Сумський державний університет

Павлюченко Владислав Олексійович

УДК 622.-522-525:621.22

УДОСКОНАЛЮВАННЯ ДИНАМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТРУМИННО-МЕМБРАННИХ МАКРОКЛАПАНІВ

05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Суми - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному

університеті (СНУ), кафедра “Гідрогазодинаміка“

міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Сьомін

Дмитро Олександрович, Східноукраїнський

національний університет, кафедра

“Гідрогазодинаміка”, доцент.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Фінкельштейн

Зельман Лазоревич, Донбаський гірничо-

металургійний інститут, кафедра “Гірнича

енергомеханіка та обладнання”, професор.

кандидат технічних наук, доцент Андренко

Павло Миколайович, Національний технічний

університет України “Харківський політехніч-

ний інститут”, кафедра “Гідропневмоавтома-

тика та гідропривід”, доцент.

Провідна установа: Інститут проблем машинобудування

ім. А.М. Підгорного НАН України,

відділ аерогідромеханіки, м. Харків.

Захист відбудеться “23” жовтня 2001 р. о 1000 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 при Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Р. - Корсакова, 2, СумДУ.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Сумського державного університету за адресою: 40007, м. Суми, вул. Р.-Корсакова, 2.

Автореферат розісланий: “ 19 ” вересня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Савченко Є. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Рішення найважливіших проблем, що стоять перед промисловістю України, тісно пов'язано з питаннями удосконалювання пристроїв та систем, у яких робочими середовищами є рідини й гази. Перед усім, це стосується вугільної, хімічної галузей, транспорту, сільського господарства та ін. Тут управління потоками текучих середовищ складає одну з основних задач багатьох технологічних процесів.

У сучасних системах управляючий сигнал виробляють, в основному, мікропроцесори чи ЕОМ, у кінцевих же каскадах, представлених виконавчими пристроями, широко використовуються гідравлічні й пневматичні засоби, що виконують функції приводів і робочих органів.

Зростання складності й різноманітності задач управління потоками текучих середовищ призводить до того, що вони не завжди можуть бути успішно вирішені традиційними виконавчими пристроями й таким чином створюються передумови до їхнього розвитку й удосконалювання. Основними напрямками при цьому є підвищення їх надійності й довговічності, швидкодії, спрощення конструкції та ін.

Особливу гостроту має проблема надійності й довговічності засобів управління потоками, що функціонують при сукупності таких несприятливих факторів як підвищена запиленість, вологість, хімічна агресивність і наявність абразивів у робочих та навколишньому середовищах, вплив вібрації, температури і т.п. У таких екстремальних умовах процеси зносу контактуючих пар багаторазово інтенсифікуються. Разом із тим, методи удосконалювання механічних пристроїв майже вичерпано.

Використання елементів струминної техніки як виконавчих пристроїв, є одним із напрямків удосконалювання засобів управління потоками суцільних середовищ. Відсутність рухливих механічних частин у струминних елементах робить їх нечутливими до перерахованих несприятливих факторів, крім цього, при великих розмірах прохідних перетинів - до забруднення й вологості робочого середовища. Як показує аналіз, з усього числа відомих струминних елементів, найбільше підходять для цього вихрові клапани. Разом із тим, їх використання в сучасних системах управління неможливе без створення для них спеціальних пристроїв сполучення, оскільки промислові технічні засоби, що випускаються, за своїми характеристиками, у своїй більшості, для цього непридатні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційна робота є частиною наукової програми Східноукраїнського національного університету, зокрема кафедри гідрогазодинаміки, спрямованої на розробку системи елементів струминної макротехніки (СЕСМТ). Приведені в дисертації результати з'явилися складовою частиною НДР, державний реєстраційний №0194U035003, при виконанні якої здобувачем розроблялася тематика мембранних пристроїв сполучення й особисто написаний відповідний (третій) розділ звіту №0297У006117.

Мета й задачі дослідження. Метою дослідження є розробка науково обґрунтованих методик розрахунку струминно-мембранних клапанів із високими динамічними властивостями та практична реалізація пристроїв.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані і вирішені такі основні задачі:

- розробка математичних моделей динамічних процесів, що мають місце у струминно-мембранному клапані і складових його елементах – вихровому та одномембранному клапанах і пневматичному каналі управління;

- реалізація розроблених математичних моделей на ЕОМ та проведення попередніх розрахунків із метою визначення факторів, найбільш впливових на швидкодію кожного з елементів;

- експериментальні дослідження статичних і динамічних характеристик елементів струминно-мембранного клапана й перевірка адекватності математичних моделей та їхнє коригування з урахуванням даних експериментів;

- проведення чисельного експерименту на математичних моделях із метою встановлення закономірностей впливу основних факторів на динамічні характеристики елементів пристрою і визначення їх оптимальних співвідношень для заданої швидкодії;

- розробка інженерної методики розрахунку елементів і струминно-мембранного клапана в цілому;

- виготовлення струминно-мембранних клапанів із заданою швидкодією й оптимізованими розмірами проточних частин, їх іспити й перевірка адекватності апроксимаційної математичної моделі пристрою;

- розробка і практична реалізація систем із застосуванням удосконалених струминно-мембранних макроклапанів.

