантности процесса проектирования на выходные показатели создаваемых ГУ (материало- и энергоемкость, затраты и сроки создания). Однако при создании конструкций гидроаппаратов монтажные корпуса во внимание не принимаются, что ухудшает показатели конструкций ГУ в целом.
В связи с вышеизложенным можно утверждать, что оптимизация параметров системы компонентов с учетом монтажных корпусов ГУ позволит уменьшить мате-риало- и энергоемкость ГУ, повысить качество проектов.
Постановка задачи
Установлено [1], [2], что разработка и обоснование параметров присоединительных размеров соединительно-монтажного модуля (СММ) позволяет выполнить проектирование гаммы компонентов агрегатно-модульных ГУ: СММ, замыкающих блоков (БЗ), блоков распределителей (БР) и присоединительных блоков (БП). Для оптимизации параметров СММ получено выражение общего критерия оптимальности [3]:
^^ х + + Иъ + 2Д1 + 4Д2 + 2Дз)2 х (к^(1 + ^г]
+ 2 1о,25^(к2 + + -1) + ^Д + ^Д^ + кА^] - Д,) + Д2 - Д2,) +
+ х (^(1 + 2^5]) + 2йъ + 2Д + 4Д2 + 2Дз) х (^ (1 + Л+ 3Д +
I О/^2 I "ном . О 1т Рном 1\ , ,7 А I I А "ном , К А Рном А \ I А2 А2
+ 2^0,25^(к2 + + -1) + dз(klД + ^ + - Д,) + Д2 - Д2,) +
С Р
+С Х +3А+
+ ^0,25а2(к2 + + -1)+dз(kíА+^+ -Ае) + А2-А2) +
С ¡Р
+ -± Х (ё(1 + 2^25) + 2dз + 2А1 + 4А 2 + 2 А 3), (1)
где С1-С4 - коэффициенты взаимной важности частных критериев; ё и ё3 - диаметры магистральных и коммуникационных каналов СММ, мм; рном - номинальное давление рабочей жидкости в каналах СММ, МПа; [а] и [а1] - допустимые напряжения материала шпилек ГУ и винтов крепления гидроаппаратов - (БП) к СММ, МПа; А -Д3, А^ - конструктивно задаваемые размеры зазоров и размеры стенок [1]-[3], мм. Однако общий критерий оптимальности СММ (1) лишь сужает допустимое множество вариантов проектируемой конструкции соединительно-монтажного модуля, задавая в нем множество компромиссно-оптимальных проектов - область Парето. То есть оптимизировать параметры СММ возможно на основе исследований общего критерия оптимальности СММ Х , используя в качестве варьируемых параметров коэффициенты важности критериев С1-С4 и соотношения диаметров каналов ё/ё3. В свою очередь предполагается, что результаты исследований критерия Х позволят разработать алгоритм проектирования компонентов агрегатно-модульных ГУ для машин с различными условиями эксплуатации [3].
Методы исследований
Для решения поставленной задачи проведем исследование значений Х по формуле (1). В качестве исходных постоянных величин примем следующие значения: ё = 10 мм; А = 2 мм; Д1 = 1 мм; Д2 = 3 мм; Д3 = 3 мм; к = к1 = 1,45; [а] = [а1] = 1 МПа; рном = 1 МПа.
Диаметр магистральных каналов СММ ё = 10 мм принят из ряда величин условных проходов Ду, устанавливаемых ГОСТом [4]. Размеры зазоров и стенок А1-А3, А^ заданы на основе рекомендаций источников [1]-[3]. Коэффициенты к = к1 = 1,45 определены исходя из размеров резиновых уплотнительных колец с диаметром резины ё = 2,5 мм [4]. Величины рном = 1 МПа и [а] = [а1] = 1 МПа в данном случае приняты произвольно, однако для конкретных реальных гидросхем эти величины должны приниматься из перечня рабочих параметров той или иной гидросхемы.
Исходными переменными при расчетах общего критерия оптимальности СММ Х являются следующие величины. Диаметр коммуникационных каналов СММ ё3 зададим в диапазоне от 1 до 20 мм. То есть ё3 = ё\, (I = 1, 2, ..., 20). Ввод коэффициентов С1-С4 осуществим исходя из условия С1 + С2 +С3 +С4 = 1 [1]. Для реализации этого условия введем индексы переменных J = 1, 2, ..., 8 и К = 1, 2, ..., 10. Исследование значений Х на чувствительность к изменению коэффициентов важности критериев будем выполнять для вектора С1 = С2 = 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4; 0,45; 0,5 и соотношений С4/С3 = 1/1,15; 1/2; 1/3; 1/ 4; 1/ 5; 1/ 6; 1/7; 1/8. Такой подбор значений коэффициентов важности критериев С1-С4 будет наиболее полно отражать характеристику ГУ исходя из условий его эксплуатации.
