CC BY
32
УДК 62-82-112.6(083.13)
РАСЧЕТ ПРИСОЕДИНИТЕЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ КОМПОНЕНТОВ АГРЕГАТНО-МОДУЛЬНЫХ ГИДРОБЛОКОВ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
В. В. ПИНЧУК, А. В. МАРУХЛЕНКО, Д. Г. ВОРОЧКИН
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,
Республика Беларусь
Введение
Гидроприводы современных машин, как правило, составляются из наукоемких компонентов: нормализованных аппаратов и агрегатов, серийно изготовляемых специализированными заводами [1].
Основное место в гидросистемах станков занимает гидравлическая аппаратура, предназначенная для управления направлением, скоростью и усилием исполнительных механизмов машин, осуществления функций управления и контроля в гидроприводе и всего цикла работы привода. Поэтому технический уровень, качество и надежность гидравлических приводов различных видов оборудования в значительной степени зависят от уровня, качества и надежности гидроаппаратуры, которой оснащен данный привод. При создании приводов технологических машин выполняют разработку гидроблоков управления (ГУ), состоящих из соединенных между собой гидроаппаратов согласно принципиальных гидросхем. Затраты на создание ГУ, как правило, многократно превышают стоимость используемых при разработке гидроаппаратов. Гидроблоки управления являются сложной и дорогостоящей подсистемой гидроприводов технологического оборудования, вследствие этого проблема повышения их эффективности является актуальной для любого машиностроительного предприятия.
Среди причин, снижающих эффективность ГУ, выделяют инвариантность структурных решений в процессе их конструирования. В результате проектируемые ГУ обладают увеличенными габаритными размерами, ухудшаются показатели материа-ло- и энергоемкости, увеличиваются сроки и затраты на проектирование и освоение изделий в производстве. Представляется, что переход к агрегатно-модульному конструированию, заключающемуся в использовании при проектировании унифицированных по присоединительным размерам модулей и гидроаппаратов, позволит снизить негативное влияние факторов инвариантности процесса проектирования на выходные показатели создаваемых ГУ (материало- и энергоемкость, затраты и сроки создания) и повысить качество разработок [2].
Постановка задачи
В работе [3] приводятся формулы, позволяющие выполнить расчет размеров соединительно-монтажного модуля (СММ) агрегатно-модульных ГУ, что позволяет выполнить проектирование компонентов гидроаппаратов. Однако на оптимальность конструкции СММ, определяемой параметрами: объем V, площадь наружной поверхности £ и гидравлические потери давления Ар, оказывают влияние соотношение диаметров магистральных с1 и коммуникационных каналов й3 (рис. 1). Это связано с тем, что принципиальные гидросхемы приводов могут содержать от 3
до 30 гидроаппаратов, а на боковые грани СММ можно установить их только 4, из-за чего при конструировании инвариантных ГУ может потребоваться соединительномонтажный корпус, включающий от 1 до 8 СММ. В связи с этим целью настоящего исследования является разработка общего критерия оптимальности СММ, на основе которого можно получить рациональные соотношения размеров СММ для различных условий эксплуатации гидропривода.
Методы исследований
Для того чтобы определить оптимальные соотношения диаметров d и d3 в
СММ, используя полученные в работе [3] зависимости его размеров, вначале определим размер а3:
а3 = 42 (kd + А), (1)
где к - коэффициент приведения наружного диаметра уплотнительного кольца к диаметру d; А - минимальное расстояние между наружными кромками смежных уплотнительных колец. Обычно А принимается равным 2-3 мм. Соответственно, диаметр d2 определяется как [3]:
d 2 = к+ А„ (2)
где А1 = 1-2 мм - конструктивный зазор по диаметру шпильки; Рном - номинальное давление в ГУ, МПа; [а] - допустимое напряжение растяжения материала шпилек, МПа.
Рис. 1. Соединительно-монтажный модуль (общий вид с размерами) [3]
Размер а2 определим на основе следующей формулы:
^2 — ё + ё, + 2Д2 .
где А 2 - конструктивно задаваемый размер стенки между двумя скрещивающимися отверстиями. В зависимости от материала СММ А 2 принимается равным 4-5 мм для чугуна и 3-4 мм для стали [3].
