Численное моделирование потоков в струйно-золотниковом гидроусилителе Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Уфа: УГАТУ, 2008

'Вестник уГА(Ту

Т. 11, №2(29). С. 55-60

МАШИНОСТРОЕНИЕ • ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ, ГИДРОПНЕВМОАГРЕГАТЫ

УДК 629.062-82

К. А. ШИРОКОВА, В.А.ЦЕЛИЩЕВ, Д.В.ЦЕЛИЩЕВ, Ш.Р.ГАЛЛЯМОВ

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКОВ В СТРУЙНО-ЗОЛОТНИКОВОМ ГИДРОУСИЛИТЕЛЕ

Рассмотрены вопросы численного моделирования струйно-золотникового гидроусилителя. Представлены принципиальная схема гидропривода со струйнозолотниковым гидроусилителем, результаты расчетов в пакетах вычислительной гидродинамики ANSYS СБХ и СОЗМОЗПошШогкз, а также математическая модель гидроусилителя. Гидроусилитель; математическая модель; численное моделирование; струйныйкаскад; золотниковыйкаскад

Усложнение и расширение функциональных возможностей исполнительных приводов для новых перспективных образцов изделий авиационной и ракетной техники приводит к необходимости поиска и разработки новых схемных и конструктивных решений электрогидроусилителей (ЭГУ), характеристики которых в большей степени определяют характеристики всего гидропривода. Высокие требования к надежности и быстродействию гидропривода, требования к массогабаритным характеристикам, таким образом, полностью переносятся на ЭГУ.

Существует большое количество конструктивных схем гидроусилителей (ГУ) со следующими типами регулируемых дросселей: струйные, «сопло-заслонка» и золотниковые [5]. Поскольку высокую мощность гидроусилителя возможно обеспечить при использовании двух- и более каскадных схем гидроусилителей, то обычно применяют в качестве первого каскада управления — ГУ типа «сопло-заслонка», а в качестве второго каскада управления — золотниковый ГУ.

Нестабильность характеристик и низкий КПД ГУ типа «сопло-заслонка» ограничивают применение таких схем гидроусилителей в ракетной и авиационной технике, поэтому актуальными становятся вопросы, связанные с отработкой новых схемных конструктивных решений со струйной трубкой и золотниковым ГУ во втором каскаде. Внешний вид струйно-золотникового гидроусилителя представлен на рис. 1.

Принципиальная схема гидропривода со струйно-золотниковым гидроусилителем представлена на рис. 2. Электрический сигнал от пульта дистанционного управления, пре-

образованный и усиленный в промежуточных устройствах автоматики, поступает в электромеханический преобразователь (ЭМП). Поляризованное реле ЭМП поворачивает струйную трубку, при этом сопло струйной трубки сообщается с приемными окнами гидрораспределителя. Давление, создаваемое напором жидкости в приемных полостях приемной платы, воздействует на торцы подпружиненного золотника и смещает его. Золотник, являясь вторым каскадом усиления, соединяет полости исполнительного элемента с напорной либо сливной магистралями гидросистемы [2].

Рис.1. Внешний вид струйно-золотникового гидроусилителя

Для определения параметров характеристик ЭГУ, характеризующих его работу на переходных режимах, необходимо разработать математическую модель. Численное исследование направлено на оптимизацию процессов проектирования усилителей, что позво-

Контактная информация: (347)273-09-44

лит снизить финансовые и временные затраты.

Рис. 2. Принципиальная схема

струйно-золотникового гидропривода

Одним из наиболее важных аспектов при проектировании и моделировании гидроусилителей является проблема адекватности математической модели реальному объекту. Подобие процесса, протекающего в модели гидроусилителя, реальному процессу является условием адекватного функционирования модели, и поэтому необходимо исследовать переходные процессы исследуемого объекта и сделать выводы о точности, устойчивости и управляемости всей системы в целом.

