Введение к работе
Актуальность. Гидромашины (ГМ) по сравнению с другими энергопреобразующими машинами (например, электромашинами), обладают большей удельной мощностью, что позволяет создавать более мощную мобильную технику. Удельная мощность повышается, в основном, за счет разработки конструкций, работающих на более высоких рабочих давлениях.
При повышении уровня давления (свыше 25 МПа.) ГМ, спроектированные на основе традиционных подходов, становятся менее надежными, сокращается их ресурс.
Причина в том, что повышение давления приводит к деформации конструктивных элементов гидромашины (деформации становятся соизмеримыми с зазорами сопряженных деталей «10 мкм), что в типовых расчетах не учитывается. При больших давлениях деформации меняют характер рабочего процесса и требуются новые подходы к проектированию машин.
Блок цилиндров:
Биметалл изаци я рабочих поверх!
запрессованных втулок), контакти
гидромеханичесіие воздействия гтепг.оооменом. торцевые
зазоры сложной формы.
Динамичность по воемени и полсжению расоччх процессов
(в рабочих камерах (n± 1)/2 действует переменное
давление 500<->20атм)
Поршень:
Контактные взаимодействия и гидромеханические воздействия с теплообменом, зазоры
ые взаимодействия
Гидростатическая опора:
Работав деформированном состоянии.
ю:нт.=ктчыг Бзанмсде.їстЕїил Iі гидромеханические воздействия с теплообменом, биметаллизация. зазоры
Рабочая среда:
Взаимодействие узлов посредством рабочей жидкости
Теплообмен
Распределитель:
Работа в деформированном состоянии, контактные взаимодействия и гидромеханические воздействия с теплообменом, зазоры сложной формы
Динамичность по времени и положению рабочих процес:OE (в зеокгпьчо ра:пспоч!еннь к :>кнах действует переменное давление 50Ск->20атм;
Накладное дно:
(Применяется как альтернатива биметаллической
поверхности блока цилиндров)
Работав деформированном состоянии, контактные
взаимодействия и гидре ме панические воздействия с
тепгхоменсм. запоры сложной формы
Динамичность го времени и голэженгю рабочих процессов
(в рабочих камерах jn± 1)/2 действует переменное давление
500<->20атм)
Рис. 1. Процессы взаимодействия элементов ходовой части типовой гидромашины.
Кроме деформации имеют место и колебание зазоров из-за технологических допусков, перекосов от нагрузок, тепла и др., то изменяется гидродинамика потока рабочей жидкости, повышается вероятность продавливания жидкостной пленки между подвижными деталями гидромашины, появление металлического контакта и, как следствие, прогрессирующий износ и выход машины из строя.
Решением проблемы видится в создании новой технологии проектирования с методиками расчетов гидромашин, описывающие разнородные физические процессы, использующих 3D модели и соответствующих им программных продуктов. Т.е. необходим комплексный автоматизированный анализ рабочего процесса гидромашин, форсированных по мощности на основе 3D моделей.
Цели и задачи. Цель работы - повышение качества проектирования гидромашины за счет внедрения комплексного автоматизированного анализа протекающих в них процессов, основу которого составляют микромодели и соответствующие программные продукты.
Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы решаются следующие задачи:
анализ существующих методик и программных средств для моделирования функционирования гидромашин в научно-технической литературе (НТЛ);
разработка подхода к формированию структуры программного комплекса (ПК): конструктивного принципа, совокупности требований к математическому аппарату, соответствующему современным условиям функционирования ГМ;
разработка системы моделей, отражающей функционирование гидромашины и подмоделей конструктивных элементов ГМ;
разработка структуры и состава ПК, связующих макросов;
проведение моделирования и модельных исследований рабочих процессов в ГМ;
верификация результатов работы программного комплекса по итогам натурных испытаний.
Объектом исследования в работе является аксиально-поршневые гидромашины (АПГМ), их ходовые части (ХЧ). Предметом исследований являются математические модели, алгоритмы и методики расчета и моделирования ХЧ АПГМ.
