Научная статья на тему 'Проблемы и методы совершенствования систем гидравлических приводов, работающих в тяжёлых эксплуатационных условиях'

Проблемы и методы совершенствования систем гидравлических приводов, работающих в тяжёлых эксплуатационных условиях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
431
40
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ / PROBLEMS AND METHODS OF PERFECTION OF SYSTEMS OF HYDRAULIC DRIVE GEARS / ТЯЖЁЛЫЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ / КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / COMPUTER MODELING / ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ / POWER SAVING UP HYDRAULIC SYSTEMS / OPERATION SEVERE CONDITIONS

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Озерский Анатолий Иванович

Рассматриваются проблемы, связанные с долговечностью и экономичностью систем гидравлических приводов (СГП), работающих в тяжёлых условиях эксплуатации. Выделяются направления их совершенствования. Показывается, что для решения указанной проблемы необходим комплексный подход, основанный на создании новых и совершенствовании известных теорий и методов, обеспечивающих развитие фундаментальных положений науки применительно к исследованию сложных процессов, сопровождающих работу СГП в тяжёлых условиях. Необходимы более совершенные обобщённые модели СГП, а именно, их технические, физические, математические и компьютерные модели, объединённые с одноимёнными моделями тепловых и электрических источников энергии, а также с моделями потребителей энергии. Обобщённая модель СГП должна быть моделью единой теплоэлектрогидромеханической системы. Приводятся результаты компьютерного исследования динамических режимов работы энергосберегающих СГП.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Озерский Анатолий Иванович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PROBLEMS AND METHODS OF PERFECTION OF SYSTEMS OF THE HYDRAULIC DRIVES WORKING IN HEAVY OPERATIONAL CONDITIONS

The problems linked with longevity and profitability of systems of hydraulic drive systems (HDS), working under trying conditions maintenance are considered. Directions of their perfecting are selected. It is displayed that the comprehensive approach grounded on creation new and perfecting of known theories and methods, fundamental positions of a science ensuring development is necessary for the decision of the specified problem with reference to probe of the difficult processes accompanying operation HDS under trying conditions of operation. More perfect generalised sample pieces HDS, namely, their technical, physical, mathematical and computer sample pieces integrated with the sample pieces with the same name of thermal and electric power sources, and also with sample pieces of consumers of energy are necessary. Generalised sample piece HDS should be a sample piece uniform heat electric hydraulic mechanical systems. Results of computer probe of dynamic modes of behaviour power saving up HDS are reduced.

Текст научной работы на тему «Проблемы и методы совершенствования систем гидравлических приводов, работающих в тяжёлых эксплуатационных условиях»

УДК 621.226 + 621.313 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-2-69-76

ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ, РАБОТАЮЩИХ В ТЯЖЁЛЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

PROBLEMS AND METHODS OF PERFECTION OF SYSTEMS OF THE HYDRAULIC DRIVES WORKING IN HEAVY OPERATIONAL

CONDITIONS

© 2015 г. А.И. Озерский

Озерский Анатолий Иванович - канд. техн. наук, доцент, Ozerskiy Anatoliy Ivanovich - Candidate of Technical Sci-зав. кафедрой «Теплоэнергетика и прикладная гидромеха- ences, assistant professor, department «Power System and ника», Донской государственный технический университет. Applied Hydromechanics», The Don State Technical Universit. г. Ростов-на-Дону, Россия. Тел. 8 (863)58-91-72. Rostov-on-Don, Russia. Ph. 8 (863)58-91-72.

Рассматриваются проблемы, связанные с долговечностью и экономичностью систем гидравлических приводов (СГП), работающих в тяжёлых условиях эксплуатации. Выделяются направления их совершенствования. Показывается, что для решения указанной проблемы необходим комплексный подход, основанный на создании новых и совершенствовании известных теорий и методов, обеспечивающих развитие фундаментальных положений науки применительно к исследованию сложных процессов, сопровождающих работу СГП в тяжёлых условиях. Необходимы более совершенные обобщённые модели СГП, а именно, их технические, физические, математические и компьютерные модели, объединённые с одноимёнными моделями тепловых и электрических источников энергии, а также - с моделями потребителей энергии. Обобщённая модель СГП должна быть моделью единой теплоэлектро-гидромеханической системы. Приводятся результаты компьютерного исследования динамических режимов работы энергосберегающих СГП.

