Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

Диссертационная работа:

Драгомиров Дмитрий Валерьевич. Исследование энергодинамических и регулировочных характеристик гидропривода с гидромоторным блоком расширенного диапазона регулирования : диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.13 / Драгомиров Дмитрий Валерьевич; [Место защиты: Моск. энергет. ин-т].- Москва, 2010.- 179 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/2614

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ И ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ГИДРОПРИВОДОВ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ГИДРОМОТОРАМИ 14

1.1. Современное состояние, проблемы и тенденции развития гидроприводов моторного регулирования 14

1.2. Основные преимущества и предпочтительные области применения гидропривода с регулируемыми гидромоторами 20

1.3. Выводы 24

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОПРИВОДА С ГИДРОМОТОРНЫМИ БЛОКАМИ РАСШИРЕННОГО ДИАПАЗОНА БЕССТУПЕНЧАТОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ 25

2.1. Структурные и параметрические возможности расширения диапазона гидромоторного регулирования 25

2.2. Критерии оценки и показатели качества гидроприводов с регулируемыми гидромоторами 27

2.3. Обзор существующих структур гидромоторных блоков расширенного диапазона регулирования скорости 29

2.4. Определение предельных регулировочных возможностей гидропривода с регулируемым гидромоторным блоком, одна из гидромашин которого является реверсивной и обратимой 47

2.5. Выводы 52

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОНТУРА ГИДРОПРИВОДА МАШИННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ 54

3.1. Анализ проблем и постановка задач математического моделирования объемного гидропривода машинного регулирования 54

3.2. Схемотехнические исполнения энергетического контура гидропривода...56

3.3. Виды потерь энергии в объемном гидроприводе и их физико-математическое описание 58

3.4. Моделирование энергетического контура гидропривода с комбинированным машинным регулированием 65

3.5. Модель энергетического контура гидропривода с регулируемым насосом 87

3.6. Модель энергетического контура гидропривода с регулируемым мотором 89

3.7. Модель энергетического контура гидропривода с регулируемым двухмашинным гидромоторным блоком 93

3.8. Сравнительный анализ статических характеристик энергетического контура гидропривода различных структурных исполнений 100

3.9. Исследование влияния параметров гидропривода и внешних возмущающих воздействий на основные динамические характеристики энергетического контура исследуемых структур гидроприводов 102

3.10. Выводы 107

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОПРИВОДА С РЕГУЛИРУЕМЫМ ГИДРОМОТОРНЫМ БЛОКОМ 109

4.1. Постановка задач экспериментального исследования 109

4.2. Описание и возможности универсального экспериментального комплекса для исследования объемного гидропривода машинного регулирования 113

4.3. Программа и методика экспериментальных исследований энергетических и регулировочных характеристик электронасосного агрегата, входящего в состав гидропривода с машинным регулированием 121

4.4. Результаты экспериментального исследования энергетических и регулировочных характеристик электронасосного агрегата 124

4.5. Программа и методика экспериментальных исследований энергетических и регулировочных характеристик гидропривода с

регулируемым гидромоторным блоком 125

4.6. Результаты экспериментальных исследований энергетических и регулировочных характеристик гидропривода с гидромоторным блоком различной комплектации 130

4.7. Сопоставительный анализ регулировочных характеристик объемных гидроприводов различных способов регулирования 136

4.8. Выводы 139

5. АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ТИПОВ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОБЪЕМА

АКСИАЛЬНЫХ ГИДРОМОТОРОВ 141

5.1. Функциональная структура механизмов управления аксиальных гидромашин 141

5.2. Сопоставительный анализ существующих и перспективных механизмов управления насосов и гидромоторов использующих различные принципы действия 144

5.3. Анализ характеристик современных электрогидравлических и электромеханических устройств и их применимости в механизмах управления 153

5.4. Выводы 158

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 160

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 163

ПРИЛОЖЕНИЯ 1  

Введение к работе:

Объемный гидропривод (ОГП) с вращательным движением выходного звена представляет собой совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение рабочих органов (РО) машин и механизмов посредством преобразования механической энергии первичного двигателя в потенциальную энергию давления рабочей жидкости и далее вновь трансформации ее в механическую энергию движения РО. Обязательными функциональными элементами такого ОГП являются источник и потребитель гидроэнергии, в качестве которых чаще всего выступают гидромашины объемного принципа действия — насос (Н) и гидромотор (М) [1-9].