Далее определяем размер а4:
Р„
2[о]
+ 2$з + Ді + 4Д 2.
(3)
Размер а определится как
а — а4 + ё2 + 2Д3 — ё
Р
1 + 2к ' -^ом-
2[о]
+ 2$з + 2Ді + 4Д 2 + 2Д3,
(4)
где А3 = 2-3 мм - размер стенки от края плоскости В СММ до края отверстия d2.
Глубина резьбовых отверстий, применяемая в практике проектирования, равна 1,5-2,0 его диаметра. В связи с чем
Р
[°Л
где А4 > 1-2 мм - размер стенки между резьбовым отверстием d1 и отверстием d2. Тогда размер а1 будет:
а1 — а - 2а5 — ё + ё3
2 - 2к
Р
1[°1]
+ 2Д1 + 4Д 2 — 2Д 4.
(6)
Определим расположение отверстий d1, для чего найдем вначале размер 2:
Р
1 + I ном
К]
+ Д.
(7)
После чего найдем размер а6:
а6 — а - а5 - ^2 — 0,5ё3
6 2 5 2 3
1-к
Р
+ Д.
(8)
где Д. — Д1 + Д2 - Д4.
Тогда
Ь3 —/2
—. |0,25ё3
к2 + 2к2 'Рном
+2^.1 Рном-1
Л
[°1] ЧК]
(
к1Д+к1А1 Рном + к Д. - Д.
К]
'[01]
+Д2 -Д..'
(9)
После нахождения Ь3 согласно (9) определим размер Ь1: ________________________Ь — Ь' + 2Ь3 — кё3 +Д+_______
+2 0,25ё
к12 + 2к12.
Л Г
'[01]
'[01]
к1Д+к^
Р
[01]
+ Д2
Р
Л
'[01]
-Д.
+Д2 -Д2
(10)
Габаритный размер Ь будет:
р
1 _|_ I ном №]
Л
+3Д+
+2 0,25ё2
2 2 Р Р
к2 + ?к2 ном + 2к ном -1
к|+ 1
Л г
+ ё->
кД+к Д ^ + к Д„ рном - Д.
(11)
[01]
[01]
+Д2 -Д..
Воспользовавшись выражением общего критерия оптимальности СММ [1], с учетом того обстоятельства, что гидравлические потери давления Ар в каналах d и dз будут различными, запишем общий критерий оптимальности следующим образом [4]:
х —
( Г V + Г — + Г —^ + Г ДР3 Л
4 V» Г2 б» + Г Др» + Г
(12)
где Г1, Г2, Г3, Г4 - коэффициенты взаимной важности частных критериев; Др, Др3 - гидравлические потери давления в каналах с диаметрами, соответственно, ё и ё3; V», £», Др» и Др» - нормирующие множители, приводящие показатели V, £, Др и Др3 к единому виду.
Используя рис. 1 и выражение для определения гидравлических потерь давления при проходе рабочей жидкости по каналу с диаметром ё [4], определим параметры V, £, Др и Др3 [4]:
Др — х\
V — а 2Ь;
£ — 4аЬ;
Ь Л 8р02.
ё I п2ё4
Др3 — ^1 ~Т
а Л 8р032
ё3 I пё
(13)
(14)
(15)
(16)
Для определения нормирующих множителей УЫ, БЫ, АрЫ и АрЫ рассмотрим нормирующий параллелепипед (рис. 2) с размерами граней аЫ и ЬЫ, условно исключив в СММ крепежные отверстия и конструктивные стенки. Такая конструкция позволяет получить минимально возможные значения параметров У, Б и Ар, удовлетворяющих условию оптимальности ГУ.
Пусть размеры граней нормирующего параллелепипеда находятся в следующей зависимости от диаметров каналов: аЫ = 3d, ЬЫ = 2d3. Определим длину каналов: 1Ы = ЬЫ, 1Ы 3 = аЫ. Исходя из этого определим выражения нормирующих множителей [4]:
V» — 18ё ё3; £» — 24ёё3.
