Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Исследование условий неустойчивой работы трехлинейного золотникового регулятора расхода

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрены статическая и динамическая модели работы трехлинейного золотникового регулятора расхода с учетом динамики подвижных элементов и испытаний усовершенствованного трехлинейного золотникового регулятора расхода. Приведены статические рабочие характеристики и рекомендации по выбору геометрии золотника. Сформулированы направления для дальнейшего исследования.

Для цитирования:


Храмов Б.А., Гусев А.В. Исследование условий неустойчивой работы трехлинейного золотникового регулятора расхода. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(3):88-93.

For citation:


Khramov B.A., Gusev A.V. Study of unsteady operating conditions of a three-port spool flow control valve. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(3):88-93. (In Russ.)

Введение

Трехлинейные золотниковые регуляторы рас­хода (ЗРР) широко применяются в гидропри­водах с дроссельным регулированием для ограничения объемного расхода, подаваемого к исполнительным органам в широком диапа­зоне нагрузок. В общем случае к ЗРР предъ­являют требования к устойчивости и быст­родействию, при этом к ЗРР грузоподъемных машин специальных требований к быстро­действию не предъявляется, но должна быть обеспечена устойчивость их работы. 

Рассматриваемый регулятор применяет­ся в гидроприводе высокой грузоподъемно­сти, для которого не предъявляются высокие требования к быстродействию. При функционировании привода, в состав которого входит ЗРР, в некоторых случаях наблюдались посто­ронние шумы в гидросистеме, вызванные ко­лебаниями подвижных элементов ЗРР. Уровень акустического шума и колебания давления, наблюдаемые при этом, позволяют говорить о резонансных явлениях в гидросистеме и ЗРР.

ЗРР представляет собой гидравлическое устройство, предназначенное для поддержания постоянным объемного расхода Q2, подавае­мого к рабочему органу вне зависимости от давления р2 нагрузки на нем. Конструктив­но регулятор расхода состоит из параллельно установленных дросселя A2 и золотниковой пары золотник - втулка. Чувствительным эле­ментом регулятора является дроссель A2 ре­гулируемого сечения. Настройкой его сопро­тивления определяется объемный расход Q2, пропускаемый ЗРР к давлению р2 нагрузки. Исполнительным элементом является золот­ник, регулирующий сопротивление сливной магистрали, через который сбрасывается из­быточный объемный расход Q1. Для демпфи­рования возможных колебаний в конструкции ЗРР предусмотрен гидравлический линейный дроссель B2. Очевидно, что демпфирующих свойств демпфера B2 оказалось недостаточно для обеспечения устойчивой работы ЗРР. В на­стоящей статье приведены результаты анализа характеристик ЗРР и поиска причин его не­устойчивой работы.

Известно, что неустойчивая работа ЗРР может быть обусловлена резонансными явле­ниями, возникающими вследствие:

  • ошибочно выбранных геометрических и физических характеристик элементов ЗРР (жесткости пружины, условий перекрытия, гидравлического демпфирования и др.);
  • колебаний объемного расхода и дав­ления в напорной линии, вызванных работой насоса;
  • колебаний нагрузки на исполнительном органе гидропривода;
  • действия на исполнительный элемент (золотник) внутренних возмущающих сил (турбулентности потока, кавитации, условий трения в золотниковой паре и др.).

Статические рабочие характеристики ЗРР

По результатам анализа конструкции ЗРР было сделано предположение, что возможной причиной его неустойчивой работы является неудачный выбор геометрических параметров перекрытия дроссельной щели в паре зо­лотник - втулка. Для определения рабочих ха­рактеристик ЗРР была построена статическая модель его работы, расчетная схема которой приведена на рис. 1.

 

Рис. 1. Расчетная схема статической модели трехлинейного ЗРР:

1 - втулка; 2 - золотник; A - выносной элемент; x - координатный вектор

 

При разработке математической моде­ли, описывающей статическое состояние ЗРР, были приняты следующие допущения:

  • рабочая жидкость несжимаема;
  • коэффициент расхода ξ через дрос­сельную щель в золотниковой паре не зависит от положения золотника, ξ = 2;
  • силы трения золотника о втулку прене­брежимо малы;
  • гидродинамическая сила, действующая на золотник, пренебрежимо мала;
  • при прохождении через дроссельную щель поток движется перпендикулярно ли­нии b - bх.

