Скляревський Олександр Миколайович. Підвищення ефективності гідравлічних слідкуючих приводів випробувального устаткування

Краткое описание

Скляревський Олександр Миколайович. Підвищення ефективності гідравлічних слідкуючих приводів випробувального устаткування: дис... д-ра техн. наук: 05.02.03 / Національний технічний ун-т "Харківський політехнічний ін-т". - Х., 2004

Скляревський О.М. Підвищення ефективності гідравлічних слідкуючих приводів випробувального устаткування. Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за фахом 05.02.03 системи приводів. Харківський національний технічний
університет, м. Харків, 2004.
Дисертація присвячена питанням математичного моделювання і розрахунку динаміки гідроприводів випробувального устаткування та підвищенню їх ефективності. Запропоновано схему структурної класифікації слідкуючих гідроприводів. Розроблено комплекс методик моделювання і розрахунку динамічних процесів у гідроприводах, реалізованих за різними схемами, у т.ч. слідкуючих приводів з довгими трубопроводами. Зроблено оцінку впливу перемінної температури рідини уздовж гідроканалу на динаміку системи. Розглянуто питання поліпшення динамічних характеристик приводу і підвищення його економічності. Досліджено процеси в гідропульсаторному приводі, визначена залежність розміру несиметричності навантаження від знаку і значення тиску в порожнині циліндра і класу приводу. Виконано синтез гідросистеми осісиметричного навантаження дисків газотурбінних двигунів.

