Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Исследование условий неустойчивой работы трехлинейного золотникового регулятора расхода

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-88-93

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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-88-93

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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-88-93

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


Рецензия

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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-88-93

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. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2017-3-88-93

Просмотров: 259


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


ISSN 2542-0542 (Print)