Моделирование процесса диагностики шестеренных насосов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

тельных и дорожных машин. E-mail: info@ si-badi.org

Мукушев Шадат Курмашович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, имеет более 30 опубликованных работ. Основное направление научных исследований - системы гидроприводов строительных и дорожных машин. E-mail: info@ sibadi.org

Угрюмов Игорь Анатольевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, име-

ет 17 опубликованных работ. Основное направление научных исследований - гидравлические ударные механизмы. E-mail: info@ sibadi.org

Леванов Станислав Вадимович - аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов и электротехника» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, имеет 4 опубликованных работы. Основное направление научных исследований - системы гидроприводов строительных и дорожных машин. E-mail: info@ sibadi.org

Статья поступила 07.11.2008 г.

УДК 004.942:621.666.2

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИАГНОСТИКИ ШЕСТЕРЕННЫХ НАСОСОВ

М.Ю. Архипенко, канд. техн. наук, Н.В. Строганова, аспирант Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

Аннотация. Описана методика создания САПР комплексов диагностирования систем гидропривода. Представлено математическое, программное, информационное обеспечение, составляющие базис системы, позволяющей в режиме реального времени моделировать процесс диагностики привода и формировать заключение о состоянии диагностируемой гидросистемы.

Ключевые слова: алгоритм автоматизированного проектирования, система гидропривода, строительные и дорожные машины, моделирование, диагностический комплекс.

Введение

В современных конструкциях строительнодорожных машин (СДМ) управление рабочими органами, смазка коробки переключения передач, рулевое управление осуществляются посредством гидравлического привода.

Как правило, гидросистемы различных типов СДМ рассчитаны под определенный тип исполнительных механизмов, которые должны обеспечить заданные условия работы гидросистемы - скорость перемещения поршня гидроцилиндра и усилия на штоке гидроцилиндра, крутящий момент на валу гидромотора.

Нагнетание рабочей жидкости в гидросистему производят различные по конструкции насосы, одним из которых является шестеренный. Являясь составной и неотъемлемой частью гидравлической системы, насос преобразует механическую энергию двигателя в энергию потока рабочей жидкости. От его исправности зависит работоспособность всей системы привода.

Одним из путей сохранения показателей работоспособности гидроприводных систем яв-

ляется диагностирование. От того, насколько качественно и быстро проведены измерения и получены результаты о техническом состоянии системы и ее элементов, зависит время простоя машины в техническом обслуживании и ремонте, затраты на ремонт, эффективность эксплуатации, коэффициент использования машин.

В настоящее время наряду с повышением надежности систем наблюдается тенденция потери персоналом определенных навыков отыскания, установления причин и устранения неисправностей. Большинство диагностических задач решается человеком - оператором, который по результату сравнения полученных измерений с заданными диапазонами значений контролируемых параметров принимает решение о состоянии объекта или системы, затрачивая на это определенное время.

Автоматизация процесса диагностики привода позволит ускорить ремонт диагностируемых систем, а также сформировать заключение о состоянии диагностируемой гидросистемы за минимально короткое время.

Моделирование процесса диагностики шестеренных насосов

Предлагаемая система автоматизированного проектирования (САПР) диагностических комплексов гидронасосов (ДК ГН) предназначена для моделирования процесса диагностики насосов гидроприводов (ГП) строительных и дорожных машин. Система влияет на всю организацию оценки технического состояния привода и его элементов. Преимущество системы в том, что она позволяет моделировать процесс диагностики (создавать гидросхемы, моделировать элементы, размещать датчики, дополнять библиотеки новыми элементами и схемами) пользователю, не обладающему специальными знаниями в области программирования и моделирования сложных динамических систем. Уравнения состояния, описывающие работу моделей систем, формируются в САПР автоматически, что значительно облегчает и ускоряет работу пользователя.

САПР ДК ГН представляет собой комплекс программных, микропрограммных, аппаратных средств и справочной документации, методическое обеспечение и диагностические инструкции.

Автоматизированное проектирование диагностических комплексов гидронасосов реализовано с помощью комплекса математических моделей, необходимых для исследования поведения объектов.

Современные мощные вычислительные средства позволяют при решении математических моделей учитывать различные факторы, не рассматривавшиеся ранее [1, 2].

В качестве программы моделирования гидросистемы и гидроагрегатов использована система автоматизации математических расчетов Ма^аЬ R2007A.

Допущения, принятые при составлении математической модели:

- скорость вращения шестеренного насоса постоянна;

- объемный модуль упругости, коэффициент вязкости, плотность, теплоемкость рабочей жидкости (РЖ) в период исследуемого процесса постоянны;

- инерционные свойства потока РЖ, в связи с их малостью, не учитываются;

- волновые процессы не учитываются;

- рабочий объем насоса в процессе работы не меняется;

- утечки и перетечки РЖ в насосе отражены эквивалентными дросселями;

- давление на входе равно 0.

