Диссертация: Улучшение характеристик регулируемых аксиально-поршневых гидромашин с наклонным диском.

Актуальность темы исследования. Технические характеристики гидромашин объемного действия определяют их широкое применение в современных силовых приводах различного назначения (подъемнотранспортное машиностроение, сельскохозяйственная техника, судостроение, авиация, глубоководная техника, силовые робототехнические системы, следящие приводы и приводы постоянной частоты вращения). Традиционно гидропривод применяется там, где требуется высокое быстродействие, чувствительность, малые габариты и автоматизированное управление. Технические характеристики гидропривода в наибольшей степени зависят от характеристик, используемых в их составе гидромашин. В случае, когда от гидропривода, наряду с ранее указанными качествами, требуются высокая скорость вращения обычно используют аксиальнопоршневые гидромашины (АПГ). Наибольшее распространение в современных регулируемых силовых объемных гидроприводах вращательного действия получили два основных типа АПГ: - аксиально-поршневые гидромашины с наклонным блоком цилиндров (АПГНБ), обладающие широким диапазоном регулирования за счет малых скоростей страгивания и устойчивой работы, - аксиально-поршневые гидромашины с наклонным опорным диском (АПГНД), основным преимуществом которых перед АПГНБ является относительная простота конструкции, и как следствие, низкая себестоимость и перспектива их форсирования по скорости и давлению с целью улучшения массогабаритных характеристик и динамических качеств гидроприводов различного назначения. Актуальность исследований и совершенствования на их базе АПГНД подтверждает интерес к разработкам со стороны отечественных предприятий (ВНИИ «Сигнал») и активизация исследований в этой области зарубежных исследовательских центров. Несмотря на неоспоримое преимущество АПГНД по сравнению с АПГНБ в простоте конструкции, данный тип гидромашин имеет существенный недостаток – более высокий уровень минимальных устойчивых скоростей вращения вала гидромашины и, как следствие, большая зона нечувствительности, что существенно уменьшает диапазон регулирования данных гидромашин и ограничивает их применение в реверсивных приводах и в случаях их работы в режимах перехода из насосного режима в моторный и наоборот. Кроме конструктивных особенностей данного типа машин, ограничивающих угол наклона опорного диска гидромашины, на зону нечувствительности и диапазон регулирования наряду с объёмными потерями оказывают существенное влияние силы трения в кинематических парах. Востребованность использования АПГ, обладающих высокими динамическими качествами, в следящих системах и приводах постоянной частоты вращения делает весьма актуальной задачу проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований с целью создания отечественных регулируемых обратимых АПГНД, обладающих широким диапазоном регулирования.
Степень разработанности темы исследования. Проблемам теоретического и экспериментального исследования АПГНД посвящён ряд работ современных авторов: Круглов В.Ю., Валиков П.И., Мусатов Р.Л., Даршт Я.А., Черняков А.А., Стажков С.М., J.M. Haynes, N. Manring, Yi Sun, J.M.Begrada, J.Ma, Xu, Ye, Zhang, M. Ivantysynova, M. Pelosi, A.A. Darbani, L. Shang, E.Vacca, G.Enevoldsen, F. Li , D. Wang , Q. Lv, G. Haidak, S. Zheng, D.A. Mizell, Q. Pencheng, J. Zengqi, A. Wondergem, T. Zawistowski, M. Kleiber. Исследования АПГ с целью улучшения их технических характеристик можно подразделить на работы, посвященные улучшению вибрационно-шумовых качеств гидромашин, и работы, посвященные исследованию поршневых механизмов с целью снижения объемных и механических потерь. Актуальной является задача снижения сил трения в поршневой паре в режиме граничного трения и уменьшение скорости, при которой в поршневой паре реализуется жидкостный режим трения, что напрямую влияет как на страгивание гидромашины, так и на устойчивую работу на низких скоростях. Уменьшение зоны нечувствительности поршневого механизма и более ранний переход к жидкостному трению позволяют существенно расширить диапазон регулирования АПГНД. В данном случае зона нечувствительности определяется как диапазон рабочего давления (входного воздействия на систему), при котором вал АПГ остаётся неподвижным (выходное воздействие системы остаётся неизменным). Анализ работ в области снижения зоны нечувствительности показал, что предпочтительным вариантом является разработка, представленная в патенте 2031241 РФ, МКП F04B1/20 «Аксиально-поршневая гидромашина». Однако предложенное техническое решение предназначено для нерегулируемой гидромашины, и не может быть использовано в гидромашинах с традиционным способом регулирования путём изменения угла наклона опорного диска. Основной практической задачей данной работы является разработка устройства управления АПГНД с увеличенным диапазоном регулирования и новым принципом регулирования.