Ключевые слова: проблемы и методы совершенствования систем гидравлических приводов; тяжёлые условия эксплуатации; компьютерное моделирование; энергосберегающие гидравлические системы.

The problems linked with longevity and profitability of systems of hydraulic drive systems (HDS), working under trying conditions maintenance are considered. Directions of their perfecting are selected. It is displayed that the comprehensive approach grounded on creation new and perfecting of known theories and methods, fundamental positions of a science ensuring development is necessary for the decision of the specified problem with reference to probe of the difficult processes accompanying operation HDS under trying conditions of operation. More perfect generalised sample pieces HDS, namely, their technical, physical, mathematical and computer sample pieces integrated with the sample pieces with the same name of thermal and electric power sources, and also with sample pieces of consumers of energy are necessary. Generalised sample piece HDS should be a sample piece uniform heat electric hydraulic mechanical systems. Results of computer probe of dynamic modes of behaviour power saving up HDS are reduced.

Keywords: problems and methods of perfection of systems of hydraulic drive gears; operation severe conditions; computer modeling; power saving up hydraulic systems.

Введение В таких условиях работают СГП горных, нефте-

^ .. добывающих, строительно-дорожных и сельскохозяй-

Тяжёлые условия эксплуатации систем гидравли- * *

ческих приводов (СГП) создают проблемы, связанные ственных мобильных машин, а также СГП военной

с обеспечением их долговечности и экономичности. техники в период учений и боевых действий. Защита

Под тяжёлыми условиями эксплуатации здесь пони- тепловых и электрических двигателей этих машин от

маются частые и значительные перегрузки, ударные перегрузок с помощью жидкости основана на частич-

нагрузки и вибрация, длительная работа на предель- ном опорожнении гидросистем привода. Это приво-

ных нагрузочных режимах, работа в условиях сущест- дит к диссипации энергии жидкости и потерям значи-

венной запылённости, загазованности, влажности и тельной части передаваемой приводом энергии, кото-

т.п. рая уносится из гидросистемы вместе с рабочей жид-

костью. При этом СГП в первую очередь и в наибольшей степени подвергаются воздействию перегрузок, а также влиянию вредных факторов окружающей среды. Это приводит к быстрому износу систем и выходу их из строя. По данным зарубежной печати, из 100 аварийных ситуаций СГП машин, работающих в тяжёлых условиях их эксплуатации, 90 происходит в результате вредного воздействия на них окружающей среды. В связи с этим весьма актуальной является проблема совершенствования существующих и создания новых СГП, предназначенных для работы в тяжёлых условиях эксплуатации и обладающих долговечностью и экономичностью.

Для решения указанной проблемы необходим комплексный подход. Он должен быть основан на использовании современных достижений науки и техники, компьютерных технологий, на создании новых и совершенствовании известных теорий и методов, обеспечивающих развитие фундаментальных положений науки применительно к исследованию сложных процессов, сопровождающих работу СГП в тяжёлых эксплуатационных условиях. Для этого необходимы более совершенные обобщённые модели СГП, а именно, их технические, физические, математические и компьютерные модели, объединённые с одноимёнными моделями тепловых и электрических источников энергии, а также с моделями потребителей энергии. Обобщённая модель СГП должна быть моделью единой теплоэлектрогидромеханической системы (ТЭГМС), удобной для использования в системах автоматизированного проектирования (САПР) силовых приводов, а также для исследований, направленных на совершенствование их конструкций. Для повышения эффективности этих исследований должны быть созданы современные компьютеризированные экспериментально-диагностические комплексы как технические модели СГП.

Исследования, выполненные на основе такого комплексного подхода, внедрение их результатов в теорию и практику создания более совершенных СГП, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации, позволят получить значительный экономический эффект за счёт их ресурсо- и энергосбережения, а также за счёт снижения затрат на их проектирование при использовании САПР.

Основные направления исследования

В разработку и создание СГП внесли свой бесценный вклад отечественные учёные: А.И. Вощинин, Т.М. Башта, Б.Б. Некрасов, А.А. Ломакин, С.С. Руднев, Г.Ф. Проскура, В.Н. Прокофьев, В.Ф. Казмирен-ко, О.Н. Трифонов, С.А. Ермаков, И.С. Шумилов, Д.Н. Попов и многие другие. Благодаря труду этих учёных СГП стали высокоэффективными и перспективными силовыми системами, которые применяются совместно с тепловыми и электрическими источниками энергии на современных горно- и нефтедобывающих, строительных, дорожных, сельскохозяйственных

мобильных машинах, а также на военной технике практически повсеместно. Большинство из них работает в тяжёлых эксплуатационных условиях.

