CC BY
31
УДК 621-22
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГІДРОАГРЕГАТУ ЖИВЛЕННЯ
П.М. Андренко, к.т.н., В.В. Клітной, к.т.н., О.Б. Панамарьова, аспірант, Національний технічний університет «ХІII»
Анотація. Наведено математичну модель гідравлічної системи підйомного механізму стрілового крана, в якій використано гідроагрегат живлення з запобіжним клапаном з гідравлічним вібраційним контуром.
Ключові слова: гідроагрегат живлення, гідравлічний вібраційний контур, підйомний механізм, запобіжний клапан, динамічні характеристики.
Вступ
Використання в гідроагрегатах живлення (ГАЖ) гідравлічних систем (ГС) гідроапаратів (ГА) з гідравлічним вібраційним контуром дозволяє підвищити їх динамічні характеристики та надійність, скоротити енергоспоживання. Динамічні характеристики ГАЖ з такими ГА мало досліджені, що стримує їх широке використання в сучасних гідроагрегатах. Стосовно таких ГАЖ актуальною є задача удосконалення методів математичного моделювання і розрахунку процесів, що протікають в них, та гідроагрегатів, збудованих з їх використанням.
Аналіз публікацій
Проведений нами огляд літературних джерел [1] виявив, що більщість розробників приділяє велику увагу розробці потужних ГАЖ, в яких використовуються звичайні ГА. Розробці малогабаритних ГАЖ з використанням ГА з гідравлічним вібраційним контуром не приділено достатньої уваги.
В [2] зроблена спроба усунути цю прогалину Однак в цій статті досліджуються динамічні характеристики запобіжного клапана (ЗК) з гідравлічним вібраційним контуром, та мало уваги приділено дослідженню характеристик ГАЖ, їх впливу на характеристики ГС. В інших, доступних нам літературних джерелах, виявлено дослідження динамічних характеристик ГА з гідравлічним вібраційним
контуром та їх впливу на характеристики ГС, збудованих з їх використанням. Викладене обумовило мету цієї статті.
Мета та постановка задачі
Метою є дослідження динамічних характеристик ГС підйомного механізму з використанням ГАЖ з гідравлічним вібраційним контуром.
Рішення задачі
Гідравлічна система підйомного механізму (рис. 1) така, як наведено в [3], за виключенням механізму рекуперації енергії, використання якого в ГС не впливає на характеристики ГАЖ. Від насоса (Н) з постійною подачею 2« =соп§1 робоча рідина (РР) через трьохпозиційний гідророзподільник (ГР) з ручним керуванням та зворотний клапан (ЗВК) потрапляє до гідроциліндра (ГЦ). В середньому положенні ГР РР під тиском надходить до запобіжного клапана (ЗК) з гідравлічним вібраційним контуром, через який зливається в бак (Б). При перемиканні ГР і зміщенні його золотника в праве положення, РР під тиском проходить через ГР і ЗВК та потрапляє до ГЦ, що викликає підіймання стріли з навантаженням.
При досяганні ГЦ верхнього положення (підйому вантажу на максимальну висоту) РР через ЗК зливається до Б. При поверненні ГР
Рис. 1. Гідравлічна схема ГС підйомного механізму стрілового крана: Н - насос, ЗК
- запобіжний клапан з гідравлічним вібраційним контуром, ГЦ - гідроциліндр, ГР, ГР1 - гідророзподільники, ГЗ - гід-розамок, РК - редукційний клапан, ЗВК
- зворотний клапан; Б - бак, Ф - фільтр
в середнє положення, до електромагніта ГР1 подається сигнал керування, котрий викликає переміщення золотника ГР1 догори і відкриття ГЗ. При цьому РР з ГЦ через редукційний клапан (РК), гідрозамок (ГЗ) і фільтр (Ф) зливається в бак ( відбувається опускання вантажу). Зауважимо, що величина на яку підіймається чи опускається вантаж залежить від моменту часу, в який відбувається перемикання ГР та ГР1. Ця математична модель була розроблена нами та наведена в [4]. При її розробці були прийняті такі припущення: виконується рівняння нерозривності течії РР; кавітація відсутня; трубопроводи мають великий діаметр і незначну довжину, втрати тиску в них незначні, хвильовими процесами в них нехтуємо; температура і щільність РР -постійні і рівні їхнім середнім значенням за час роботи ГС. Також вважаємо, що РР містить 1,5 % нерозчиненого повітря, який за час роботи ГС не змінюється. Це впливає на модуль об’ємної пружності РР, який з урахуванням газовмісту розраховується згідно з залежністю наведеною в [5]. Математична модель ГС представлена такими рівняннями:
- рівняння руху золотника ЗК з гідравлічним вібраційним контуром
тх„.