В большинстве технических объектов в процессе их эксплуатации требуется регулировать угловую скорость выходного звена по требуемому закону, что обосновывает необходимость регулирования самих ОГП, которое может быть дроссельным, машинным, или машинно-дроссельным. Преимущества машинного регулирования по сравнению с другими видами хорошо известны и детально описаны в существующей литературе [1-9].

Расширение бесступенчатого диапазона регулирования, увеличение адаптивности привода, как средства повышения его экономичности, улучшение энергодинамических показателей за счет применения энергоемких и экономичных гидромашин переменного рабочего объема — важнейшие направления развития и совершенствования данных систем.

Наибольшее распространение в ОГП получили аксиальные (поршневые и плунжерные) гидромашины (АПГМ) с наклонным диском (НД), с наклонным блоком цилиндров (НБ) и с шатунным приводом поршней, которые применяются в ОГП как в качестве насосов, так и гидромоторов [12, 19].

Несмотря на то, что в настоящее время сформирована подробная классификация способов регулирования ОГП и разработана агрегатная база для их технической реализации, на практике регулирование угловой скорости выходного звена приводов чаще осуществляется изменением рабочего объёма насоса. Менее освоенным, но имеющим ряд важных преимуществ, является регулирование угловой скорости выходного вала ОГП с помощью изме-нения рабочего объёма гидромотора, ещё большие возможности открываются при комбинированном - насос-моторном регулировании [1-9].

Как известно, при насосном регулировании максимальная подача и давление насоса выбираются из очевидного условия обеспечения наибольшей скорости вращения выходного вала ОГП, а также возможности развивать нерегулируемым гидромотором наибольший крутящий момент. Одновременное выполнение этих условий приводит к чрезмерному увеличению массогабаритных показателей привода (установленной мощности), хотя на практике часто требуется получение больших скоростей при меньших крутящих моментах на выходном валу и, наоборот, вращение нагруженного вала ОГП с малыми скоростями [1-9, 13].

Принципиальное преимущество гидромоторного регулирования заключается в том, что при изменении параметра регулирования гидромотора появляется возможность перераспределять составляющие выходной мощности, т.е. развиваемый момент и угловую скорость выходного вала при сохранении постоянной мощности передаваемой ОГП. Это преимущество наиболее значимо в многодвигательных ОГП, где источник гидроэнергии должен работать в строго оптимальном режиме или имеет ограниченную мощность, а также в централизованных ОГП, где питание всех потребителей гидроэнергии осуществляется от источника гидроэнергии постоянного давления. Таким образом, реализация гидромоторного регулирования придаёт гидроприводной системе в целом важное свойство адаптивности и позволяет достичь большей экономичности [1-9, 13].

Применение регулируемых гидромоторов (РМ) положительно сказывается также на повышении быстродействия, точности и жесткости исполнительной части ОГП благодаря непосредственному регулированию выходного звена привода. Наконец, использование гидромоторного регулирования позволяет осуществлять рекуперацию энергии при движении выходного звена привода с сопутствующими (положительными) нагрузками и за счёт инерционного «выбега» ротора насоса, соединённого с электродвигателем.

С учетом вышеизложенного можно заключить, что применение регулируемых гидромоторов является весьма перспективным способом совершенствования таких важнейших качеств ОГП, как расширение диапазона бесступенчатого регулирования скорости, улучшение экономичности и быстродействия.

Совместное же использование регулируемого насоса и регулируемого гидромотора, помимо существенного расширения диапазона изменения угловой скорости выходного вала ОГП и отмеченных выше других преимуществ, позволяет оптимизировать управление моментными и скоростными показателями выходного звена ОГП, что в свою очередь, приводит к снижению установленной мощности насоса, уменьшению массовых и габаритных показателей привода в целом.