Анализ перспективных направлений совершенствования СГП, работающих в тяжёлых условиях, показал, что для повышения долговечности их гидравлических систем (ГС) целесообразно применять к ним принцип ампулизации [1, 2]. Такой принцип успешно применяют для топливных систем ракет с ЖРД [3], для холодильной, вакуумной техники и др. Принцип обеспечивает максимальную изоляцию рабочих жидкостей и газов СГП от окружающей среды. При этом воздух в воздушных полостях баков объёмного привода (ОП) и рабочих полостях гидродинамического привода (ГДП) заменяется на какой-либо инертный газ, например, на азот или гелий. Ампулизация обеспечивается: предварительным насыщением указанным газом рабочей жидкости привода, осушкой рабочих жидкостей и газов этих систем, их гидравлических и электрических машин и агрегатов, а также применением для них запаянных (сварных) гидравлических магистралей, ёмкостей и контейнеров. Это существенно увеличит сроки эксплуатации систем, их рабочих жидкостей и прокладочных материалов. Однако для оценки целесообразности применения ампу-лизированных гидравлических систем (АГС) необходимы исследования их технического состояния и анализа их работоспособности в тяжёлых условиях эксплуатации.

Исследование перспективных направлений совершенствования СГП, работающих в тяжёлых условиях, показало, что применение для них принципа дросселирования и принципов, основанных на опорожнении ГС при регулировании и при перегрузках, приводит к значительным потерям энергии жидкости и неэкономичной работе систем в целом [1, 2, 4, 5]. Так, дроссельное регулирование ОГП и применение дроссельного кольца (порога) для ГДП (гидромуфт) приводит к диссипации значительной части механической энергии рабочей жидкости, которая переходит в тепло, вызывая перегрев системы. Применение же при регулировании и перегрузках СГП принципов опорожнения рабочих объёмов и каналов систем (опорожнение гидромуфт, опорожнение каналов гидравлических магистралей ОГП и т.п.) также приводит к значительным безвозвратным потерям части передаваемой энергии, которая уносится вместе с рабочей жидкостью.

Исследования показывают, что в некоторых важных для практики случаях проблемы энергосбережения СГП можно решить путём замены дроссельных элементов систем обратимыми гидравлическими машинами (ОБРГМ) [1, 2]. Последние могут выполнять те же функции, что и дроссельные элементы, обеспечивая при этом решение задач сбережения энергии привода при регулировании и перегрузках. С помощью этих машин описанные выше и широко используемые в настоящее время принципы защиты и регулирования СГП, связанные с безвозвратными потеря-

ми энергии, можно заменить энергосберегающим принципом использования дополнительных ОБРГМ. Однако для оценки эффективности применения этого принципа для СГП, работающих в тяжёлых условиях, необходимы исследования процессов, сопровождающих их работу и определяющих их техническое состояние и экономичность как единых ТЭГМС.

Современный уровень знаний об особенностях динамических режимов работы исследуемых здесь ТЭГМС показывает, что процессы, сопровождающие их работу в тяжёлых эксплуатационных условиях на мобильных средствах, существенно сложнее процессов, характерных для стационарных условий их эксплуатации. Это обусловлено главной задачей СГП: осуществлять регулирование и передавать энергию потребителю, защищая при этом источники энергии от перегрузок в условиях вредного воздействия окружающей среды. Так, сложность процессов, сопровождающих динамические режимы совместной работы СГП с электрическими и поршневыми двигателями, определяются особенностями эксплуатационных свойств последних как источников внешней энергии силового привода. Это, в основном, ударные пусковые вращающие моменты электрических двигателей (ЭД), а также значительные крутильные колебания валов поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [6]. Наряду с этим динамические режимы работы СГП при перегрузках и регулировании сопровождаются сложными высокоскоростными гидродинамическими процессами заполнения и опорожнения рабочих полостей лопастных насосов и турбин, полостей гидромуфт, гидроцилиндров объёмных гидромашин, а также каналов гидравлических магистралей [5, 7, 8]. Такие процессы характерны для работы гидросистем при перегрузках, их заправке и запуске, при открытии клапанов, при функционировании рабочих органов систем управления и регулировании приводов и т.п. Для этих процессов характерны кавитация и разрывы сплошности потока, они сопровождаются явлениями неполного гидроудара, отрывом потока от стенок основных и ответвлённых каналов и их неполным заполнением. Эти явления существенно влияют на техническое состояние ГС, однако они мало изучены. Это объясняется их физической сложностью, трудностями их расчёта и моделирования, а также ограниченными возможностями наблюдения особенностей этих явлений и измерения их физических параметров.