Об'єктом досліджень є нестаціонарні гідромеханічні процеси, що мають місце у гідропневмоагрегатах на перехідних режимах.

Предметом дослідження – робочі процеси в струминно-мембранному клапані при його відкритті й закритті.

Методи дослідження. У роботі використані методи математичного й фізичного моделювання робочих процесів, що протікають у струминно-мембранному клапані та його елементах. Математичні моделі представлені нелінійними диференціальними рівняннями в повних і часткових похідних, що розв’язувалися чисельними методами. Їх адекватність установлювалася на основі порівняння результатів чисельного й експериментального дослідження пристроїв із використанням методів планування експерименту, теорії ймовірностей і математичної статистики. На основі отриманих функцій відгуку виконувалась оптимізація досліджуваних пристроїв.

Вірогідність наукових припущень, положень, висновків і рекомендацій обумовлена використанням фундаментальних законів механіки рідини й газу, при здебільше доброму збігу результатів теоретичних і експериментальних досліджень, отриманих у лабораторних і промислових умовах, а також успішною експлуатацією систем із розробленими пристроями.

Наукова новизна отриманих результатів.

- одержали подальший розвиток і поглиблення аналізу математичні моделі як складових елементів струминно-мембранного клапана, так і всього пристрою в цілому. Так, математична модель одномембранного клапана типу “сопло-заслінка” складена з урахуванням особливостей протікання процесів, зумовлених різними схемами підведення живлення, використанням в тракті випуску щілинного дифузора, ефекту ежекції з надмембранної камери та гальмуванням мембрани наприкінці ходу. Розширено межі апроксимаційної математичної моделі вихрового клапана завдяки експериментально встановленим значенням часу запізнювання і постійної часу передатної функції при його роботі на двофазному середовищі “вода-повітря”. У математичній моделі пневматичного каналу управління враховано додаткову нелінійність, що обумовлена турбулентним дроселем на вході в пневматичну лінію;

- установлено, що при заданому тиску найсуттєвіше на швидкодію мембранного клапана впливають співвідношення між ефективними площами трактів наповнення й спорожнювання надмембранної камери та ефективною площею мембрани, складені у виді безрозмірних комплексів. При застосуванні гальмування вони доповнюються ще двома відносними параметрами - довжиною шляху гальмування й ефективною площею гальмової щілини;

- за результатами чисельних експериментів на адекватних математичних моделях установлена наявність екстремумів (мінімумів) що до сумарного часу відкриття й закриття мембранного клапана. Положення екстремумів визначено практично лінійною залежністю між попередньо зазначеними комплексами;

- установлено існування двох характерних зон роботи пневматичного каналу управління - максимальної швидкодії при сталій амплітуді стрибка вхідного сигналу і рівної швидкодії незалежно від тиску. Установлено що при збільшенні амплітуди вхідного стрибка ці зони зближуються;

- установлено аперіодичний характер процесів відкриття й закриття вихрового клапана для краплинної робочої й газоподібної управляючої рідини, визначено час їх протікання, який значно більше ніж для однофазних рідин;

- на основі результатів досліджень складових елементів отримана динамічна модель струминно-мембранного клапана, у вигляді передатної функції підсилювача першого порядку із запізнюванням.

Практичне значення отриманих результатів. 

- розроблена методика інженерного розрахунку струминно-мембранних клапанів, що дозволяє оптимізувати їх динамічні властивості;

- розроблені практичні рекомендації що до вибору геометричних розмірів проточних частин одномембранного клапана типу “сопло-заслінка” і пневматичного каналу управління, що забезпечують максимальну швидкодію пристрою;

- розроблені й захищені авторськими свідченнями пристрої, що дозволяють наблизитися до граничної швидкодії дискретних пневматичних каналів управління. Застосування цих пристроїв спільно зі струминно-мембранними клапанами у системах аварійного виключення технологічного устаткування підвищує безпеку експлуатації, а у системах дозування - точність процесу;

- реалізація запропонованих технічних рішень дозволила підвищити швидкодію мембранного клапана майже вдвічі у порівнянні із базовими варіантами, а швидкодію струминно-мембранного клапана наблизити до параметрів вихрового клапана;

- на основі розробленої методики розраховані й виготовлені дослідно-промислові зразки струминно-мембранних клапанів як гідропневмоагрегатів для систем високого тиску - в одній конструкції, а для систем низького й середнього тиску – на елементному рівні;

- установлено кількісний взаємозв'язок між помилкою дозування рідини за монжусним принципом та параметрами системи без застосування струминно-мембранних клапанів та з ними. Доведено, що при цьому точність дозування підвищується майже на два порядки.