= Пп (0 - ^пр s (0 - Р„ пр (0 - (0 - Р, р (0 +
- рівняння руху навантаженого штока гідроциліндра
тщУ = /порА -/штРг -Р^Щ) -
-^тРк sign(y) ~ KvVv - Рнк; (2)
- рівняння нерозривності
Он(0 = Ошв(0 + Озк(0 + Ост(0 + Оуп(0 ; (3)
- рівняння, що описують зміну стану РР
Та - const, р = const.
Рівняння витрати на виході з насоса визначається
(?НГ (0 “ ’Поб&г
(4)
де г|об - об'ємний ККД насоса; (?Нг(0 ~~ геометрична подача шестеренного насоса, що розраховується за залежністю [6]
£?нг (0 = ® Р2 В [0£ссе)2 - ^сс,)2 -
~(Щак -<р(0)2], (5)
де со - кутова швидкість обертання ; ф - кут повороту ведучої шестірні насоса; В - ширина шестерні; р - радіус основної окружності;
гт, , tga,. визначаються за залежностями:
DT ^ V1“ р/гг
Гг=^~; tgae = -------------
2 р/гт
tga* =
^1- 2Pk 2р Is
2
(1)
D - діаметр окружності головок шестерні, 1)І — m(z + 3); S - відстань між центрами шестерень, S = m(z +1), m - модуль шестерні, z - кількість зубців.
До математичної моделі також входять рівняння руху золотників ГР і РК, які аналогічні (1), але в них відсутня сила, під дією якої відбувається осциляція золотника ЗК -Р0Сц (t). Приймаємо, що ГР1 перемикається
по ідеальній релейній характеристиці, а діаметри його прохідних каналів вибрані таким чином, що вони не впливають на характеристики ГС.
2
До рівнянь (1) - (3) входять такі величини і які визначаються за залежностями, наведеними в [4]:
т - маса золотника ЗК та приведена до осі ЗК маса всіх рухомих частин; хзк - прискорення золотника ЗК; Руп (t) - сила керування; ^npsO) - сумарна сила пружин; Ррпр(0 -сила рідинної пружини; Ргд (t) - гідродинамічна сила; Ртр (t) - сила тертя; Рдем (t) -сила демфірування; тгц - маса поршня ГЦ та приведена до осі ГЦ маса всіх рухомих частин; у, у - прискорення та швидкість поршня ГЦ; /пор /шт - площі поршня ГЦ зі сторони поршневої та штокової порожнин; А, Аг - тиск у поршневій і штоковій порожнинах; P P - сили тертя спокою та динамічна складова сили тертя; k^,v - коефіцієнт кінематичного тертя; Рнк - сила, що прикладена до штоку ГЦ; QH - витрати на виході з насоса; 2нав (t) - витрата навантаження; Qзк (t) - витрата через ЗК; Q^ (t) -витрата стиску; Q (t) - витрата керування. Температуру - Та і густину - р РР приймали рівними їх середнім значенням.
Аналіз цих характеристик проводили за графіками перехідних процесів переміщення та швидкості штоку ГЦ, зміни тиску в ГС, витрати через ЗК з гідравлічним вібраційним контуром, отриманих на персональному комп’ютері за допомогою пакета прикладних програм.
Частота пульсацій тиску на виході з насоса моделювалася у відповідності з його рівнянням витрат, наведеним в [4], які внаслідок опору ГС трансформуються в пульсації тиску (рис. 2).
Вважали, що частота осциляції золотника ЗК дорівнює частоті пульсації тиску на виході з насоса. Досліджували вплив використання в розробленій ГАЖ з ЗК з гідравлічним вібраційним контуром. Моделювали перехідні процеси в ГС з ЗК з гідравлічним вібраційним контуром та без нього.