Запишем математическую модель рабо­ты ЗРР:

где р - давление на входе в ЗРР;

р2 - давление нагрузки;

A2 - коэффициент местного сопротивления дросселя;

Q2 - объемный расход через дроссель;

Q - объемный расход, подаваемый насосом к регулятору;

Q1 - объемный расход через дроссельную щель золотниковой пары золотник - втулка (избыточный расход);

P1 - давление за золотником (давление сли­ва), принимаем р = const;

ρ - плотность жидкости, равная 860 кг/м3;

хз - ход золотника;

dп - диаметр поршня золотника;

Fпp0 - предварительное поджатие пружины при хз = 0;

с - жесткость пружины;

fп - рабочая площадь поршня золотника. Результаты математического моделиро­вания приведены на рис. 2.

 

Рис. 2. Статические рабочие характеристики ЗРР: а - зависимость положения золотника хз от давления нагрузки р2; б - зависимость объемных расходов Q1 и Q2 через ЗРР от давления нагрузки; в - зависимость давления р на входе в ЗРР от давления нагрузки р2; г - зависимость перепада давления на ЗРР от давления нагрузки

 

Из рис. 2, а видно, что зависимость хода золотника хз от давления р2 нагрузки очень жесткая. К примеру, при изменении давления нагрузки в диапазоне р2 = 60...200 кгс/см2 рабочее положение золотника меняется в диа­пазоне хз = 0,05...0,10 мм. Обнаруженная особенность стала причиной поиска и других геометрических решений рабочей кромки зо­лотника, обеспечивающих менее жесткие ха­рактеристики хз (p2).

Представив уравнение, описывающее со­противление дроссельной щели в виде

можно построить рабочие характеристики ЗРР с различными видами зависимости пло­щади дроссельной щели от хода золотника f ( xз ).

На рис. 3 представлены некоторые из рассмотренных вариантов геометрии золот­ника, а на рис. 4 - их рабочие характеристики.

 

Рис. 3. Некоторые варианты геометрии золотника: а - золотник с острой кромкой (№ 1); б - золотник с двумя канавками с углом 45° (№ 2); в - золотник с двумя канавками с углом 30° (№ 3)

 

 

 

Относительно жесткости рабочей харак­теристики наилучшим вариантом из рассмо­тренных является ЗРР с золотником № 3. Одна­ко, несмотря на то что приведенные результаты косвенно подтверждают предположение о не­удачной геометрии золотника как о причине неустойчивой работы ЗРР, этого недостаточно для однозначного определения причины неу­стойчивой работы ЗРР.

Динамическая модель работы ЗРР

Для определения условий, при которых воз­никает неустойчивая работа ЗРР, была со­здана динамическая математическая модель трехлинейного ЗРР, представленная на рис. 5.

 

Рис. 5. Расчетная схема динамической модели трехлинейного ЗРР

 

При разработке динамической математи­ческой модели учитывались следующие фак­торы:

  • сжимаемость рабочей жидкости в подпоршневых полостях золотника, магистрали нагрузки и напорной магистрали;
  • движение рабочей жидкости из подпоршневых полостей, вызванное смещением золотника.

При этом вследствие малости не учиты­вались:

  • гидродинамические силы, действую­щие на золотник;
  • присоединенные массы рабочей жид­кости в подпоршневых полостях золотника;
  • силы трения в золотниковой паре.

Динамическая математическая модель

ЗРР представляет собой систему дифференци­ально-алгебраических уравнений:

где m,  - масса,   ускорение   и  скорость   зо­лотника соответственно;

рп1, рп2 - давление в подпоршневых по­лостях золотника;

 - скорость изменения подпорш- невого давления;

E - объемный модуль упругости рабочей жидкости;

Qп1, Qп2 - объемный расход из подпоршне- вых полостей золотника, вызванный его дви­жением;

V0п1, V0п2 - конструктивный объем под- поршневых полостей;

V - конструктивный объем напорной ма­гистрали;

V2 - конструктивный объем магистралей и исполнительных органов нагрузки;

A1( хз) - сопротивление дроссельной щели в золотниковой паре в зависимости от хода зо­лотника хз (см. уравнение (2));

Bп1, Bп2 - коэффициенты сопротивления линейных демпфирующих дросселей; в ори­гинальной конструкции ЗРР линейный демп­фирующий дроссель Bп2 не предусмотрен, однако в математическую модель он введен для оценки влияния его возможной установки.

