Введение к работе
Актуальность темы исследования. Тяжёлые условия эксплуатации гидравлических приводов (ГП) создают проблемы, связанные с обеспечением их долговечности и экономичности. Под тяжёлыми условиями эксплуатации здесь понимаются частые и значительные перегрузки, ударные нагрузки, длительная работа на предельных нагрузочных режимах, (коэффициент динамичности нагрузок – свыше 60 МПа/с; коэффициент продолжительности работы под нагрузкой 35…100 %). Под тяжёлыми условиями эксплуатации понимается также работа в условиях существенной запылённости, загазованности, влажности (суммарная массовая концентрация загрязняющих веществ 0,14…0,18 % и выше) и т.п. В указанных условиях работают ГП горных, нефтедобывающих, строительно-дорожных и сельскохозяйственных мобильных машин, а также мобильных военных машин в период учений и боевых действий. Защита тепловых и электрических двигателей этих машин от перегрузок с помощью ГП основана на дросселировании рабочей жидкости и частичном опорожнении гидравлических систем (ГС) привода. Это приводит к потерям значительной части передаваемой приводом механической энергии, которая диссипируется, вызывая перегрев ГС привода, или уносится из ГС вместе с рабочей жидкостью. При этом ГС приводов в первую очередь и в наибольшей степени подвергается воздействию перегрузок, а также влиянию вредных факторов окружающей среды. Это приводит к быстрому износу ГП и выходу их из строя. По данным зарубежной печати, из 100 аварийных ситуаций ГП машин, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации, 90 происходит в результате вредного воздействия окружающей среды на ГС приводов.
Для создания долговечных и экономичных ГП необходим анализ их технического состояния, в том числе в тяжёлых условиях эксплуатации. Существующие в настоящее время методы оценки их технического состояния, основанные на расчётах с помощью ЭВМ, не учитывают сложность процессов совместной работы тепловых и электрических двигателей с гидравлическими машинами приводов, а также – их взаимодействие между собой, так как не рассматривают их как единые тепло- и электрогидравлические системы. Это сужает области исследований динамических режимов работы ГП, снижает точность и достоверность расчётов, а также – качество и адекватность построенных компьютерных моделей ГП реальным процессам и объектам. Эффективность исследований ГП в настоящее время определяется уровнем использования современных компьютерных технологий, позволяющих с высоким качеством выполнять моделирование исследуемых процессов, а также компьютерные эксперименты и виртуальные испытания. Для этого необходимы более совершенные обобщённые модели ГП, а именно, их технические, физические, математические и компьютерные модели, объединённые с одноимёнными моделями тепловых и электрических источников энергии, а также с моделями потребителей энергии. Обобщённые модели ГП должны быть моделями единых тепло- или электрогидромеханических систем (ТЭГМС), удобных для использования в системах автоматизированного проектирования (САПР) приводов, а также для исследований, направленных на совершенствование их кон-
струкций. Для этих исследований должны быть созданы современные компьютеризированные научно-исследовательские комплексы как технические модели ГП.
В связи с этим весьма актуальным является решение проблемы создания методов исследования динамических режимов работы ресурсо- и энергосберегающих систем приводов с тепловыми и электрическими источниками энергии в тяжёлых условиях эксплуатации с целью создания ГП, обладающих повышенными долговечностью и экономичностью.
Степень разработанности темы исследования. В разработку и создание ГП внесли свой бесценный вклад отечественные учёные: В.Н. Прокофьев, А.И. Во-щинин, Т.М. Башта, Б.Б. Некрасов, А.А. Ломакин, С.С. Руднев, Г.Ф. Проскура, Б.А. Гавриленко, В.Ф. Казмиренко, Д.Я. Алексапольский, О.Н. Трифонов, С.А. Ермаков, И.С. Шумилов, Д.Н. Попов, А.П. Кудрявцев, Н.С. Гамынин и многие другие. Благодаря труду этих учёных ГП является высокоэффективным и перспективным силовым приводом, который применяется 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 ГП, работающих в тяжёлых условиях, показал, что для повышения долговечности их гидравлических систем целесообразно применять к ним принцип ампулизации. Такой принцип успешно применяют для авиационной техники, топливных систем ракет с ЖРД, для холодильной, вакуумной техники и др. Принцип обеспечивает максимальную изоляцию рабочих жидкостей и газов ГП от окружающей среды. При этом воздух в воздушных полостях баков объёмного гидравлического привода (ОГП) 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 ампулизированных гидравлических систем (АГС) приводов необходимы исследования их технического состояния и анализ их работоспособности в тяжёлых условиях эксплуатации.