Входными параметрами насоса являются

угловая скорость вращения вала насоса ш, расход Q1, температура и давление Р1 рабочей жидкости на входе; выходными - подача насоса Q2, давление Р2 и температура ^ на выходе.

Расчетная и блок - схемы шестеренного насоса представлены на рисунках 1а и 1б.

Шестеренный насос описывается уравнениями расходов с учетом утечек, перетечек и сжимаемости рабочей жидкости, уравнениями давлений РЖ и уравнениями движения насоса, учитывающими уравнения моментов трения на валу гидронасоса.

а б

Рис. 1 .Схема шестеренного насоса: а - расчетная схема, б - блок - схема

Уравнение расходов:

Q2 = Qteor - Qyt - Q per - Qs

(1)

syt К-s per К-s sg

где Q2 - подача насоса, Qteor- расход жидкости на входе насоса, Qyt - расход, идущий на утечки

в насосе, Орег - расход, идущий на перетечки в насосе, 0^- расход, идущий на сжатие жидкости:

Qteor =—■ q,

2п

(2)

где ш - угловая скорость, рад/с; q - рабочий объем насоса, м3;

йг

- (Р2 - Рі ) , (3)

Р

где у1 - коэффициент расхода, - площадь

проходного сечения дросселя;

Орег = А • /2

2 йг

— (Р 2

Р

Рі

) ,

(4)

где у2 - коэффициент расхода, 2г - площадь проходного сечения дросселя;

О

sg

К 2П-(* -Рі>'

(5)

где К¡д - коэффициент сжатия Уравнение движения насоса:

т dm - _ - _

1п '^Т= Меог.п.- МГг, (6)

dt

где 1Л - суммарный момент инерции вращающихся деталей, приведенный к валу насоса, Меог.п- теоретический момент вращения на валу насоса, Н*м; М^ - момент, создаваемый трением вращающихся деталей насоса;

Мteor. п . = АР • Ч ■ (7)

где Др - разность давления в полостях нагнетания насоса и в баке;

Ар = р.

Р і

(8)

М

• й-,

іг. podsh.

іг. podsh. іг .podsh. 2іг.podsh.

2

, (11)

(13)

М = К ■ —

tr.vyaz. tr.vyaz.rs ■

2п

где Кь.чуы, - коэффициент вязкого трения. Мощность насоса на входе:

—

N = Мп • — ■ (14)

2п

где Мп - крутящий момент на валу насоса. Мощность насоса на выходе:

Общий КПД:

N2

N1

(15)

(16)

Объемные потери (на перетекание жидкости через зазоры):

02

ПоЪ. =

02 + 0уі + 0Рег

Потери напора (давления):

Н

П gidг.

(17)

Н + к

(18)

'РОІ

где Н - напор, hpot - гидравлические потери

Н

(19)

Р^ &

где р - плотность РЖ, д - ускорение свободного падения.

Потери на трение в механизме насоса:

Міг. = Міг^к. + Міг^. , (9)

М^.^ - момент сухого трения; М^.^ - момент вязкого трения.

^Міг^ук ^Міг.podsк + ^Міг.та^ + ^Міг.іогауРІоіп (1 0)

где М^.ро^ - момент трения подшипников качения; М^.тапд - момент трения манжеты, ММотс.урЫп. - момент трения торцевых уплотнений.

Момент трения подшипников качения:

N

gidг.

N.

(20)

где Nдidг - мощность гидравлическая

^&^.= & Р & • (Н + Ког) . (21)

Температура на выходе из насоса:

Т2 = Т1 + АТ. (22)

Повышение температуры вследствие объемных и гидромеханических потерь:

где Ъг.р^^. - коэффициент трения подшипника, ^г.росИ^ - радиус трения подшипника, б21г.росИЬ. -средний радиус трения.

Момент трения для манжеты без учета гидромеханических процессов между валом и манжетой:

.тап&. = 2П3т1а • /Г.тап&. • &к > (12)

где 1&к - удельная сила давления кольца на вал.

АТ =АР •

СР

(

і

-- 1

oЪsак. У

(23)

где с - средняя теплоемкость РЖ в диапазоне температур Т1 и Т2.

Выражения (1)...(23) с учетом принятых допущений позволили представить шестеренный насос в виде структурной схемы в среде МаАаЬ Simulink (рисунок 2).

Е

со

0

С1

0

О.

О

СО

О

о

0 со

1

0

1 I 0 о.

0

К

О

0

3

0

X

0

а;

со

1

о.

>.

о.

к

О

сч

6

2

0_

Разработанная с целью диагностики математическая модель шестеренного насоса дает возможность с требуемой точностью оценивать численные значения таких показателей как давление, подача, температура, объемный, общий, гидравлический, механический КПД.