(17)
(18)
Рис. 2. Нормирующий параллелепипед с размерами граней а» и Ь» [4]
. ' 2ё3 Л 8р б\
Др» — ^ 3 1
ё I п 2ё4 ’
3ёЛ 8р032
ч$3 | п2ё34
Подставив в (12) выражения (13)-(20), после преобразований получим [4]:
х —
Г1а Ь Г2аЬ Г3Ь Г4а
1 ■ + ~т2—7 + ^- + 4
18ё 2ё 6ё3ё 2ё3 3ё
(19)
(20)
(21)
Подставив в (21) ширину и высоту СММ (4) и (11), после преобразований получим общий критерий оптимальности СММ в виде:
х = |о >12 ^ (ё(1 + 2^/^0) + 2ё3 + 2Д1 + 4Д2 + 2Д3)2 (к1ё3 (1 + ^) + 3Д +
[01] П°і]
р,
+ 2 0,25ё32 (к2 + 2к12 + 2к -1) + ё3 (к1Д + кД + к1Д - Д.) + Д2 - Д.) +
Р„
[01]
[01]
+ бёц(ё (1+2ном])+2ё3 + 2Д1 + 4Д2 + 2Д3 )(кё(1+-^ |0у+3Д+
Р„
р р
ном , Г)1Г __не
[01] ЧК]
+ 2Д25ё32(к12 + 2^!-^ + 2к^^і2м -1) + ё3(к1Д + £Д/£0м + к1Д21|р0м -Д.) + Д2 -Д.) +
Ро [01]
+-щ^1 +у р7)+3Д+
РР
ном . О Ь _не
[01] ЧК]
+ 2/0,25ё32(к12 + 2к2Л|т0м + 2к^^;ом -1) + ё3(к1Д + кД|^0г + к1Д2л|[0] -Д.) + Д2 -Д.) +
Ро [01]
Рно
+ ^3ё"(ё(1 + 2к^ р'0']) + 2ё3 + 2Д1 + 4Д2 + 2Д3).
(22)
Отметим, что в формуле (22) значения коэффициентов важности критериев С1-С4 будут различными применительно к машинам с различными условиями эксплуатации. Так, для стационарных машин они будут назначаться исходя из приоритетов стоимостных затрат на металл и электроэнергию, а для мобильных машин более весомое значение имеют параметры объем V и площадь наружной поверхности £. Кроме того, общий критерий оптимальности х СММ (22) содержит совокупность частных параметров одного СММ, а в ГУ их может быть от 1 до 8, в связи с чем будут изменяться и соотношения диаметров магистральных d и коммуникационных d3 каналов СММ. То есть общий критерий оптимальности (22) лишь сужает допустимое множество вариантов проектируемой конструкции соединительно-монтажного корпуса, задавая в нем множество компромиссно-оптимальных проектов - область Парето. Однако эта область имеет слишком много вариантов, поэтому для выбора оптимального нужна дополнительная информация, позволяющая учитывать опыт конструктора при назначении критериальных ограничений.
Таким образом, оптимизировать параметры соединительно-монтажного корпуса ГУ возможно на основе исследования значений Х в выражении (22), используя в качестве варьируемых параметров коэффициенты важности критериев С1-С4 и соотношения диаметров d/d3.
Заключение
Разработаны расчетные формулы, позволяющие выполнить расчет и конструирование компонентов агрегатно-модульного конструирования ГУ, удовлетворяющих требованиям комплектуемого оборудования.
Литература
1. Свешников, В. К. Станочные гидроприводы : справочник / В. К. Свешников. -4-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 2004. - 510 с.
2. Красневский, Л. Г. Роль наукоемких компонентов в машиностроении / Л. Г. Краснев-ский // Соврем. методы проектирования машин. - 2004. - Т. 1, вып. 2. - С. 47-50.
3. Пинчук, В. В. Проектирование унифицированных функциональных блоков / В. В. Пин-чук, Н. В. Кислов// Весщ нац. акад. навук Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. навук. - 2001. -№ 2. - С. 63-67.
4. Пинчук, В. В. Проектирование компонентов агрегатно-модульных гидроблоков управления гидроприводов технологических машин / В. В. Пинчук, С. Ф. Андреев, А. В. Пархоменко// Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2010. -№ 1 (40). - С. 39-48.
Получено 07.12.2012 г.