Особенностью гидромоторного регулирования, традиционно отмечаемой в исследованиях по данной тематике, является сравнительно узкий диапазон регулирования угловой скорости выходного звена ОГП, который значительно ухудшается с ростом нагрузки на привод [7-9, 13]. Как показывает практика, диапазон бесступенчатого регулирования угловой скорости даже у лучших конструкций регулируемых гидромоторов не превышает 4:1, в то время как при насосном регулировании он может достигать 40:1 и более [7-9, 13, 19, 65-69]. Причина этого известна и заключается в том, что для увеличения угловой скорости вала РМ, необходимо уменьшить рабочий объём, а это ведет к снижению момента на валу гидромотора до значений, сопоставимых с моментами сил трения в гидромашине.

Кроме того, наличие только регулируемого гидромотора не позволяет получить неподвижное положение выходного звена при работающем насосе, существенно затрудняет режим пуска и остановки системы и т.д. Это требует оснащения ОГП дополнительной гидроаппаратурой для включения/выключения и разгрузки насоса, либо, что обычно практикуется, применения регулируемого насосного агрегата.

В этом случае существенное расширение бесступенчатого диапазона регулирования угловой скорости выходного звена, повышение адаптивности и быстродействия ОГП достигается путём усложнения конструкции привода, поскольку требуется установка двух механизмов управления (МУ) гидромашинами, организация их гидропитания и решение задачи совместного регулирования.

Ввиду отмеченных преимуществ гидромоторного регулирования, задача расширения его регулировочных свойств является весьма актуальной, что подтверждается наличием работ российских и зарубежных ученых в этом направлении. Вместе с тем следует отметить, что число подобных исследований существенно меньше тех, которые направлены на совершенствование традиционного - насосного управления ОГП. Возможно, одна из причин такого положения дел связана с тем, что в настоящее время существенное расширение диапазона регулирования гидромоторов с помощью параметрического совершенствования конструкций гидромашин, в рамках их неизменных структур, представляется маловероятным. За последние несколько десятилетий не произошло качественных и даже заметных количественных изменений в этом направлении, а применяемые конструкции, используемые материалы и технологические решения известны свыше полувека. Энергетическую базу ОГП по-прежнему образуют АПГМ трех указанных выше основных типов: с НБ и шатунным ведением поршней, с НБ и двойным несиловым карданом, а также гидромашины с НД.

Поэтому, одним из наиболее перспективных путей решения задачи расширения бесступенчатого диапазона гидромоторного регулирования следует считать обоснованное, с точки зрения технико-эксплуатационных и (или) экономических показателей, структурное усложнение моторной части ОПТ, т.е. комбинирование нескольких гидромашин, работающих на суммирующий механический редуктор или непосредственно на нагрузку, с последующей параметрической оптимизацией конструкции. Подобная практика уже нашла применение в трансмиссионной технике. Однако, расширенный диапазон регулирования известных структур гидромоторных блоков (ГМБ) обычно складывается из нескольких поддиапазонов со ступенчатым переходом между ними, что не всегда удовлетворяет требованиям к гидроприводу со стороны конкретного технического объекта, или же система ГМБ получается чрезвычайно сложной и дорогостоящей, и поэтому на практике не реализуемой [8, 9, 56, 57].

Таким образом, исследования, направленные на изучение особенностей гидромоторного регулирования и решение вопросов создания перспективных многомоторных ГМБ, являющиеся темой данной диссертации, представляются весьма актуальными.

Цель работы заключается в совершенствовании гидроприводов с гидромоторными блоками расширенного диапазона бесступенчатого регулирования и улучшенными энергодинамическими показателями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• сформировать систему критериев для оценки качества ОГП с регулируемыми ГМБ различного исполнения;

• проанализировать существующие структуры регулируемых ГМБ и разработать прототип ГМБ расширенного диапазона бесступенчатого регулирования;

• сформировать обобщенную математическую модель гидропривода машинного регулирования; • с помощью математической модели исследовать регулировочные и энергодинамические характеристики ОГП с регулируемым ГМБ и дать сравнительную оценку с другими видами машинного регулирования;

• разработать стендовый экспериментальный комплекс и провести исследования выбранного прототипа регулируемого ГМБ, а также получить численные значения параметров, характеризующих потери энергии в гидромашинах, для уточнения математической модели;

в определить области предпочтительно применения ОГП с регулируемым гидромотором и ГМБ;