Модель представленного насоса входит в состав базы данных системы.

Разработанная база данных компонентов позволяет использовать типовые элементы для построения моделей динамических систем, что сокращает затраты времени на моделирование.

Информация, заключенная в БД, представляет собой библиотеки различных типов и марок машин, гидросхем, элементов, состав-

ляющих гидросхемы, средств измерения, а так же информацию о нормативных значениях диагностируемых параметров.

Разработанная БД отвечает требованиям простоты, удобства и гибкости при эксплуатации, что дает возможность развития и последующей адаптации системы к изменениям в предметной области и к новым потребностям пользователей.

Система создана в интегрированной среде разработки графического пользовательского интерфейса Matlab Guide, позволяющей создавать Windows-приложения с использованием баз данных на основе объектноориентированного программирования.

Окно моделирования гидросистемы представлено на рисунке 3.

Рис. 3. Окно моделирования гидросистемы

САПР ДК ГН является интерактивной системой, поскольку используемые для ее работы алгоритмы способны динамически (в реальном режиме времени) осуществлять расчеты. Информация о техническом состоянии объекта формируется автоматически по результатам сравнения параметров моделирования и экспериментальных данных.

Заключение

Таким образом, разработанное математическое, программное и информационное обеспечение позволили создать базис системы, обеспечить удобное, информативное представление результатов. САПР ДК ГН,

обеспечивая качество результатов, не требует от пользователя глубоких знаний в области компьютерного моделирования технических систем.

Интерфейс пополнения и редактирования БД делает весьма легким процесс ее поддержания и расширения силами самого пользователя.

Очевидно, что внедрение САПР ДК ГН в практику диагностирования гидроприводов решает проблему обслуживания усложняющихся систем в условиях нехватки квалифицированного персонала.

Библиографический список

1. Жданов, А.В. Обоснование допущений при математическом моделировании объемных гидроприводов с целью выбора методики их диагностирования / А.В. Жданов, В.В., Н.В. Титова // Машины и процессы в строительстве: Сб. науч. тр. №6. -Омск: СибАДИ, 2007. - С. 157-160.

2. Титова, Н.В. Разработка математической модели шестеренного гидронасоса как элемента системы автоматизированного проектирования диагностических комплексов / Н.В. Титова // Сборник научных трудов / Иртышский филиал ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (в г. Омске) - Омск, 2008. -Вып. 6. - С. 160-163.

Modelling of pump diagnostic process

M.Yu. Arhipenko, N.V. Stroganova

The method of system engineering of the automated projecting of complexes of malfunction diagnosing of a hydrodrive systems is described. System making basis is submitted by mathemati-

cal program. The suggested system allows to model the diagnostic process of a drive in the real time and to form the conclusion about hydrosystem by comparison of experimental data with parameters of modelling.

Архипенко Маргарита Юрьевна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Прикладная механика» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии, имеет более 30 опубликованных работ. Основное направление научных исследований - системы автоматизации проектирования технических объектов. E-mail: Arkhipenko_m@ sibadi.org

Строганова Надежда Васильевна - аспирант кафедры ««Прикладная механика» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии, имеет 10 опубликованных работ. Основное направление научных исследований - автоматизация проектирования диагностических комплексов гидросистем дорожных машин. E-mail: nv_titova@ mail.ru

Статья поступила 01.12.2008 г.

УДК 621.87

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

В.Е. Беляков, аспирант Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

Аннотация. В статье рассматривается возможность применения частотного пуска и дроссельного управления асинхронного двигателя в автокранах. Производится моделирование частотного пуска, дроссельного управления в программе МаАаЬ пакета Simulink.

Ключевые слова: электропривод, частотное и дроссельное управление, математическое моделирование систем управления

Введение

Технологические режимы многих производственных механизмов на разных этапах работы требуют движения исполнительного органа с различной скоростью, что обеспечивается путем регулирования скорости электропривода. В большинстве случаев регулирование скорости механизма обеспечивается заданием различной скорости двигателя, поддержанием ее на заданном уровне, изменением во времени по требуемым законам с определенной точностью [5, 6].

Получение низких посадочных скоростей, низких скоростей при выборе канатов, низких скоростей для точной остановки крановых ме-

ханизмов с асинхронными электродвигателями остаётся актуальной задачей.

В настоящее время существует множество электроприводов решающих поставленную задачу. Одним из таких электроприводов является электропривод с торможением противо-включением [4, 5, 7]. Здесь имеет место большая зависимость от выбора начального пускового момента. С одной стороны, желательно уменьшить этот момент с целью снижения толчков момента. С другой стороны, снижение пускового момента может привести к опусканию тяжелых грузов на позициях подъема и возникновение чрезмерных скоростей на позициях спуска.