Обозначим отношение С4/С3 = П, тогда коэффициент С3, учитывая ранее принятое условие ввода коэффициентов, можно определить из выражения
С3 = (1 - (С1 +С2))/(1 + П). (2)
Введем обозначения: С1 = С1^; С2 = С2К; П = П .
Зададим векторы коэффициентов С\,С2 и значения В:
С1 := С2 := (0.05 0.\ 0.\5 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5); Б = (1 0.5 0.333 0.25 0.2 0.167 0.143 0.125). Текущие значения коэффициентов С3 и С4 определим из формул:
_ 1 — (С1К + С2 К ) .
С
3 ,, к
1 + Б,
С = ВС
4,, к 3,, К'
Матрицы текущих значений коэффициентов С3 и С4 приведены на рис. 1.
С3 =
С4 =
' 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 01
0.6 0.533 0.467 0.4 0.4 0.333 0.267 0.2 0.133 0
0.675 0.6 0.525 0.45 0.375 0.3 0.225 0.15 0.075 0
0.72 0.64 0.56 0.48 0.4 0.32 0.24 0.16 0.08 0
0.75 0.667 0.583 0.5 0.417 0.333 0.25 0.167 0.083 0
0.771 0.686 0.6 0.514 0.429 0.343 0.257 0.171 0.086 0
0.778 0.7 0.613 0.525 0.438 0.35 0.263 0.175 0.087 0
V 08 0.711 0.622 0.533 0.444 0.356 0.267 0.178 0.089 0,
' 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 01
0.3 0.267 0.233 0.2 0.167 0.133 0.1 0.067 0.033 0
0.225 0.2 0.175 0.15 0.125 0.1 0.075 0.05 0.025 0
0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0
0.15 0.133 0.117 0.1 0.083 0.067 0.05 0.033 0.017 0
0.129 0.114 0.1 0.086 0.071 0.057 0.043 0.029 0.014 0
0.113 0.1 0.088 0.075 0.063 0.05 0.038 0.025 0.013 0
V 01 0.089 0.078 0.067 0.056 0.044 0.033 0.022 0.011 0,
(3)
(4)
Рис. 1. Матрицы текущих значений коэффициентов С3-С4
Полученные результаты, их анализ и обсуждение
В процессе исследований критерия оптимальности Х варьировались параметры: изменение соотношения диаметров каналов ёШ3 и значения принятых переменных С1К, С2К, С3ж, С4ж согласно заданному вектору и матрицам на рис. 1. С целью удобства обработки и анализа полученных результатов расчет функционала (1) выполнялся из условия Х(1, ,, К) = 0,01Х(/, ,, К). Графики вариаций по значениям К для , = 1; 3; 5; 8 приведены на рис. 2. На рис. 3 приведены графики вариаций по значениям , для К = 1; 3; 5; 8.
1=3 Х(1,3,Я
1 ----- ----- _--Х(1,3,7) .■■•Х(1,з',6]_ Х(1,3,5)
— — ----- - " Х(1,3,4)_ --"хп.з'з") "" ха ,з ,2)
ха ,з,1)
0 2 4 6
10 12 14 16 18 20 <¡3,
Рис. 2. Зависимость критерия оптимальности СММ Х от коэффициентов важности критериев С—С4 для индексов переменных 3 = 1; 3; 5; 8 и вариациях индекса К
0,12
0.074
! <(1,8,5) ХС1,7,5 ) К-'
1
1 ¡41,6, / 1 41 Л5) 11 у
Х(1,2 ,1,5)
а 2 А б
0.155
0.141
0.128
0.114
0,1
10 12 14 16 18 2С
К =8
Х(1Д8) / ^1,5,8) \ / Х(1.7.8 4 8)
/ ХО,8,8 -Х(1,2 1,8) ((1,3,8) 8)
О 2 4 ¡5 8 10 12 14 16 18 20 (Вт
Рис. 3. Зависимость критерия оптимальности СММ Х от коэффициентов важности критериев С1-С4 для индексов переменных К = 1; 3; 5; 8 и вариациях индекса 3
Анализ рис. 2 и 3 показывает, что минимальные значения общего критерия оптимальности СММ Х, что соответствует оптимальному техническому решению, имеют зависимость как от соотношения коэффициентов важности параметров С1-С4, так и от размера диаметра й3 коммуникационных каналов СММ, т. е. соотношения диаметров каналов СММй?/й?3, так как величина с1 у нас постоянная, а - переменная.