Поскольку в процессе численного моделирования необходимо обеспечить адекватность математической модели реальному объекту, линейные модели не рассматриваются, так как они не дают полноценного представления о работе системы при скоростях и усилиях близких к критическим (максимальным). Переход к изучению нелинейных систем сопровождается усложнением математического аппарата, так как анализ и расчет таких систем приходится вести по нелинейным дифференциальным уравнениям, в связи с этим для расчета таких моделей необходимо использование современной вычислительной техники и пакетов прикладных программ для численного моделирования [1].

Математическая модель исследуемого объекта будет выглядеть следующим образом.

Уравнение моментов, действующих на якорь ЭМП, определяется формулой [3]:

//“ / у

/— = К

ГЙ2 "

а - к„

1.0

сіа

ьш

(~ п О! ,

(1)

где

,1 — момент инерции якоря ЭМП; а — угол поворота якоря ЭМП;

Кп

- коэффициент, характеризующий моментную характеристику;

— коэффициент, характеризующий жесткость пружины;

— коэффициент вязкого трения;

Сп — жесткость внешней пружины. Уравнение электрической цепи ЭМП [3]:

л т- т^'а

и = Ы + Ь—

аі

сіа

Кпе~лі

(2)

где

Ом;

и = ки(ие - косф)),

и — напряжение на обмотке ЭМП, В;

Ки — коэффициент усиления; ие — сигнал рассогласования, В;

Кос — коэффициент обратной связи;

Кпе — коэффициент противо-ЭДС;

Д — сопротивление обмотки управления,

— индуктивность обмотки управления,

Гн.

При конструировании сложных технических объектов, систем управления летательных аппаратов специального назначения широкое применение получили современные пакеты прикладных программ для расчета гидрогазодинамических потоков. Пакеты прикладных программ COSMOSFlowWorks и ANSYS СБХ позволяют моделировать течения жидкости при ламинарных, турбулентных и переходных режимах течения в сложных технических объектах, таких как струйно-золотниковый гидроусилитель (СЗГУ) рулевой машины летательного аппарата специального назначения.

Построенные 3-Э модели СЗГУ позволяют подобрать оптимальные геометрические параметры проточной части гидроусилителя и, в конечном счете, получить характеристики усилителя, отвечающие требованиям по точности, управляемости и устойчивости. Твердотельная модель гидроусилителя, созданная в пакете SolidWorks, представлена на рис. 3,4.

Для анализа струйного каскада СЗЭГУ модель рассчитывается в пакете Cosmos-FloWorks. Результаты расчета представлены на рис. 5,6,7,8. Кинетическая энергия струи

из струйной трубки преобразуется в потенциальную энергию давления жидкости в приемных каналах приемной платы.

Рис. 3. 3-0 модель струйного гидроусилителя

Рис. 4. Основные части струйно-золотникового гидроусилителя

Рис. 5. Течение жидкости в струйном каскаде

Рис. 6. Распределение скоростей движения жидкости в проточной части струйного гидрораспределителя при нейтральном положении струйной трубки

Рис. 7. Распределение скоростей движения жидкости в проточной части струйного гидрораспределителя при отклонении струйной трубки на максимальный угол

Рис. 8. Векторы скоростей движения жидкости в проточной части СЗГУ

Анализ картины течения жидкости в струйном гидрораспределителе позволяет наглядно увидеть процессы и явления, протекающие в проточной части струйного каскада СЗГРМ [5]. Объем полости струйной камеры между срезами питающего сопла и приемного канала намного меньше суммарного объема жидкости в полостях гидропривода. Влияние локальных изменений скорости на участке между срезами сопла и канала также незначительно. В связи с этим при анализе динамических свойств струйно-золотникового гидроусилителя можно пренебречь сжатием и инерционностью жидкости на участке между срезами питающего сопла и приемного канала.

Процесс истечения жидкости под действием давления в золотниковом гидрораспределителе (ЗГР) имеет специфические особенности (рис. 9) [4]. В первой фазе течения жидкости под действием перепада давлений происходит стеснение потока жидкости и преобразование его потенциальной энергии в кинетическую.

Рис. 9. Картина течения

в золотниковом каскаде

жидкости

Из-за различного распределения давлений по поверхностям буртов к золотнику будет приложена гидродинамическая сила, направленная противоположно направлению течения среды. Когда кромка золотника полностью закрывает окно, движение среды между буртами отсутствует и действующие на бурты гидростатические силы взаимно уравновешиваются.