В общем случае, исследования процессов движения жидких и газожидкостных сред с подвижными границами раздела сред типа «жидкость - газ» или «жидкость - твёрдое тело» («жидкость - поршень») относятся к задачам гидромеханики с контактными разрывами сред. Однако область постановки и решения задач гидромеханики с подвижными границами сред для гидросистем силовых приводов ограничивается традиционно используемым в гидравлике принципом Эйлера. Исследования показывают, что здесь наряду с принципом Эйлера необходимо применять и принцип Лагранжа, который в физическом и матема-

тическом моделировании является более общим, так как позволяет ставить и решать задачи гидромеханики с подвижными границами среды [7, 8]. Его использование даст возможность развить фундаментальные положения механики сплошных сред с подвижными границами, применяя их к динамическим задачам СГП с подвижными границами жидких рабочих тел. Это существенно расширит области исследования и решения задач гидромеханики СГП, повысит точность и достоверность расчётов, а также адекватность моделирования реальным процессам, сопровождающим работу СГП.

Из приведенных выше положений следует, что для решения проблемы совершенствования СГП необходим комплексный подход, определяемый несколькими направлениями. Первое направление -техническое. Оно определяется задачами совершенствования конструкций систем и связано с решением ряда задач энерго- и ресурсосбережения СГП на основе принципов ампулизации систем и использования ОБРГМ вместо дросселирования при перегрузках и регулировании привода. Это направление основано на создании современных компьютеризированных экспериментально-диагностических комплексов, предназначенных для исследований особенностей эксплуатации, эффективности функционирования и оценки технического состояния СГП в тяжёлых условиях их работы [6]. Второе направление - научное, оно базируется на фундаментальных основах теории сплошных сред с подвижными границами, и определятся их развитием применительно к исследованию СПГ. Оно состоит в совершенствовании на основе принципа Лагранжа известных теорий, методов исследования и расчёта, а также методов моделирования рабочих процессов ГС, существенно влияющих на техническое состояние СГП [7, 8]. Совершенствование обусловлено необходимостью моделирования и исследований на его основе более сложных процессов, сопровождающих работу ГС в тяжёлых условиях и связанных с их ампулизацией, наличием подвижных границ жидких рабочих тел и применением дополнительных ОБРГМ. Третье направление - научно-техническое. Оно состоит в совершенствовании моделей СГП и основано на принципе их обобщённого моделирования как единых ТЭГМС, работающих в тяжёлых условиях [6]. Это направление базируется на комплексах более совершенных компьютерных программ, предназначенных для САПР силовых приводов, а также для исследований с помощью компьютерных экспериментов.

Четвёртое направление - исследовательское. Его цель: обеспечение и проведение экспериментальных и компьютерных исследований эффективности предлагаемых технических решений проблемы ресурсо- и энергосбережения.

Положения, приведенные выше, раскрывают важность для науки и техники решения проблемы совершенствования существующих и создания новых СГП, работающих в тяжёлых эксплуатационных ус-

ловиях. Это обосновывает актуальность данного исследования и объясняет необходимость решения поставленных задач.

Решение поставленных задач

Поставленные в [1] задачи ресурсосбережения решались в работе [2]. Они основаны на принципе ампулизации гидравлических систем силового привода с использованием подкачивающего лопастного насоса 4 и инжектора 5 (рис. 1 б), обеспечивающих кавитационную стойкость силового привода при минимальных объёмах газовых полостей баков с рабочей жидкостью.