Значения локального минимума многопараметрической функции Х имеют строгую зависимость между соотношением диаметров каналов и значениями коэффициентов С1-С4. С увеличением индексов переменных К, что соответствует увеличению коэффициентов С1 и С2, т. е. повышению значимости параметров V (объем ГУ) и £ (площадь наружной поверхности ГУ), что наиболее актуально для мобильных машин, значения ХтП увеличиваются, а й3 уменьшается (т. е. отношение увеличивается). Изменение ХтП происходит в диапазоне значений 0,04-0,11 (примерно в 2,5 раза).
С увеличением индексов переменных ,, что соответствует уменьшению соотношения коэффициентов С4/С3, т. е. соотношение гидравлических потерь давления в магистральных и коммуникационных каналах СММ уменьшается. Здесь значения Хшп увеличиваются, а размер ё3, как и в предыдущем случае, уменьшается (т. е. соотношение увеличивается). Изменение Хш;п происходит в диапазоне 0,04-0,07 (примерно в 1,9 раза). Таким образом, на основе исследований критерия оптимальности Х при вариациях индекса , имеется возможность установить оптимальное соотношение диаметров с учетом количества СММ в ГУ.
Вместе с тем, если зафиксировать размер диаметра ё3, то вариации индексов переменных , и К при исследовании критерия оптимальности СММ Х позволяют получить области оптимальных значений коэффициентов важности параметров С1-С4.
Результаты таких исследований приведены на рис. 4.
в)
г)
Рис. 4. Зависимость критерия оптимальности СММ Х от коэффициентов важности критериев С1-С4 при фиксированных значениях диаметра й3 и вариациях индексов переменных , и К: а - й3 = 1 мм; б - й3 = 3 мм; в - й3 = 5 мм; г - й3 = 7 мм
Заключение
Учитывая изложенное, осуществить проектирование СММ, БП, БР, БЗ возможно на основе следующей последовательности действий (алгоритма проектирования системы компонентов агрегатно-модульных ГУ): необходимо задаться соотношением коэффициентов С3/С4 с учетом одновременно работающих согласно принципиальной гидросхеме исполнительных органов привода; задаться величиной коэффициентов важности критериев С1 и С2 исходя из степени важности параметров V и £ СММ по отношению к гидравлическим потерям давления в его горизонтальных и вертикальных каналах; по диаграммам на рис. 4, а-г с учетом заданных соотношений С3/С4 и коэффициентов С1, С2 определить значение С/С3; установить диаметр С3, исходя из требующейся пропускной способности расхода рабочей жидкости через СММ; исходя из размера С3 и соотношения С/С3, используя зависимости размеров СММ, приведенные в источнике [3], выполнить расчеты габаритных и присоединительных размеров СММ; используя полученные размеры СММ, выполнить проектирование гаммы компонентов агрегатно-модульных ГУ. Указанный алгоритм проектирования системы компонентов агрегатно-модульных ГУ был использован при разработке конструкций унифицированных функциональных блоков, внедренных в производство на Гомельском заводе «Гидропривод».
Литература
1. Пинчук, В. В. Проектирование унифицированных функциональных блоков / В. В. Пинчук, Н. В. Кислов // Вес. нац. акад. навук Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. на-вук. - 2001. - № 2. - С. 63-68.
2. Пинчук, В. В. Проектирование компонентов агрегатно-модульных гидроблоков управления гидроприводов технологических машин / В. В. Пинчук, С. Ф. Андреев, А. В. Пархоменко // Вестн. Гомел. гос. техн ун-та им. П. О. Сухого. - 2010. -№ 1 (40). - С. 39-48.
3. Пинчук, В. В. Алгоритм проетирования системы компонентов агрегатно-модульных гидроблоков управления гидроприводов технологических машин / В. В. Пинчук, А. В. Марухленко, Д. Г. Ворочкин // Вестн. Гомел. гос. техн ун-та им. П. О. Сухого. -2013. - № 1 (40). - С. 39-48.
4. Свешников, В. К. Станочные гидроприводы : справочник / В. К. Свешников. -4-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 2004. - 510 с.
5. Пинчук, В. В. Расчет и конструирование агрегатно-модульных гидроблоков управления гидроприводов технологических машин / В. В. Пинчук, В. К. Шелег. - Гомель : ГГТУ им. П. О. Сухого, 2010. - 270 с.
Получено 08.02.2013 г.