Поиск решения системы дифференци­ально-алгебраических уравнений (3) произ­водился последовательным решением диф­ференциальной части методом Рунге - Кутта четвертого порядка и прямым решением алге­браической части.

При проведении испытаний косвенно было определено, что частота колебаний зо­лотника в ЗРР составляет ωQ = 40... 60 Гц. Ко­лебания на этих частотах могут быть связаны колебаниями входного объемного расхода Q, вызванными работой гидронасоса.

По результатам моделирования было установлено, что при воздействии на систему расхода Q = 30 л/мин с частотой ωQ, равной 40, 50 и 60 Гц и амплитудой AQ = 5 л/мин, ЗРР не входит в резонансный режим и колебаний золотника не наблюдается. Результаты моде­лирования для колебаний входного расхода Q с частотой ωQ = 50 Гц приведены на рис. 6.

 

Рис. 6. Результаты моделирования при колебании входного расхода Q = 30 л/мин с частотой ωQ = 50 Гц и амплитудой AQ = 5 л/мин: а - зависимость хода золотника от времени t; б - зависимость расходов через дроссельную щель золотниковой пары Q1 и через дроссель Q2 от времени; в - зависимость расхода Q, подводимого к ЗРР, от времени t

 

Таким образом, моделирование работы ЗРР с использованием построенной динамиче­ской модели не показало неустойчивой работы при колебаниях входного расхода с параметрами, определенными при проведении испыта­ний. При использовании предложенного под­хода поиск значений входного воздействия, приводящих к неустойчивой работе ЗРР, сво­дится к перебору или случайному поиску, по­этому от прямого моделирования работы ЗРР для поиска зон устойчивости в них пришлось отказаться.

Заключение

Результаты определения статических рабочих характеристик и моделирования работы ЗРР при колебаниях входного расхода позволяют утверждать следующее.

  1. При имеющейся геометрии золотни­ка с цилиндрической формой рабочего торца, обеспечивающего дроссельную щель в золот­никовой паре, реализуется очень жесткая ра­бочая характеристика, при которой рабочее положение золотника колеблется в диапазоне 0,05.. .0,10 мм.
  2. Лучшими характеристиками по срав­нению с имеющимися должен обладать золот­ник с двумя канавками, выполненными под углом 45°, что обеспечивает рабочее положение золотника в диапазоне 0,70.1,25 мм.
  3. Построенная динамическая модель не показывает наличие неустойчивой работы ЗРР при колебаниях входного расхода в диапазоне частот 50 Гц.

На основе проведенных исследований была изменена конструкция ЗРР, в частно­сти, введены две канавки на торце золотника, выполненные под углом 45°, усилены демпфирующие свойства демпфера Bп2 и введен демпфер Bп1. Эксперимент показал, что в со­вокупности произведенные доработки обеспе­чили устойчивую работу ЗРР. Однако при этом влияние изменения давления нагрузки р2 на величину регулируемого объемного расхода Q2 заметно возросло, что может свидетель­ствовать о чрезмерном демпфировании.

Приведенные результаты моделирования не позволяют точно определить причину не­устойчивой работы ЗРР. Поиск причин и иссле­дование факторов, влияющих на устойчивость работы ЗРР, а также диапазонов его устойчи­вости предполагается проводить, используя два способа:

  1. уточнение динамической модели ра­боты ЗРР путем введения модели гидроди­намических сил, действующих на золотник и возникающих вследствие истечения рабочей жидкости через дроссельную щель в золотни­ковой паре;
  2. линеаризация, построение амплитуд­но-частотной и фазочастотной характеристик и поиск зон устойчивости предложенной ди­намической модели ЗРР.

Список литературы

1. Арзуманов Э.С. Гидравлические регулирующие органы систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 1985. 256 с.

2. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение, 1971. 672 с.

3. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. М.: Машиностроение, 1976. 424 с.


Об авторах

Б. А. Храмов
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Россия


А. В. Гусев
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Россия


Для цитирования:


Храмов Б.А., Гусев А.В. Исследование условий неустойчивой работы трехлинейного золотникового регулятора расхода. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(3):88-93.

For citation:


Khramov B.A., Gusev A.V. Study of unsteady operating conditions of a three-port spool flow control valve. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(3):88-93. (In Russ.)

Просмотров: 36


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)