Рис. 10. Течение жидкости в окне золотниковой гильзы

Во второй фазе, после срыва потока с острых кромок рабочего окна, течение жидкости сопровождается эффектом сжатия струи. Скорость потока и его кинетическая энергия достигают своих максимальных значений. После этого происходит внезапное и свободное расширение потока в затопленной среде, которое сопровождается интенсивным вихре-образованием в зоне отрывного течения.

Золотники направляющих и регулирующих аппаратов имеют на своих буртах одну, две или четыре кромки, в окрестностях которых происходит течение рабочей среды, поступающей из одного канала в другой. При движении жидкости на золотники действуют также гидродинамические силы.

Для расчета гидродинамических сил Ст, действующих на золотник, используется пакет вычислительной гидродинамики ANSYS CFX.

Рассмотрим течение среды при соединении двух каналов посредством окна, открываемого одной кромкой золотника (рис. 10) [4]. Вследствие повышенной скорости течения вблизи окна давление в этом месте, согласно уравнению Бернулли, снижается. По мере удаления от окна скорость течения среды уменьшается, а давление соответственно возрастает. В результате распределение давления по поверхности правого бурта будет неравномерным. Около левого бурта в среде образуется застойная область, в которой давление на поверхности бурта золотника распределено практически равномерно (рис. 11).

Рис.11. Распределение давлений по буртам золотника относительно оси золотника

Условие баланса расходов в струйно-золотниковом гидрораспределителе — это равенство расходов на выходе из струйного гидрораспределителя и расхода в золотниковом гидрораспределителе, оно запишется в виде [3]:

л <1хзол ( Н о + Ау \ ёР(1

(ІІ

Е

<іі

(3)

г < г,7

5 ^шах

> г >

где Е — модуль упругости жидкости определяется формулой:

Е

1 +

УуРо

Рн

А. л. Аім Ео

(4)

р2

где Ео — модуль объемной упругости при атмосферном давлении;

Ро — величина атмосферного давления.

Тогда для ЗГР уравнение сил и баланса расходов будет выглядеть следующим образом [3]:

Мхі(ІІ-уг »ч(0) = А[юлРсІ,х[юл(і) -

Ье ( ^х-юл(і) ) С'хХ[Ю І(і) Сгд.'Е:іол(і) .

(5)

л сіу 1 (]¥0 + Ау \ с1Рсі

Е

(И,

^ /2(Рр^Рс) (6)

= ИхХзол (Фоку----~------, (6)

где Мх — приведенные к оси штока массы нагрузки, жидкости и др.; А,ол — эффективная площадь гидродвигателя; Ье — сила вязкого трения; Ь0£ — ширина окна золотника; С^, Ст — величина жесткости пружины золотника и гидродинамическая сила; _Ртрх — сила сухого трения.

Уравнение движения нагрузки [3]:

, ГІЇ2У А ^

«у = Ар“

І?

С„у-Ь^-1') м

Еіг , (7)

где М — приведенные к оси штока массы нагрузки, жидкости и др.;

А — эффективная площадь гидродвигателя;

К — усилие на штоке гидроцилиндра;

Ь — сила вязкого трения;

Сп — величина позиционной нагрузки;

— сила сухого трения.

Таким образом, результаты расчетов течения жидкости в проточной части струйно-золотникового гидроусилителя позволяют оценить характер гидродинамических процессов, протекающих в проточной части гидроусилителя, а также выбрать оптимальные геометрические параметры приемной платы струйного каскада и золотникового каскада СЗГУ. Полученные результаты могут быть использованы при разработке математических моделей струйных гидравлических рулевых машин адекватных реальному объекту.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гамынин, Н. С. Динамика быстродействующего гидравлического привода / Н. С. Гамынин, Ю. К. Жданов [и др.]. М.: Машиностроение, 1979. 80 с.

2. Широкова, К. А. Методика идентификации струйно-золотниковой гидравлической рулевой машины / А. В. Месропян, К. А. Широкова, В. А. Целишев//ВестникУГАТУ. 2007. Т. 9, № 6(24). С. 44-55.