Поставленные в работе [1] задачи энергосбережения основаны на принципах максимально возможного сохранении энергии, передаваемой СГП, которая обычно теряется (диссипируется) при использовании дроссельных элементов и при частичном опорожнении системы в процессах её регулирования и на режимах её работы с перегрузками. Здесь предлагается замена дроссельного элемента 2 и клапана 1 (рис. 1 а) на нерегулируемую объёмную ОБРГМ: гидромотор -гидронасос 3. В [2] с целью энергосберегающего регулирования системы предлагается использовать инжектор 5 (с регулируемой площадью проходного сечения

его сопла (рис. 1 б)). Работа сопла инжектора осуществляется как автоматически при перегрузках, так и по сигналам от системы управления (СУ) инжектором (рис. 1 б). При этом непосредственное возвращение энергии в ОП, теряемой обычно при перегрузках и дроссельном регулировании, возможно в результате преобразования части энергии высокого давления рабочей жидкости, которая растёт при перегрузках, в энергию высокоскоростной струи. Последнюю можно использовать в регулируемых сопловых аппаратах инжектора или гидравлической турбины 6, установленной на валу насоса или мотора (рис. 1 в). При этом повышается «жёсткость» привода.

Для ГДП в виде гидромуфты (рис. 2) предложен метод замены дроссельного кольца 1 (рис. 2 а) регулируемой осевой лопастной ОБРГМ - гидротурбиной-гидронасосом 2 (рис. 2 б) с лопастями, поворачивающимися с помощью шестерённой передачи 3 и объёмного привода с поворотным устройством 5. Автоматическое регулирование объёмного привода осуществляется с помощью центробежного устройства 4. Здесь работа и регулирование ГДП с гидромуфтами основаны на принципе использования энергии высокоскоростного циркуляционного движения рабочей жидкости, которая, как известно, возрастает с перегрузками.

ч

ж*»

■езэ

< -——--1-ДЭ

а б в

Рис. 1. Объёмный привод: а - с дросселем и клапаном; ампулизированный привод: б - с инжектором и объёмной ОБРГМ; в - с инжектором и турбиной

6

а б

Рис. 2. Гидродинамический привод: а - гидромуфта с дроссельным порогом; б - ампулизированная гидромуфта с регулируемой ОБРГМ, установленной вместо порога

В известных устройствах гидромуфт она уменьшается (диссипируется) с помощью дроссельного порога, устанавливаемого с целью уменьшения скорости потока циркуляции и снижения вращающего момента, передаваемого на двигатель при перегрузках. Здесь же, наоборот, энергия высокоскоростного циркуляционного потока используется для привода дополнительной осевой турбины, установленной вместо порога, которая подкручивает вал насоса при пуске и перегрузках. Для данного исследования принципиально важно то, что силы Кориолиса, с помощью которых в ГДП передаётся основной турбине часть энергии, уменьшаются при перегрузках и обращаются в ноль на стоповых режимах работы: при запуске и останове. Силы Жуковского для дополнительной осевой турбины в этих условиях, наоборот, увеличиваются при росте перегрузок и приобретают максимальные значения на стоповых режимах. На этом принципе основано здесь новое направление энергосбережения ГДП (гидромуфт, гидротрансформаторов) на стоповых режимах и при перегрузках.

На основе обобщенных моделей единых ТЭГМС, созданных в работе [7], выполнены исследования эффективности технических предложений ресурсо- и энергосбережения СГП, описанных выше (см. рис. 1, 2). С целью ресурсосбережения СГП исследовались работоспособность, эффективность и техническое состояние ампулизированных гидравлических систем объёмного привода с инжектором и подкачивающим лопастным насосом [2]. Экспериментальный и компьютерный анализ проводился при минимальных объёмах газовой полости бака для хранения рабочей жидкости. Исследованы процессы заполнения каналов системы при запуске инжектора и лопастного насоса. В ходе исследований показана работоспособность и эффективность АГС. Отмечена положительная роль подкачивающего лопастного насоса и инжектора в улучшении технического состояния системы, а именно, в повышении работоспособности и кавитационной стойкости системы, особенно при её запуске [2].

