Модернизация регулятора насоса НК20 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

138

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

УДК. 621.225

Э. А. Пиль, А. Ю. Грушко

МОДЕРНИЗАЦИЯ РЕГУЛЯТОРА НАСОСА НК20

Разработка математической модели регулятора насоса вызвана необходимостью учета люфтов в конструкции регулятора и более детального исследования сил трения. Это нужно для оптимизации конструкции регулятора и объяснения ряда явлений, наблюдаемых при испытаниях аналогичных регуляторов на технологическом стенде.

гидромотор, автоматическое управление, регулятор, математическая модель.

Введение

Одним из важнейших требований, предъявляемых к современным судовым гидравлическим машинам, является управление. Это продиктовано постоянно усложняющимися и совершенствующимися механизмами, работающими на борту судна. Ввиду сложности управления такими устройствами многие агрегаты, входящие в их состав, переводят на автоматическое управление, что возможно сделать только при введении в систему управления машиной электрической ступени.

1 Модернизация конструкции гидромотора

В связи с этим из базовой математической модели насоса НК20, разработанной ранее, исключено описание силовой части насоса, а основное внимание уделено рассмотрению влияния технологических факторов на работу регулятора.

Актуальность этой задачи справедлива также для насосов типа НК, так как насосы этого типа используются в большинстве судовых устройств с гидравлическим приводом. Но серийная его модификация имеет гидравлическое управление, а моноблочная конструкция не допускает подключения каких-либо сторонних устройств.

Поэтому модернизация продиктована в первую очередь поиском упрощенных конструктивных решений, направленных на внедрение в конструкцию насоса устройств управления, отвечающих современным требованиям.

Основными недостатками серийного насоса НК20 являются:

•отсутствие исполнения насоса с электрогидравлическим управлением;

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительств®

•существующая конструкция золотника системы управления -моноблочного исполнения, что исключает возможность использования дешевых материалов при его изготовлении;

•случаи выхода из строя подшипников люльки насоса, обусловленные режимами работы насоса.

В конструкцию модернизированного насоса НК20Э были внесены следующие изменения ряда устройств и механизмов:

•изменение гидравлической схемы управления (рисунок); •введение в состав насоса клапана электрогидравлического (далее КЭГ), разработанного на базе пропорциональных серийных магнитов и конусных клапанов. Клапан имеет, помимо электрического, ручное управление.

Принципиальная гидравлическая схема модернизированного насоса

Кроме того, анализ существующей конструкции регулятора насоса выявил следующие недостатки:

наличие пар трения по большим поверхностям;

наличие зазора в серьге между тягой пружины регулятора и золотником управляющим.

С учутом изложенного конструкция регулятора была изменена путем доработки корпуса с заменой части деталей пружинного блока обратной связи. Предохранительный клапан, обеспечивающий необходимое давление подачи от вспомогательного насоса в системе управления, выполнен в стыковом исполнении, что позволяет для изготовления корпуса золотника управляющего использовать более дешевые материалы.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

140

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

При помощи клапана предохранительного и прибора КЭГ управление модернизированным насосом осуществляется не постоянным, а переменным давлением рабочей жидкости. Они обеспечивают давление в системе управления при среднем положении люльки и повышение давления рабочей жидкости до номинальной величины, необходимой для поворота люльки насоса на угол, обеспечивающий требуемую скорость. Для этого в полость пружины клапана предохранительного подведено давление рабочей жидкости от каналов прибора КЭГ через челночный клапан.

Номинальное давление управления создается регулировкой пружины клапана при помощи винта. Изменение давления в системе управления насосом осуществляется при подаче управляющего сигнала прибором КЭГ -давление рабочей жидкости повышается и через челночный клапан поступает в полость пружины клапана предохранительного, перемещая его и повышая давление рабочей жидкости в системе управления за счет уменьшения дроссельной щели на клапане. Одновременно челночный клапан отсекает другой соединенный со сливом канал прибора управления от предохранительного клапана.

1.1 Принятые допущения и комментарии

1. Математическая модель составлена для регулятора с управлением по давлению, по упрощённой гидравлической схеме регулятора насоса. Принято, что насос подаёт жидкость в гидроцилиндр, нагруженный постоянной силой. Также принято, что регулятор работает с линейным законом изменения давления на входе в камеру золотника.

2. Начальные условия записаны для варианта установившегося режима работы насоса в безрасходном режиме работы, т. е. до начала процесса регулирования подача насоса равна внутренним утечкам насоса.

3. При составлении модели также было принято:

•регулирование подачи насоса нереверсивное;

•влияние ограничителя мощности на работу регулятора насоса отсутствует;

•утечки в полостях регулятора и золотника отсутствуют;

•модуль упругости и вязкость жидкости постоянны;

•коэффициенты расхода щелей золотника и дросселей постоянны;

•площади щелей золотника определены по упрощённым зависимостям;

•трение в узлах регулятора учтено только для наибольших со -ставляющих сил трения;

•коэффициенты трения постоянны;

•функционирование клапана регулятора насоса описано в виде ограничения по упрощённым зависимостям;

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительства

•момент возврата люльки принят постоянным и определён по упрощённой формуле.