Результати досліджень упроваджені на Луганському об'єднанні "ЛУТРИ" у складі комплексу "ХІМСТАНЦІЯ", а також у складі струминно-вихрового пневмоприводу відсаджувальних машин для збагачення вугілля на ЦЗФ “Колосниківська” ДХК “Укрвугілляресурссервіс”, м. Макіївка. Математичні моделі СМК і його елементів і методика їх розрахунку використовується в учбовому процесі за спеціальністю “Гідравлічні й пневматичні машини” у Східноукраїнському національному університеті. Акти впровадження результатів і висновків дисертаційної роботи додаються.

Програма дискретної оптимізації ПАДЕ-апроксиманти багатофакторної залежності зареєстрована в Державному фонді алгоритмів і програм.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові й практичні результати отримані здобувачем самостійно. У роботах [3,5,14,15,16] здобувачу належить розробка математичних моделей і аналіз їхніх рішень, формулювання висновків і рекомендацій. В експериментальних роботах [1,4] – розробка методики проведення дослідів і обробка їхніх результатів, участь у дослідах і узагальненні результатів. У роботі [2] здобувачем обґрунтована застосовність мембранних елементів у якості пристроїв сполучення струминної макротехніки із сучасними системами управління. У роботі [13] – концепція побудови пневмоелектронного комплексу, алгоритм здійснення процесу дозування й програма його реалізації, технічні рішення, що підвищують точність дозування, в тому числі за рахунок поліпшення динамічних властивостей струминно-мембранних макроклапанів. В авторських свідченнях [7-9] і позитивному рішенні на винахід [10] внесок здобувача визначений у встановленому порядку. У роботі [11] здобувачем розроблений алгоритм програми.

Апробація результатів дисертації. Основні результати й положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на Х Міжнародній конференції "Яблонна-86", (м. Москва, 1986 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Гідромеханіка, гідравлічні машини й гідропневмоавтоматика” (м. Москва, МДТУ ім. Баумана, 1994 р.), Другій Українській конференції з автоматичного управління "АВТОМАТИКА-95" (м. Львів, 1995 р.), науково-технічних конференціях “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ у 2000 р. і м. Харків у 2001 р.), науково-технічних конференціях і семінарах професорсько-викладацького складу Східноукраїнського національного університету (м. Луганськ, 1994 - 2000 р.), Національного технічного університету України “КПІ” (м. Київ, 2000 р.) та Сумського державного університету (м. Суми, 2000 р.), VI Міжнародній науково-практичній конференції “Університет і регіон” (м. Луганськ, 2000 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 16 друкованих робіт, із них - одна депонована робота , три авторські свідчення й одне позитивне рішення на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох основних розділів, висновків, списку використаних джерел й додатків. Загальний обсяг дисертації 146 сторінок, 5 рисунків на 5 сторінках, 4 додатка на 19 сторінках, список використаних джерел з 119 найменувань на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульована проблема, що стосується розвитку та удосконалювання пристроїв управління потоками рідин та газів, визначена наукова задача дослідження, напрямки її вирішення, обґрунтована актуальність проведених досліджень, наведені кваліфікаційні ознаки дисертації.

У першому розділі проводиться аналітичний огляд літератури з досліджуваних в дисертації питань. Відмічено, що розвиненні в роботі напрямки започатковані у працях Андренка П.М., Бочарова В.П., Герц О.В., Градецького В.Г., Дмітрієва В.М., Залманзона Л.А., Запорожця В.П., Лебедева І.В., Попова Д.М., Струтинського В.Б., Славотинського М.В., Сьоміна Д.О., Федорця В.О., Фінкельштейна З.Л., Brombach H., King C.F., Wormley D.N., та ін. На цій основі в дисертації розглядаються функціональні схеми механічних і струминних виконавчих пристроїв, аналізуються можливості використання відомих струминних елементів для управління потужними (десятки кіловатів) потоками рідин і газів. Відзначається, що управління основним потоком можна здійснювати різними газами й рідинами в широких межах зміни їхнього тиску, температури й в'язкості. При цьому динамічні якості струминних елементів вище, ніж у механічних пристроїв аналогічного призначення. І що дуже важливо - вони поєднують у собі одразу три функції – підсилювача, виконавчого механізму й робочого органа. Як вже було наголошено, найбільше для цього підходять за своїми можливостями вихрові клапани.