Рис. 2. Пульсації витрат на виході з шестеренного насоса НШК-10
Для оцінки близькості перехідних процесів використовували відносну інтегральну оцінку [2]
^¡о |а(»-аотИ100% (5)
де Ql(t), Q2(t) - витрати через ЗК з гідравлічним вібраційним контуром і без нього; tp
- час перехідного процесу.
Параметри ЗК з гідравлічним вібраційним контуром попередньо були вибрані за методикою, яка наведена в [7]. Результати розрахунку наведено на рис. 3.
Як видно з рис. 3, а, б, використання гідравлічного вібраційного контура дозволяє підвищити чутливість клапана до зміни тиску в ГС. При цьому відносна інтегральна оцінка для зміни витрати через клапан становить J0 = 24,147, а для зміни тиску в ГС -
JЛP =36,273.
д^сис ’
Таким чином можна зробити висновок, що використання розробленого ГАЖ з ЗК з гідравлічним вібраційним контуром є доцільним. Особливо це стосується систем, в яких необхідно підтримувати постійний тиск. Аналіз швидкості та прискорення (рис. 3, в, г) показав, що використання ЗК з гідравлічним вібраційним контуром дозволяє отримати більш високі показники в порівнянні з використанням звичайного ГАЖ, а також необхідність використання спеціального ГЦ, який би забезпечив більш плавну зміну швидкості та прискорення виконавчого механізму ГС підйому стрілового крана. Приклад такого ГЦ наведено в [8].
0.6 Ш В 2.4 І ЬЙ ® 11 1.8 2.4 1 И
в г
Рис. 3. Перехідні процеси в ГАЖ: а - швидкість переміщення штока ГЦ; б - прискорення переміщення штока ГЦ; в - тиск в ГС; г - витрата через ЗК; 1 - з гідравлічним вібраційним контуром, 2 - без гідравлічного вібраційного контура
Висновок
Моделюванням перехідних процесів в ГС підйомного механізму стрілового крана доведено, що використання розробленого ГАЖ з ЗК з гідравлічним вібраційним контуром дозволяє забезпечити більш високу точність підтримання тиску в ГС, тобто він має вищу ефективність.
Література
1. Андренко П.Н., Клітной В.В., Панамарьова
О.Б. Вибір перспективного схемного рішення гідроагрегату живлення // Вестник НТУ «ХПИ». - Харьков: НТУ «ХПИ». -2006. - № 27. - С. 122 - 128.
2. Лур’є З.Я., Андренко П.Н. Обґрунтування
правомірності дослідження характеристик гідроапаратів з гідравлічним вібраційним контуром по їх лінеарізованим математичним моделям // Східно-Європейський журнал передових технологій. - Харків. -2006. - №6/3(24). - С. 15 - 19.
3. Ремарчук М.П. Енергозбереження в систе-
мах управління робочим обладнанням підйомно-транспортних і дорожніх машин // Промислова гідравліка і пневматика. -Вінниця. - 2004. - №2(4). - С. 7 - 12.
4. Андренко П.М., Клітной В.В., Панамарьова
О. Б. Математична модель малогабаритного гідроагрегата живлення // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - Луганськ: СНУ ім. В. Даля, 2007. - №3(109), Ч. 2- С. 13 - 17.
5. Прокофьев В.Н., Лузанова И.А. Определе-
ние критерия упругости гидропривода // Известия вузов. Машиностроение. - 1966. -№7.
6. Башта Т.М., Зайченко И.З., Ермаков В.В.
Хаймович Е.М. Объемные гидравлические приводы. - М.: Машиностроение, 1968. - 628 с.
7. Андренко П. М. Дослідження динамічних
характеристик гідроапаратів з гідравлічним вібраційним контуром // СхідноЄвропейський журнал передових технологій. - Харків, 2006. - № 1/2 (19). - С. 67 - 74.
8. Дусанюк В.А., Иванов Н.И. Автоматическое
управление режимом работы гидропривода грузоподъемных устройств // Гидропривод и гидропневмоавтоматика. - К.: Техника. - 1976. - №12. - С. 58 - 64.
Рецензент: В.В. Нічке, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 16 травня 2007 р.