В процессе разработки модели влияние некоторых из приведенных выше допущений на физическую картину процесса было сведено к минимуму благодаря учёту других факторов. Так, введение отрицательного перекрытия по золотнику регулятора позволило имитировать утечки из полостей золотника во время их наибольшего влияния на величины давлений в полостях регулятора, а уменьшение коэффициентов расходов для малых щелей, отмечаемое многими авторами, учтено косвенным образом, путем выбора закона изменения площади щелей золотника.

1.2 Используемые условные обозначения

Ср - жесткость пружины регулятора; сз - жесткость пружины золотника;

/бпз - площадь боковой поверхности вязкого трения золотника; fp - эффективная площадь поршня регулятора; f3 - площадь торца золотника;

fnH - площадь поверхности трения поршней насоса; fp - площадь вязкого трения регулятора; g - ускорение силы тяжести; т - коэффициент расхода дросселя;

Шр - масса подвижных частей регулятора;

т3 - масса золотника с подвижными частями;

тж - коэффициент динамической вязкости рабочей жидкости;

n - показатель степени в формуле для пропускной способности окон

золотника вида mk\{Y;

J- момент инерции люльки и присоединяемых деталей;

Збц - момент инерции блока цилиндров с поршнями и штоками;

Кд\, Кд2 - коэффициенты деформационного расхода; ктр - коэффициент трения поршня и штоков регулятора;

Ly - установочное сжатие пружины;

Lop - расстояние между опорами штока поршня регулятора;

L - плечо приложения усилия регулятора к люльке;

Lp - плечо опрокидывающего момента на регуляторе;

Р\, Р2 - давления в полостях регулятора;

Рв - давление насоса на выходе;

Ру - давление управления;

DP3 - перепад давления на кромке золотника;

DPp - разность давлений между полостями регулятора;

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

142

Транспортное, промышленное и гражданское строительство

Dpn - диаметр расположения поршней;

DPy - перепад давления управления на торцах золотника;

Sp - радиальный посадочный зазор между трущимися поверхностями регулятора;

Sn - радиальный зазор по поршню;

S3 - зазор между поясками и втулкой золотника;

X - перемещение поршня регулятора;

Xмах - максимальное смещение поршня регулятора;

Y- перемещение управляющего золотника; w - угловая скорость вращения блока цилиндров.

2 Основные уравнения

2.1 Уравнение равновесия люльки

k1DPp - к2Рв - k3X- к4 - k5 dX/dt2 - k6dX/dt - sign(dX/dt)k7DPp -

k8dX/dt = 0,

где kl fpL; k2 d3/3; k3 CpL; k4 LCpLy; k5 Jkx + mpL(kx gmp/( 180Хмах);

k6 ^{fp/Sp + fmDpn/SnnL')L; k7 2fpLpkmpL/Lop; k8 dбцwkх.

2.2 Уравнение равновесия золотника

DPf - k9 - cpX- cpY- k10Y- m3d2Y/dt1 - k11dY/dt = 0,

где k9 CpLy; k10 2сз; k11 fбmmж/S3.

2.3 Уравнения давлений в полостях регулятора

Вариант А: Y> 0, dX/dt > 0.

Вариант В: Y > 0, dX/dt < 0.

Вариант С: Y < 0, dX/dt > 0.

Вариант D: Y < 0, dX/dt < 0.

При Y > 0 для вариантов А и В

fpdX/dt + kd1dP1dt + sign(P1 - Py)Yn + kQ(nP1 - Pyn)0,5 = 0;

- fpdX/dt - kd2dP2/dt - YakQ(nP2 - DPKn)0,5 = 0, где kQ = mkn(2g/g)0,5.

ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС

2008/4

Транспортное, промышленное и гражданское строительств

При Y < 0 для вариантов С и D

fpdX/dt + kd\dP\ldt + YakQ(nP\ - Руп )0,5 = 0; fpdX/dt - kdidP2ldt - sign(nP2 - Pyn)Y - kQ(nP2 - Pyn)0,5 = 0. Перепад давления на регуляторе: DPp = P\ - P2

2.4 Уравнения для определения перепада на золотнике регулятора

После преобразования получим следующие уравнения для управляющих камер золотника:

-fdY/dt - kdydPy\ldt + sign(Py - Pyi)kdp(nPy, - Pyln)0,5 - kyiPy10,5 = 0; f3dYldt - kdydPyddt + sign(Py - Py2)kдр(пPy - Py2п)0,5 - ky2Py20,5 = 0. Перепад давления на золотнике регулятора: DPy = Pyi - Py2.

2.5 Определение коэффициентов проводимости дросселей управления

kyi = kdp((Py - Pyic)lPyic)0,5; ky2 = kdp((Py - Py2c)lPy2c)0,5. Заключение

Предложенный путь модернизации насоса НК20 обеспечивает соответствие всем требованиям, предъявляемым к судовым гидравлическим машинам, позволяет повысить надежность насосов, обеспечивает расширение области их применения, упрощает адаптацию насосов к различным условиям эксплуатации, а также является основой для работ по дальнейшему совершенствованию электрогидравлических систем управления насосами.

Для расчета основных параметров гидромотора были разработаны следующие компьютерные программы: выбор гидромотора, подача, расход, рабочий объем, рабочее давление, зазоры и т. д., что позволяет быстро и на высоком уровне произвести требуемые расчеты по конкретным требуемым параметрам.

Статья поступила в редакцию 14.03.2008;

представлена к публикации членом редколлегии И. А. Ивановым.

ISSN i8i5-588 X. Известия ПГУПС

2008l4