Основним результатом роботи є розробка наукових і методологічних положень з розвитку підходів і принципів математичного моделювання, вибору раціональної структури гідроприводів випробувального устаткування.
Отримані на підставі проведених досліджень методологічні положення і практичні рекомендації спрямовані на удосконалювання гідроприводів, які працюють у системах випробувальних машин і комплексів, з метою підвищення динамічних показників, розширення функціональних можливостей, зниження енергетичних витрат при експлуатації, скорочення термінів розроблення, котрі мають важливе народногосподарське значення.
Основні висновки і результати досліджень сформульовані в наступних положеннях.
1. Запропоновано структурну схему класифікації гідравлічних слідкуючих приводів, яка дозволяє оцінити їх важливі особливості з погляду теорії автоматичного керування і розширити можливості для подальшого поглибленого аналізу. Розроблено положення щодо виділення трьох класів гідроприводів відносно величини переміщення вихідної ланки. Отримані схема класифікації й аналітичні умови виділення класів гідроприводів дозволяють підвищити ступінь формалізації етапу розроблення їх структурних схем.
2. Розроблено комплекс уточнень математичної моделі гідроприводу, що включає в себе методику опису видаткових характеристик розподільного золотника з урахуванням перетічок робочої рідини по радіальних зазорах; методичні експериментальні підходи з опису й уточнення видаткових характеристик дросельного пристрою сопло заслінка; положення з виділення типів механічних обмежень при контакті рухливих елементів.
3. Розроблено нелінійну математичну модель ЕГСП, яка враховує особливості експлуатації гідроприводу в системі випробувальної машини для механічного навантаження, а саме роботу приводу при великих значеннях жорсткості позиційного навантаження, що обумовлює малі переміщення вихідної ланки і розподільного золотника гідропідсилювача. У моделі враховані основні нелінійні фактори, геометричні розміри й експлуатаційні умови, що впливають на роботу приводу при зазначених режимах, такі як: жорсткість пружних елементів ЕГП; перетічки рідини по радіальних зазорах розподільного золотника; гідродинамічні сили; нестаціонарність тиску на вході в гідропідсилювач та ін. Адекватність математичної моделі реальним динамічним процесам у ЕГСП і її універсальність підтверджені проведеним комплексом експериментальних досліджень.
4. Встановлено, що у випадку приналежності слідкуючого гідроприводу до першого класу (мале переміщення вихідної ланки при дії позиційного навантаження великої жорсткості) введення додаткового негативного зворотного зв'язку з перепаду тисків у керованих порожнинах гідроциліндра підвищує демпфірувальні характеристики гідроприводу і принципово не погіршує його швидкодію.
5. Розроблено нелінійну математичну модель ЕГСП з еталонною моделлю. Проведені дослідження динамічних процесів у гідроприводі при різних значеннях жорсткості позиційного навантаження (різних класів приводів) і параметрів ланцюга зворотного зв'язку на базі електронної моделі дозволили виявити наступні закономірності:
ефективність ланцюга зворотного зв'язку з еталонною моделлю виявляється тільки в ті періоди, коли розподільний золотник ЕГП не досягає упорів;
ступінь впливу еталонної моделі на динамічні процеси в гідроприводах, що належать до різних класів, неоднакова: так, для ЕГСП третього класу наявність еталонної моделі практично не впливає на його динаміку і несуттєво зменшує сталу статичну погрішність; для приводів другого і першого класів наявність ланцюга еталонної моделі значно підвищує їхню швидкодію і зменшує сталу статичну помилку;
зменшення постійної часу еталонної моделі не робить істотного впливу на швидкодію гідроприводу;
найбільший вплив на швидкодію ЕГСП і сталу статичну погрішність має значення коефіцієнта підсилення блоку порівняння сигналів зовнішнього зворотного зв'язку й електронної моделі; при збільшенні значення якого до визначеної величини в приводі встановлюються автоколивальні процеси.
6. Показано переваги застосування в гідроприводі випробувальної машини диференціального гідроциліндра при однобічному керуванні одночасно працюючих двох напірних крайок золотника ЕГП. Така структурна схема дозволяє зменшити габарити й експлуатаційні енергетичні витрати. Запропоновано нову схему одноштокового циліндра, що забезпечує в рамках заданих габаритів максимальне симетричне тягове зусилля. Отримано умови застосування даного гідроциліндра в слідкуючому приводі, які обумовлюють малу несиметричність швидкісної характеристики.
7. Розроблено уточнення методики визначення швидкісної характеристики гідравлічного слідкуючого привода. Встановлено, що у випадку впливу на привод позиційного навантаження, погрішність методики визначення даної залежності шляхом подачі керуючого сигналу з постійним прискоренням знижується при зменшенні його значення, але при цьому звужується досліджуваний діапазон характеристики. При високих значеннях добротності приводу і жорсткості навантаження одержання швидкісної характеристики з прийнятною точністю практично неможливе.
8. Розроблено методику моделювання і чисельного розрахунку в розподілених параметрах нестаціонарних процесів у довгому трубопроводі при перемінній вздовж тракту температурі рідини. Ефективність і адекватність методики підтверджені експериментальними дослідженнями. Встановлено, що при фіксованій температурі рідини в керованій порожнині гідродвигуна закон розподілу температури рідини в гідроканалі не робить істотного впливу на нестаціонарні процеси. Більшою мірою на ці процеси впливає температура рідини в порожнині, а визначальну роль відіграє швидкість відкриття золотника й об’єм керованої порожнини.
9. Розроблено нелінійну математичну модель ЕГСП із довгими єднальними трубопроводами і методика чисельного розрахунку його динаміки в розподілених параметрах з урахуванням перебудови профілю швидкостей. Запропонована методика моделювання і розрахунку дозволяє проводити на етапі розробки слідкуючого гідравлічного приводу без попереднього аналізу вибору моделі гідроканалу чисельні дослідження його динаміки, у тому числі визначати галузь конструктивних і експлуатаційних параметрів, що забезпечують безкавітаційні умови роботи.
Дослідження динамічних процесів у ЕГСП, що мають у своїй структурі різні типи гідроциліндрів з'єднаних з ЕГП довгими гідроканалами, дозволили встановити наступне:
для приводу першого класу кращим є застосування диференціального гідроциліндра з виключенням хвильових процесів у зливальному трубопроводі;
у випадку приналежності приводу до другого чи третього класу, кращі динамічні показники, виходячи з якості перехідних процесів і нестаціонарності руху рідини в трубопроводі, має гідропривід із двоштоковим циліндром.
10. Запропонована схема і розроблена нелінійна математична модель ЕГСП, реалізованого на основі застосування клапана постійного перепаду тиску. Показано, що за своїми динамічними характеристиками розроблений привод поступається ЕГСП із переливним клапаном, однак забезпечує значне скорочення експлуатаційних енергетичних витрат і може бути рекомендований для роботи в системі випробувальної машини з частотним навантаженням до 25 Гц.
11. Розроблено комплекс методик з нелінійного моделювання і розрахунку динамічних процесів у гідропульсаторному приводі і електрогідравлічній системі керування двочастотним навантаженням випробувальної машини. Доведено перевагу застосування в гідропульсаторному приводі диференціального циліндра з однією керованою порожниною. Показано несиметричність навантаження випробуваного зразка й отримана аналітична залежність, що дозволяє оцінити її значення при різних знаках збільшення тиску і класах гідроприводів.
Запропоновані методики забезпечують комплексний підхід до аналізу динамічних процесів у складній системі випробувальної машини на етапі її розроблення з обліком усіх основних конструктивних параметрів гідроприводу і силового контуру.
12. Розроблено методику синтезу електрогідравлічної системи керування випробувальної машини для механічного осісиметричного навантаження дисків газотурбінних двигунів. Отримано аналітичні умови рівноважного положення диска в процесі його випробування. За результатами синтезу створена випробувальна машина, багаторічний досвід експлуатації якої показав її ефективність з підвищення надійності і довговічності газотурбінних двигунів.