Методы исследования. В работе использовались методы гидромеханики, трибомеханики, теплотехники, теории прочности, методы вычислительной математики и математического моделирования.
Научная новизна. В работе развиваются методы проектирования гидромашин заложенные трудами Башты Т.М., Кулагина А.В., Прокофьева В.Н., Пасынкова P.M. в направлении автоматизации проектирования гидромашин и в направлении использования трехмерных математических моделей. Рассматривается взаимодействия элементов конструкции ходовой части гидромашин с одновременным учетом законов: механики, трибомеханики, прочности, термодинамики, гидромеханики, а также их объединения в связанном анализе.
Разработан подход к формированию структуры программного комплекса анализа рабочих процессов, протекающих в гидромашинах.
Сформирована система математических моделей, реализующих решение связанных задач анализа процессов, протекающих в гидромашинах.
Разработана методика связанного анализа рабочих процессов форсированных гидромашин, включающего: трибомеханический, тепловой, прочностной, гидромеханический анализы.
Разработан комплекс программ анализа рабочих процессов форсированных гидромашин на основе CAD системы Autodesk Inventor, САЕ систем MSC.MARC и Flow-3D, авторских связующих макросов.
Получены результаты исследований влияния кинематических, трибомеханических, тепловых, гидромеханических параметров на рабочие процессы и характеристики форсированных гидромашин. Новые результаты получены при изучении рабочего процесса в разработанном комплексе применительно к рабочим парам гидромашин: гидростатическая опора - плоскость скольжения, распределитель -блок цилиндров.
Положения, выносимые на защиту.
Обоснование подхода к формированию структуры ПК для моделирования процессов в гидромашинах с учетом трибомеханики, прочностной, гидромеханики и т.д.
Система математических моделей, реализующих решение связанных задач анализа процессов, протекающих в гидромашинах.
Методика связанного анализа рабочих процессов гидромашин.
Структура и состав комплекса программ анализа рабочих процессов форсированных гидромашин.
5. Результаты модельных исследований рабочих процессов гидромашин.
Практическая ценность, реализация и внедрение результатов работы.
Разработанный в диссертации подход проектирования, включающий метод,
алгоритмы и математические модели внедрены в практику проектирования и производства в ОАО "СКВ ПА" и ОАО "КЭМЗ". С использованием разработанного автором программного комплекса были выполнены опытно-конструкторские работы и внедрение в серийное производство изделий: гидропривод вентилятора; насос-тандем
гидропривода стабилизатора; гидрообъемная передача механизма поворота мощностью 300 кВт; аксиально-плунжерная гидромашина для открытой схемы с рабочим объемом 130 см /об. Использование результатов в методическом направлении: в учебном процессе Ковровской государственной технологической академии, на кафедре «Гидропневмоавтоматика и гидропривод», в лекционном и лабораторном практикуме по дисциплине: «Объемные гидромашины и гидропередачи», а так же в курсовом и дипломном проектировании Внедрение подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на международных и всероссийских конференциях: международная научно-техническая конференция "Гидромашиностроение. Настоящее и будущее" г. Москва, МГТУ им. Баумана, 2004г.; "САПР и ГИС Экспо", г. Москва, 2000-2002 г.г.; "Ежегодная международная конференция пользователей MSC", г. Москва, 2000-2007 г.г. (доклад по теме работы в 2004г занял первое место); всероссийский научно-практический семинар "Автоматизация технологической подготовки производства машиностроительных предприятий: опыт создания и внедрения комплексных систем", г. Ковров, КГТА, 2001 г.; международная научно-техническая конференция и Российская научная школа "Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий", г. Ковров, КГТА, 1999 и других.
Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 34 работы, в том числе 1 учебное пособие, 15 статей в журналах, входящих в перечень утвержденных ВАК РФ изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней, 18 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных литературных источников и приложений.