Объект исследования: аксиально-поршневая гидромашина с наклонным диском. Предмет исследования: влияние конструктивных особенностей и гидродинамических процессов в зазорах кинематических пар поршневого механизма на величину зоны нечувствительности и диапазон регулирования гидромашины.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка регулируемой обратимой АПГНД с увеличенным диапазоном регулирования. В связи с этим необходимо решить следующие основные задачи: на основе анализа существующих структурных схем АПГНД осуществить выбор конструкции ходовой части гидромашины, обеспечивающий наименьший уровень сил трения в её кинематических парах; на основе конструктивных особенностей выбранной ходовой части АПГНД и её силового анализа выработать рекомендации по определению основных конструктивных параметров поршневого механизма; создать математическую модель гидромеханических процессов в смазочном слое поршневой пары, позволяющую определить скорость относительного движения поршня, при которой происходит переход к жидкостному режиму трения; получить экспериментальное подтверждение уменьшения зоны нечувствительности при использовании модернизированного поршневого механизма в моторном и насосном режимах эксплуатации; предложить техническое решение и разработать конструкцию регулируемой обратимой АПГНД с увеличенным диапазоном регулирования.
Научная новизна работы: - впервые получены модели гидромеханических процессов в поршневой паре АПГНД для прецессионного движения поршня и процессов в поршневой паре модифицированного поршневого механизма АПГНД. Впервые для данных моделей проведен численный эксперимент по определению гидродинамического давления в поршневой паре; - получила дальнейшее развитие модель сил трения в поршневой паре в части различных вариантов приложения реакций со стороны направляющей втулки, а также исследовано влияние конструктивных параметров гидромашины на силы трения в модифицированном поршневом механизме; - впервые получены результаты экспериментальных исследований по увеличению момента силы, создаваемого поршневым механизмом в режиме страгивания при применении модифицированной конструкции поршня; впервые получены результаты экспериментальных исследований по снижению зоны нечувствительности поршневого механизма обратимой гидромашины в режиме страгивания при применении модифицированной конструкции поршня.
Теоретическая и практическая значимость работы. 1. Разработаны рекомендации по выбору параметров модифицированного поршневого механизма АПГНД на основе разработанных математических моделей. 2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований являются подтверждением прогнозируемого снижения величины зоны нечувствительности АПГНД до 70% процентов и увеличения крутящего момента не менее чем на 9,4% при страгивании. Прогнозируемое увеличение диапазона регулирования – не менее 83%. 3. Разработано техническое решение, обеспечивающее регулирование обратимой аксиально-поршневой гидромашины с наклонным диском с уменьшенной зоной нечувствительности, получен патент на изобретение.
Методы исследования. Для решения поставленной научной задачи использованы аналитические методы, методы цифрового моделирования, метод вычислительного эксперимента, метод экспериментального исследования на специализированной установке для исследования поршневых механизмов, методы обработки данных.
Положения, выносимые на защиту: математическая модель гидромеханических процессов в поршневой паре аксиально-поршневых гидромашин с учётом кинематики пространственного движения поршня и вариантов параметров поршневого механизма; система уравнений, позволяющая определить конструктивные параметры, обеспечивающие наибольшее снижение сил трения в поршневой паре при применении модифицированного поршневого механизма; результаты экспериментальных исследований поршневых механизмов в моторном и насосном режимах; техническое решение, обеспечивающее регулирование исследуемой АПГНД.
Степень достоверности результатов работы. Степень достоверности научных результатов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается использованием общепринятых теоретических методов, методов проведения численного моделирования гидромеханических процессов, а также проведением экспериментальных исследований на специализированной экспериментальной установке по исследованию гидромеханических процессов в поршневой паре; обобщением и сравнением результатов экспериментальных и теоретических исследований; проверкой применяемых методов задачами, решёнными другими исследователями; апробацией основных положений работы в научных публикациях и на научно-технических конференциях.
Апробация работы. Основные положения данной работы докладывались и обсуждались: – II Научно-Техническая «Математическое моделирование, инженерные расчеты и программное обеспечение для решения задач ВКО», 2017; – 31st International DAAAM Virtual Symposium ''Intelligent Manufacturing & Automation'' 21-24 октября 2020, Мостар, Босния и Герцеговина; – 15th International Conference On Industrial Manufacturing And Metallurgy, ICIMM 2020, Нижний Тагил, 18-19 июня 2020 г.
Публикации. Опубликовано 14 статей в 7 сборниках, в том числе 2 в перечне ВАК РФ, 5 статей в сборниках SCOPUS. Получен патент на изобретение «Регулируемая аксиально-поршневая гидромашина» (RU 2 697 907 С2).