Исследования в направлении совершенствования СГП с целью их энергосбережения проведены на обобщённой модели экспериментально-диагностического комплекса с АГС и ЭАД как единой ЭГМС [8]. Исследовались методы сбережения энергии системы приводов при перегрузках и регулировании путём замены дроссельных элементов ОБРГМ и использования инжектора для регулирования системы. В этом случае часть энергии ОГП, теряемой при дроссельном регулировании и перегрузках, может быть возвращена в систему. Это возможно с помощью преобразования энергии высокого давления рабочей жидкости (которая растёт при перегрузках) в энергию высокоскоростного потока. Последняя может быть преобразована в энергию вращательного движения с помощью регулируемого соплового аппарата и дополнительной гидравлической турбины (рис. 1 в). Наряду с этим исследовалась возможность энергосберегающего регулирования указанной системы путём уста-

новки вместо дросселя дополнительного объёмного гидромотора. Учитывалась объёмная жёсткость мотора по модели, созданной в [9]. Гидромотор устанавливался параллельно основному двигателю в магистрали с регулируемым инжектором (рис. 1 б). На рис. 3 а приведена картина компьютерного исследования регулирования системы с инжектором. На картине показаны изменения частоты п вращения валов объёмных гидравлических машин: насоса (линия 1), основного двигателя (линия 2) и дополнительного двигателя (линия 3) по сигналам системы управления инжектором (рис. 3 а). Здесь же на рис. 3 б приведены результаты расчёта оптимальных значений диаметра Dc сопла инжектора: Dc = 1,9 мм при максимальном КПД инжектора п = 0,033.

и, об/мин

>

1000

500

"0'

• к

* - • Г

• г ■ •

>

Н

Dc, мм

10

t, с

Dc, мм

■—> ■— 1- , 1 . . 2

0,03

0,02

0,01

0,2 0,4

0,6

t, с

б

Рис. 3. а - регулирование СГП с помощью инжектора; б - определение оптимальной величины диаметра сопла инжектора: 1 - диаметр сопла; 2 - КПД инжектора

Исследования в направлении совершенствования ГДП за счёт его ресурсосбережения выполнены на обобщённой модели ЭАД с гидромуфтой как единой электрогидродинамической системы. Здесь для сбережения энергии и регулирования привода при перегрузках использовалась дополнительная регулируемая обратимая лопастная осевая ГМ 3, установленная вместо дроссельного порога 2 (рис. 4). Исследовались

5

0

0

0

1

2

а

П

6

4

2

0

0

динамические режимы запуска, регулирования привода и работа его при перегрузках. Результаты исследования приведены на рис. 4 - 6.

Исследования показывают, что, применяя дополнительную осевую турбину и заполняя гидромуфту полностью (гидромуфты с порогом, как известно, полностью не заполняют), возможно на пусковых режимах и режимах с перегрузками использовать её для защиты двигателя от перегрузок. Эта турбина работает за счёт энергии высокоскоростного циркуляционного потока, возрастающей вместе с перегрузками. На указанных режимах эта энергия сравнима с энергией вращательного движения жидкости на выходе из колеса насоса. Момент же количества движения, который дополнительная турбина сообщает жидкости на входе в насос (подкручивает вал насоса), на режимах пуска и перегрузках возрастает до значительных величин. При пуске его величина (кривая 1 на рис. 4 а) становится больше величины расчётного момента нагрузки (кривая 2).

При значительных перегрузках (рис. 4 б) величина указанного момента (кривая 1 ) становится равной величине расчётного момента нагрузки (кривая 2 на рис. 4 а). Это объясняется тем, что на этих режимах,

когда вал турбины под нагрузкой остановлен (стопо-вый режим) или ещё неподвижен (пусковой режим), скорость Ж циркуляционного потока (кривая 1 на рис. 5 а и кривые на рис. 6 а) достигает максимальных значений. В гидромуфтах большой мощности её величина становится равной 100 м/с и выше. На рис. 4 б для сравнения показаны вращающие моменты электромагнитных сил ЭАД (кривая 3) и основной турбины гидромуфты (кривая 4). Как видно из рисунка, при перегрузках вращающий момент основной турбины за счёт работы дополнительной турбины становится большим электромагнитного момента, развиваемого ЭД (эффект гидротрансформатора), и равным моменту перегрузки (кривая 2 на рис. 4 б).

На рис. 5 показана динамика запуска под нагрузкой и «опрокидывание» привода при перегрузке (начало ударной перегрузки показано стрелками) без дополнительной турбины: прерывистые линии. Сплошными линиями показана стабилизация привода, которая обеспечивается дополнительной турбиной.