Исследование перспективных направлений повышения экономичности ГП, работающих в тяжёлых условиях, показало, что применение для них принципа дросселирования и принципов, основанных на опорожнении ГС приводов при регулировании и при перегрузках, приводит к значительным потерям энергии жидкости и неэкономичной работе привода в целом. 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 ГС привода. Применение же при регулировании и перегрузках ГП принципов опорожнения рабочих объёмов и каналов
систем (опорожнение гидромуфт, опорожнение каналов гидравлических магистралей ОГП и т.п.) по существу является регулированием потерь передаваемой приводом энергии и 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 ГП можно решить путём замены дроссельных элементов ГС обратимыми гидравлическими машинами (ОБРГМ). 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 ГП, связанные с безвозвратными потерями энергии, можно заменить энергосберегающим принципом использования дополнительных ОБРГМ. Однако для оценки эффективности применения этого принципа для ГП, 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. Так, сложность процессов, сопровождающих динамические режимы совместной работы ГП с тепловыми и электрическими двигателями, определяется особенностями эксплуатационных свойств последних как источников внешней энергии силового привода. Это, в основном, большие пусковые электрические токи и ударные пусковые вращающие моменты электрических двигателей (ЭД), а также значительные крутильные колебания валов поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Наряду с этим динамические режимы работы ГС приводов 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. Такие процессы характерны для работы гидросистем при перегрузках, при их заправке и запуске, при открытии клапанов, при функционировании рабочих органов систем управления и регулировании привода и т.п. Для этих процессов характерны разрывы сплошности потока, они сопровождаются выделением газов, растворённых в жидкости, а также явлениями неполного гидроудара, 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 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 указанных задач гидромеха-
ники для гидросистем приводов ограничивается традиционно используемым в гидравлике принципом Эйлера. Исследования показывают, что здесь наряду с принципом Эйлера необходимо применять также и принцип Лагранжа, который в физическом и математическом моделировании является более общим, так как позволяет ставить и решать задачи гидромеханики с подвижными границами сред. Его использование даст возможность развить фундаментальные положения механики сплошных сред применительно к динамическим задачам ГС приводов с подвижными границами жидких рабочих тел. Это существенно расширит области исследования и решения задач гидромеханики ГП, повысит точность и достоверность расчётов, а также адекватность моделирования реальным процессам, сопровождающим работу ГП.
Положения, приведенные выше, раскрывают важность для науки и техники создаваемых методов исследований динамических режимов работы ГП в тяжёлых эксплуатационных условиях с целью повышения их долговечности и экономичности. Это обосновывает актуальность диссертации, обусловливает правильность выбранных направлений исследования, объясняет необходимость решения поставленных задач и определяет тему и цель диссертации.
Цель: разработать методы исследования динамических режимов работы ресур-со- и энергосберегающих гидравлических приводов с тепловыми и электрическими источниками энергии в тяжёлых условиях эксплуатации применительно к анализу эффективности предлагаемых технических решений, направленных на создание более долговечных и экономичных приводов.
Для выполнения указанной цели поставлены следующие задачи:
1. Выполнить анализ технологических и эксплуатационных особенностей, а
также особенностей функционирования ГП, работающих совместно с тепловыми и
электрическими источниками энергии в тяжёлых условиях эксплуатации. Разрабо
тать общие требования к эффективности ГП, а также – к методам исследования
динамических режимов их работы в указанных условиях. Сформулировать науч
ную проблему, обосновать её актуальность и выполнить критический анализ из
вестных её решений. Определить направления совершенствования существующих
и создания новых ГП, долговечно и экономично работающих в тяжёлых условиях
эксплуатации.
-
Разработать технические предложения и рекомендации, направленные на совершенствование ГП, работающих в тяжёлых условиях. Создать экспериментально-диагностические комплексы как технические модели более совершенных ГП, на которых выполнить экспериментальные исследования с целью оценки их работоспособности и технического состояния на различных режимах работы.
-
Создать метод исследования и расчёта нестационарных процессов движения несжимаемых жидких сред с подвижными границами в каналах ГС приводов с инжекторами, лопастными и объёмными гидравлическими машинами.
-
Разработать комплекс технических, физических, математических и компьютерных моделей указанных гидравлических машин, работающих в составе приводов с потребителями и источниками энергии, как обобщённых моделей единых тепло- и электрогидромеханических систем.
5. На основе разработанных обобщённых моделей создать методы исследования динамических режимов работы ресурсо- и энергосберегающих гидравлических приводов с дизельными и электрическими двигателями в тяжёлых условиях эксплуатации и применить их к анализу эффективности предлагаемых технических решений с целью создания более долговечных и экономичных приводов.
Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:
– созданы элементы теории и разработан метод исследования и расчёта нестационарных процессов движения несжимаемых жидких сред с подвижными границами в каналах гидравлических систем приводов со струйными аппаратами, лопастными и объёмными гидравлическими машинами. Метод является развитием фундаментальных положений механики сплошных сред с подвижными границами применительно к исследованию нестационарных процессов, сопровождающих работу гидравлических систем приводов, особенно с поршневыми гидравлическими машинами, а также с – гидромуфтами при их заполнении и опорожнении в процессе регулирования и перегрузок. Метод расширяет область исследования, повышает точность и достоверность расчёта динамических режимов работы ГС приводов;
– создан комплекс технических, физических, математических и компьютерных моделей указанных гидравлических машин, входящих в состав ГП, а также комплекс компьютерных моделей дизельных и электрических двигателей как обобщённых моделей единых тепло- и электрогидромеханических систем заданной мощности. Комплексы позволяют повысить качество исследования, а также точность и достоверность расчётов нестационарных механических, гидравлических, а также тепловых и электрических процессов, сопровождающих работу приводов, благодаря учёту взаимного влияния тепловых, электрических и гидравлических машин при их совместной работе. При этом повышаются уровень и адекватность моделирования приводов реальным объектам, а также – достоверность оценки их технического состояния, в том числе – в тяжёлых условиях их эксплуатации;
– на основе созданных обобщённых моделей разработаны методы исследования динамических режимов работы ресурсо- и энергосберегающих систем гидравлических приводов с тепловыми и электрическими двигателями в тяжёлых условиях эксплуатации. Методы отличаются тем, что повышают достоверность и точность расчёта приводов, позволяют выполнять оценку их технического состояния на различных режимах их работы, а также – оценивать эффективность предлагаемых технических решений проблемы повышения их долговечности и экономичности в исследуемых условиях эксплуатации;
– созданы новые принципы совершенствования гидравлических приводов, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации, обеспечивающие:
увеличение долговечности приводов на основе ампулизации их ГС;
повышение экономичности гидравлических приводов на основе утилизации и возвращения в привод части механической энергии, теряемой в дроссельных устройствах при дроссельном регулировании и перегрузках.
Практическая значимость работы
Решена важная для развития отечественного машиностроения проблема, направленная на разработку методов исследования динамических режимов совместной работы гидравлических приводов с тепловыми и электрическими источниками энергии с целью совершенствования существующих и создания новых более долговечных и экономичных приводов, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации. Решение этой задачи позволяет:
– сокращать объём экспериментальных исследований, проектировочных работ и натурных испытаний ГП за счёт обеспечения адекватности их обобщённого моделирования реальным объектам и процессами при виртуальных динамических испытаниях создаваемых более совершенных образцов приводов;
– проводить на созданных экспериментально-диагностических комплексах исследования особенностей динамических режимов работы ресурсо- и энергосберегающих систем гидравлических приводов и выполнять оценку их технического состояния на различных режимах их работы;
– создавать более совершенные ГП, работающие в тяжёлых условиях, за счёт:
увеличения долговечности приводов на основе ампулизации их ГС;
повышения экономичности ГП на основе преобразования возрастающей с
перегрузками энергии высокого давления (для объёмного привода) и энергии
высокоскоростных циркуляционных потоков (для гидродинамического при
вода) рабочей жидкости в механическую работу дополнительных обратимых
гидравлических машин, установленных вместо дроссельных элементов. Это
позволит утилизировать и возвращать в гидравлический привод часть меха
нической энергии, теряемой в дроссельных устройствах при дроссельном ре
гулировании и перегрузках.
Методология и методы исследований
В диссертации использованы основные законы механики жидкости и газа, подход Ла-гранжа в механике сплошных сред, законы теоретической механики, основные положения теория и практики тепловых, электрических и гидравлических машин, а также силовых объёмных и гидродинамических приводов. Применены основные положения теории обыкновенных дифференциальных уравнений и методы их численных решений. Использованы методы компьютерного моделирования в лицензированной математической среде MathCAD. Применены современные методы проектирования и создания технических моделей гидравлических приводов, методы организации и проведения их реальных и виртуальных испытаний, а также современные методы и средства измерения характеристик нестационарных процессов, сопровождающих их работу.
Объектом исследования являются ресурсо- и энергосберегающие системы гидравлических приводов, работающие совместно с тепловыми и электрическими источниками энергии в тяжёлых эксплуатационных условиях, а также методы исследования динамических режимов их совместной работы как единых тепло- и электрогидромеханических систем.