• провести сравнительный анализ перспективных структур МУ гидромоторами и дать рекомендации по их применению. Методами исследования являлись: литературный поиск, патентный анализ, математическое моделирование и стендовый эксперимент. Теоретические исследования основаны на известных положениях в области проектирования и расчетов гидропривода машинного регулирования. Изучение динамических процессов осуществлялось частотными методами теории автоматического регулирования, с учётом уточненной, согласно экспериментальным данным, параметрии математических моделей ОГП. Экспериментальные исследования ГМБ предложенной структуры проводились по разработанной автором методике на стендовом комплексе, разработанном и созданном им же в ходе выполнения диссертационной работы. Научная новизна выполненной работы заключается в следующем: ® сформирована универсальная математическая модель гидропривода машинного регулирования, позволяющая выполнять комплексные исследования различных структур гидроприводов с требуемой степенью детализации; 

• исследованы энергетические, регулировочные и динамические характеристики гидропривода с регулируемым ГМБ, дающие возможность оценить предельные энергодинамические и регулировочные возможности системы;

• разработан стендовый комплекс, с помощью которого получены экспериментальные энергетические и регулировочные характеристики ОГП с регулируемым гидромотором и ГМБ оригинального исполнения, защищенного патентом на полезную модель [64], и позволяющего существенно расширить диапазон моторного регулирования;

• на основании экспериментальных исследований определены значения потерь энергии в гидромашинах ОГП, а также предложена упрощённая модель для их расчета, обладающая достаточной степенью достоверности;

• исследованы и сопоставлены по совокупности показателей функциональности и конкурентоспособности традиционные и сравнительно новые виды электрогидравлических и электромеханических механизмов управления гидромоторами и ГМБ.

Практическая ценность выполненной работы заключается в следующем:

• по результатам экспериментальных исследований произведено уточнение математической модели ОГП с регулируемыми аксиально-поршневыми гидромашинами с наклонным блоком цилиндров. Полученная модель обеспечивает приемлемую точность расчетов и удобна для использования в инженерной практике;

• установлены области предпочтительного применения гидропривода с регулируемым гидромотором и много двигательным ГМБ;

• результаты экспериментальных исследований схемы объемного гидропривода с ГМБ заложены в основу эскизного проекта одной из технических систем, разрабатываемых в ФГУП «ЦНИИ АГ»;

• созданный универсальный стендовый комплекс предоставляет возможность проводить серии экспериментальных исследований при подго 12 товке магистерских диссертаций студентами, обучающимися по программе «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты»;

® проведенные исследования новых видов электрогидравлических и электромеханических механизмов управления позволяют рекомендовать их при разработке современных регулируемых гидромашин.

Апробация работы. Основные положения диссертации отражены в печатных работах, докладывались и обсуждались:

• на Международных научно-технических конференциях «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития», СПб ГПУ, 2008, 2010 гг.;

© Всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов», ЮУрГУ, г. Челябинск 2009 г.;

• 15-ой и 16-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, МЭИ, 2009, 2010 гг.;

• заседаниях кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. B.C. Квятковского МЭИ(ТУ) в 2008, 2009, 2010 гг.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием фундаментальных физических и математических моделей ОГП, надежных численных методов, применением многократно апробированных стандартных расчетных пакетов, достаточной степенью соответствия результатов моделирования с экспериментальными данными, а также исследованиями других авторов. Достоверность новизны технического решения подтверждается патентом на полезную модель [64].

На защиту выносятся:

• уточненная универсальная математическая модель гидропривода машинного регулирования;

• схема двухмоторного ГМБ с расширенным диапазоном бесступенчатого регулирования, в котором одна из гидромашин является регулируемой и обратимой; • материалы экспериментальных исследований ОГП с РМ и ГМБ оригинального исполнения;

• результаты исследования влияния основных параметров ОГП и внешних возмущающих воздействий на основные характеристики энергетического контура ОГП с различными видами машинного регулирования;

• результаты исследований новых структур механизмов управления рабочим объемом аксиальных гидромашин;

• материалы исследований областей применения гидроприводов с гидромоторным регулированием.

По материалам диссертационной работы опубликованы две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК [40, 41], один доклад [42] и четыре тезиса докладов [43—46] на научно-технических конференциях, а также получен патент на полезную модель гидропривода [64].  


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net