Таким образом, в результате этих исследований стало возможным решение задачи В.Н. Прокофьева [10]: создать «идеальную гидромуфту» с характеристикой, показанной штриховой линией 1 на рис. 6.

М, Н-м

1000

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

500

Л \

\ [ \ \ / V ч / 4 3 \

1 1 2 \

---

М, Н-м

1000

500

2

\

4 4

3 /

1 \ -

Г ---

0,02 0,04 0,06 0,08 t, с

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 t, с

а б

Рис. 4. Динамика гидромуфты с дополнительной осевой турбиной: а - запуск под нагрузкой;

б - ударное воздействие перегрузки

м/с

20 15 10 0 5 0

У 3

V

2 /

✓ 4

г

ч 1

V-- 1 / ч \ ч ~ ч

0,5 1,0 1,5 2,0 а

t, с

об/мин

1000

500

*

1 1

2

>

\ N Ч N

0,5 1,0 1,5 2,0 б

t, с

Рис. 5. а - скорости потока: 1 - скорость Ж циркуляции потока; 2, 3 - окружные скорости на выходе из насоса и на входе в турбину соответственно; б - частоты вращения валов: 1 - насоса, 2 - основной турбины

0

0

0

Эта гидромуфта более жёстко должна себя вести в области пуска и расчётного режима: 0< е < еР . Она имеет здесь (см. точки 3а, 2а, 1а) более высокие значения дМ / де, чем гидромуфта неполного заполнения, с дроссельным порогом (кривая 3), а также гидромуфта полного заполнения без дроссельного порога (кривая 2). Последнее обстоятельство объясняется «подкруткой» вала насоса дополнительной турбиной при пуске. В области же перегрузок (е < 1) она нагружает двигатель значительно меньшим вращающим моментом, чем полностью заполненная гидромуфта без порога (кривая 2).

САПР силового привода, разработан комплексный подход, обеспечивающий совершенствование существующих и создание новых систем приводов и их моделей, работающих с тепловыми и электрическими источниками энергии в тяжёлых условиях эксплуатации. Внедрение результатов работы в теорию и практику создания эффективных СГП, работающих в указанных условиях, позволит получить значительный экономический эффект за счёт их ресурсо- и энергосбережения. Наряду с этим снизятся затраты на их проектирование, благодаря использованию в САПР созданных компьютерных программ для их расчёта и моделирования.

М, Н-м

W, м/с

30

20

1

2

3

1 е 0 е„

1 е

б

Рис. 6. а - изменение скорости W циркуляции потока в зависимости от скольжения е: 1 - гидромуфты полного заполнения без порога; 2 - гидромуфты полного заполнения с дополнительной турбиной вместо порога; 3- гидромуфты неполного заполнения с порогом; б - решение задачи В.Н. Прокофьева

Это явление также объясняется «подкруткой» вала насоса дополнительной турбиной (см. точки 2б, 1б). Очевидно, что исследуемая здесь полностью заполненная регулируемая энергосберегающая гидромуфта с дополнительной осевой турбиной более близка к идеальной, чем другие, рассмотренные здесь известные виды этих гидромашин.

Таким образом, в результате описанных здесь исследований разработано направление энергосбережения СГП, работающих с тепловыми и электрическими источниками энергии в тяжелых условиях эксплуатации как единых ТЭГМС.

Заключение

Сформулирована научно-техническая проблема совершенствования СГП, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации, имеющая большое значение для отечественного машиностроения. Разработаны направления и методы её решения. На основе созданных новых теорий, методов исследования и обобщённого моделирования, а также пакетов программ для

Литература

1. Озерский А.И., Бабенков Ю.И., Шошиашвили М.Э. Перспективные направления развития силового гидравлического привода // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 6. С. 55 - 61.

2. Озерский А.И., Шошиашвили М.Э. Метод расчёта динамических режимов работы электрогидропривода с ампу-лизированной гидравлической системой // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2014. № 1. С. 52 - 60.

3. Научно-технические разработки ОКБ-23-КБ «Салют» / под общ. ред. Ю.О. Бахвалов. науч. ред. Е.С. Кулага. М.: Воздушный транспорт, 2006. 720 с.

4. Озерский А.И. Модель гидромуфты с асинхронным электрическим двигателем // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 5. С. 58 - 66.

5. Озерский А.И. Основы моделирования гидромуфт, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 1. С. 105 -113.