3. Месропян, А. В. Численное моделирование характеристик струйно-золотниковых гидроусилителей / А. В. Месропян, К. А. Широкова // Гидропневмоавтоматика и гидропривод: сб. науч. тр. Т1. Ковров : КГТА, 2006.326 с.

4. Попов, Д. Н. Механика гидро- и пневмоприводов / Д. Н. Попов. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. 320 с.

5. Целищев, В. А. Струйные гидравлические рулевые машины (теоретические основы рабочих процессов) / Ю. К. Кириллов, А. М. Русак, Ю. Н. Скорынин [и др.]. Уфа : УГАТУ, 2002. 284с.

ОБ АВТОРАХ

Широкова Ксения Александровна, асп. каф. прикл. гидромеханики. Дипл. бакалавр (УГАТУ, 2004) и магистр (там же, 2006) по энергомашиностроению. Готовит дис. в обл. систем автоматики двиг. установок.

Целищев Владимир Александрович, проф. той же каф. Дипл. инж.-мех. по гидравл. машинам (УГАТУ, 1982). Д-р техн. наук по тепловым двигателям (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. систем автоматики ЛА и двигательных установок.

Целищев Дмитрий Владимирович, асп. каф. авиац. теплотехники и теплоэнергетики. Дипл. бакалавр по энергома-шиност. (УГАТУ, 2004), магистр по энергомашиностроению (УГАТУ, 2006). Иссл. в обл. систем управления лета-тельн. аппаратами, моделирования струйн. электрогидрав-лич. рулевых приводов систем управления летательн. аппаратами спец. назначения.

Галлямов Шамиль Рашитович, асп. той же каф. Дипл. магистр по энергомашиностроению (УГАТУ, 2006). Готовит дис. в обл. систем автоматики двигательных установок.

Уфа: УГАТУ, 2008

Вестник уГА(Ту

Т.11, №2(29). С.60-65

МАШИНОСТРОЕНИЕ • ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ, ГИДРОПНЕВМОАГРЕГАТЫ

УДК 629.73-82

А. В. МЕСРОПЯН

ОСОБЕННОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВЫСОКОНАПОРНЫХ СТРУЙНЫХ ГИДРОУСИЛИТЕЛЯХ

Рассматриваются особенности протекания гидродинамических процессов в проточной части струйных гидроусилителей, входящих в состав исполнительных механизмов органов управления летательных аппаратов. Показано влияние на изменение площадей нагнетания и слива в струйной камере гидроусилителя геометрических параметров гидрораспределителя «струйная трубка-приемная плата» и наличия взаимодействующих прямых и обратных потоков. Гидроусилитель; гидродинамические процессы; струйная камера; струйная

трубка

Создание высокоточных систем управления летательными аппаратами сопровождается широким применением в их составе исполнительных гидроприводов с высоконапорными струйными гидроусилителями.

Точность прогнозирования и расчета параметров и характеристик исполнительных гидроприводов в настоящее время определяется, главным образом, обоснованностью конструкторских решений и методами расчета. Это обуславливает необходимость дальнейшего развития и проработки различных аспектов проблем проектирования и доводки быстродействующих гидроприводов.

Накопленный опыт проектирования быстродействующих гидроприводов со струйными гидроусилителями (СГУ) показывает [1, 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7], что распространение высоконапорной компактной струи в СГУ сопровождается одновременным протеканием сложных и неоднозначных физических и гидродинамических процессов и явлений в струйной камере гидрораспределителя, что, в совокупности с миниатюрными размерами проточной части гидрораспределителя и сложностью микрорегулировки струйной трубки относительно нейтрального положения, определяет актуальность проработки вопросов расчета геометрических параметров СГУ. На рис. 1 показана проточная часть серийно выпускаемого гидроусилителя, применяемого в системах управления летательных аппаратов.

Рис. 1. Проточная часть струйного гидроусилителя

На рис. 2 представлена расчетная схема струйного гидроусилителя.

Контактная информация: (347)273-06-35

Рис. 2. Расчетная схема СГУ