Положения, выносимые на защиту
1. Результаты анализа технологических и эксплуатационных особенностей функционирования и технического состояния, а также – эффективности методов
исследования динамических режимов работы гидравлических приводов в тяжёлых условиях их эксплуатации. Технические предложения, повышающие долговечность и экономичность гидравлических приводов, работающих в тяжёлых условиях. Созданные экспериментально-диагностические комплексы как технические модели более долговечных и экономичных конструкций ГП (п. 5 паспорта специальности (ПС)).
-
Развитие фундаментальных положений механики сплошных сред с подвижными границами применительно к исследованию нестационарных процессов, сопровождающих работу гидравлических систем приводов. Теория, методы исследования и расчёта, а также результаты теоретических, экспериментальных и компьютерных исследований динамических режимов работы гидравлических систем приводов с подвижными границами рабочих жидких сред в каналах с инжекторами, лопастными и объёмными гидравлическими машинами (п. 6 ПС).
-
Элементы физического сходства принципов и режимов работы гидравлических и электрических машин: гидродинамических муфт – с электрическими асинхронными двигателями, а также объёмных гидромуфт – с электрическими синхронными двигателями (п. 6 ПС).
-
Предназначенные для исследования и оценки технического состояния гидравлических приводов (в том числе на основе компьютерного моделирования) комплексы их технических, физических, математических и компьютерных моделей с потребителями, а также с тепловыми и электрическими источниками энергии как обобщённые модели единых тепло- и электрогидромеханических систем (п. 4 ПС).
5. Основанные на указанных обобщённых моделях методы исследований и
расчёта динамических режимов работы ресурсо- и энергосберегающих ГП, а так
же – результаты оценок эффективности технических предложений, направленных
на создание более долговечных и экономичных ГП, работающих в тяжёлых усло
виях эксплуатации (п. 1 ПС).
Степень достоверности и апробация результатов работы
Степень достоверности работы подтверждается обоснованностью и корректностью принятых допущений при создании обобщённых моделей ТЭГМС, адекватностью моделей реальным объектам и процессам, удовлетворительным совпадением результатов экспериментальных исследований с результатами расчётов на ЭВМ.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение:
– на научно-техническом семинаре на кафедре “Гидромеханика, гидромашины, гидропневмоавтоматика” МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2015 г. – на Международных научно-технических конференциях:
“Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития”, Санкт-Петербург, 2010, 2016 г.г.; – на Международных научно-технических конференциях, посвящённых компьютерному моделированию:
“COMOD-13”, Санкт-Петербург, 2013 г.; “COMOD-14”, Санкт-Петербург, 2014 г; “MMMAS 2014, CSSP 2014, CC 2014, EEMAS 2014” Saint Petersburg, Russia, September 2014 г; “COMOD-15”, Санкт-Петербург, 2015 г.;“COMOD-16” Санкт-Петербург, 2016 г.; “COMOD-17”, Санкт-Петербург, 2017 г.
Основные результаты работы, научные положения, инженерные методики и рекомендации диссертации внедрены в научно-исследовательских институтах, на предприятиях, а также использованы в учебном процессе в высших учебных заведениях:
в институте фундаментальной подготовки Сибирского федерального университета;
– в Южно-Российском государственном техническом университете им. М.И. Платова (Новочеркасском политехническом институте): в учебном процессе и при создании научно-экспериментальной базы кафедры “Мехатроника и гидропневмоавтоматика”, а также в учебном процессе кафедр: “Электропривод и управление”, “Транспортные машины и организация дорожного движения”;
– на предприятии ООО “Спец-Проект” (г. Ростов на Дону) при разработке технических заданий на проектирование гидроприводных систем сельскохозяйственной техники, работающей в тяжёлых условиях эксплуатации;
на предприятии ОАО “ Шахтинский завод “Гидропривод” (г. Шахты) при разработке испытательных стендов, при составлении компьютерных моделей гидроприводных систем и САПР этих систем;
– в НИИЦ “Криотрансэнерго” Ростовского университета путей сообщения; – в Ростовском высшем военном училище: в научной работе, учебном процессе и при создании научно-экспериментальной базы училища в 1975 – 1990 гг.
– в Донском государственном техническом университете: в научной работе, учебном процессе и при создании научно-экспериментальной базы кафедры “Теплоэнергетика и прикладная гидромеханика” в 2008 – 2018 гг.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в двух монографиях и 20 научных статьях в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения и приложения, изложенных на 336 страницы машинописного текста, содержит 210 рисунков и 1таблицу.