6. Озерский А.И. Моделирование динамических режимов работы гидроприводных систем с тепловыми и электрическими источниками энергии // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. № 5. С. 37 - 43.

7. Озерский А.И., Полухин Д.А., Сизонов В.С. Исследование одномерных движений жидких масс с контактными разрывами в магистралях, содержащих насосы // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1979. № 2. С. 143 - 150.

8. Озерский А.И. Применение подхода Лагранжа к решению задач динамики гидравлических систем гидроприводных и теплоэнергетических установок // Вестн. Донского гос. техн. ун-та. 2010. Т. 10, № 6 (49). С. 914 - 925.

9. Рыбак А.Т. Теория и методология расчёта и проектирования систем приводов технологических машин и агрегатов АПК: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Ростов н/Д., 2011. 39 с.

10. Прокофьев В.Н. Гидравлические передачи колёсных и гусеничных машин М.: Военное издательство Мин. обороны СССР. 1960. 300 с.

0

а

References

1. Ozersky A.I., Babenkov J.I., Shoshiashvili M.E. Perspektivnye napravleniya razvitiya silovogo gidravlicheskogo privoda [Per-spectiv directions of development of the power hydraulic actuator]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki , 2008, no. 6, pp. 55 - 61.

2. Ozersky A.I., Shoshiashvili M.E. Metod rascheta dinamicheskih rezhimov raboty 'elektrogidroprivoda s ampulizirovannoj gidravlicheskoj sistemoj [A method of calculation of dynamic operating modes electrichydrodriven with ampoulisition hydraulic system]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki, 2014, no. 1, pp. 52 - 60.

3. Nauchno-tehnicheskie razrabotki OKB-23-KB «Salyut». Pod obsch. red. Yu.O. Bahvalov. nauch. red. E.S. Kulaga [[Scientific-technical development of OKB-23-KB "salute" / ed. by Y. O. Bakhvalov. scientific. edited by E. S. Kulaga]]. Moscow, Voz-dushnyj transport Publ., 2006, 720 p.

4. Ozersky A.I. Model' gidromufty s asinhronnym 'elektricheskim dvigatelem [Model of the hydroclutch with an asynchronous electric motor]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki, 2011, no. 5, pp. 58 - 66.

5. Ozersky A.I. Osnovy modelirovaniya gidromuft, rabotayuschih v tyazhelyh usloviyah 'ekspluatacii [Bas of modelling of the hydroclutches working under trying conditions of maintenance]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki, 2012, no. 1, pp. 105 - 113.

7. Ozersky A.I., Poluhin D. A., Sizonov V. S. Issledovanie odnomernyh dvizhenij zhidkih mass s kontaktnymi razryvami v magis-tralyah, soderzhaschih nasosy [Research of one-dimensional movements of liquid medium with contact ruptures in the highways containing pumps]. Izv. ANSSSR. Energetika i transport, 1979, no. 2, pp. 143 - 150.

6. Ozersky A.I. Modelirovanie dinamicheskih rezhimov raboty gidroprivodnyh sistem s teplovymi i 'elektricheskimi istochnikami 'energii [Modelling of dynamic operating modes hydrodriven systems with thermal and electric energy sources]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki, 2013, no. 5, pp. 37 - 43.

8. Ozersky A.I. Primenenie podhoda Lagranzha k resheniyu zadach dinamiki gidravlicheskih sistem gidroprivodnyh i te-plo'energeticheskih ustanovok [Application of the approach of Lagranzha to a problem solving of dynamics of hydraulic systems of hydropower-driven and heat power installations]. VestnikDonskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2010, vol. 10, no. 6 (49), pp. 914 - 925.

9. Rybak A.T. Teoriya i metodologiya rascheta i proektirovaniya sistem privodov tehnologicheskih mashin i agregatov APK. Avtoref. dis. ... d-ra tehn. nauk [Theory and methodology of calculation and design of drive systems technology machines and units APC: Author. Dis. ... the doctor tehn. Science]. Rostov-na-Donu, 2011. 39 p.

10. Prokofev V.N. Gidravlicheskie peredachi kolesnyh i gusenichnyh mashin [Hydraulic drives wheel and tracklaying vehicles]. Moscow, Voennoe izdatel'stvo Min. oborony SSSR, 1960, 300 p.

Поступила в редакцию 23 марта 2015 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.