Проводиться також оцінка основних характеристик і параметрів пристроїв сполучення струминної макротехніки із сучасними системами управління. Визначаються функціональні, конструктивні й економічні вимоги, яким повинні задовольняти пристрої сполучення, такі як висока надійність, близька до надійності струминних елементів, на порядок більша швидкодія, можливість управління від сигналів різної фізичної природи, мінімальна потужність вхідного сигналу, низький гідравлічний опір, високі значення коефіцієнтів підсилювання за витратою та тиском, простота конструкції та ін. Робиться висновок про те, що найкраще їм відповідають елементи мембранної техніки типу "сопло-заслінка", що перевищують за показниками надійності і швидкодії золотникові елементи, але поступаються струминним. Однак, можливість одержання в одному каскаді практично необмежених коефіцієнтів підсилювання за витратою, висока ремонтопридатність і низька вартість ремонту визначає вибір на їхню користь.

Таким чином, вихровий та одномембранний клапани поєднують у сукупності властивості необхідні для створення агрегату для управління потоками рідин та газів, який названо струминно-мембранним клапаном (СМК). Разом із пристроєм управління вони створюють конструкцію за схемою рис.1, обрану для дослідження.

Рис.1. Принципова схема струминно-мембранного клапана.

З огляду літератури аналізуються відомі мембранні пристрої сполучення, їхні характеристики та математичні моделі. Обґрунтовується необхідність спрощення конструкцій, поглиблення аналізу математичних моделей для оцінки динамічних властивостей і розробки інженерної методики розрахунку вдосконалених мембранних клапанів типу “сопло-заслінка”. Формулюється мета й задачі дослідження, обираються методи вирішення.

У другому розділі дослідження спрямовані на оптимізацію динамічних якостей кожного з пристроїв, що складають СМК та, в кінцевому рахунку, розробку його інженерної динамічної моделі.

У якості базової динамічної моделі вихрового клапана взято отриману у попередніх дослідженнях передатну функцію у виді

,

у якому співвідношення між лапласовими зображеннями витрати через вихровий клапан та вхідного параметру (тиск, витрата в управляючому соплі або його площа) зазначеним образом залежать від його коефіцієнта передачі, часу транспортного запізнювання , постійної часу . В даній роботі ці параметри знайдені експериментальним шляхом для випадку роботи клапану на краплинному робочому та газоподібному управляючому середовищі.

Дослідження динамічних властивостей п'яти модифікацій одномембранного клапана типу “сопло-заслінка” проведені на адекватних математичних моделях. Конструкції розглядалися з одно- й двосідловими сервоклапанами, з пружиною повернення й підведенням живлення в соплову камеру, потім - через основне сопло (дозволяє вилучити з конструкції пружину) й, нарешті, клапан з ежекційним і гальмовим пристроями й щілинним дифузором у тракті випуску (рис. 2).

Розроблена математична модель клапана представляє систему звичайних нелінійних диференціальних рівнянь у безрозмірних величинах, із коефіцієнтами у виді комплексів, складених із геометричних і гідродинамічних параметрів, що визначають їхній взаємозв'язок і вплив на динамічні характеристики клапана. При складанні моделі використані рівняння динамічної рівноваги мембрани, нерозривності для нестаціонарного руху, витрат і швидкостей при до- й надкритичній течії у проточних частинах пристрою, з урахуванням ефектів ежекції й гальмування, а також особливостей конструкції. У рівняння руху мембрани введені аеродинамічні сили, що діють на неї при переміщенні.

Система рівнянь, що описує динамічні процеси при відкритті й закритті одномембранного клапана, наведена на найближчій сторінці.

Модель реалізована в середовищі пакету "MATLAB" із використанням підпрограм чисельного інтегрування.

Результати розрахунків зміни безрозмірних параметрів (ходу і швидкості мембрани , тиску в надмембранній і сопловій камерах) у процесі відкриття й закриття одномембранного клапана представлені на рис. 3. Для порівняння тут наведені відповідні криві процесів без гальмування та з ним. З першого та другого графіків очевидна ефективність застосування гальмового пристрою, завдяки якому швидкість мембрани наприкінці ходу знижується майже в 5-7 разів. Третій графік показує, що гальмування супроводжується різким зростанням тиску в надмембранній камері, що призводить до зростання сили опору. З четвертого графіка видно, що гальмовий пристрій практично не змінює час формування вихідного сигналу у вигляді тиску , який практично тотожній часу без гальмування. Порівняння розрахункових кривих з осцилограмами переміщення мембрани й тиску дало задовільний збіг за критерієм Фішера, що дозволило більшість досліджень проводити на математичній моделі.

Геометричні параметри гальмового пристрою були обрані на підставі результатів дослідження їх впливу на швидкість мембрани наприкінці ходу та на час відкриття клапана. Результати розрахунків наведені на рис. 4, з якого добре видно, що найкращими значеннями шляху гальмування є НТ=0,05 з площею гальмової щілини = 0,3. За таких параметрів майже не змінюється час перехідного процесу, а швидкість мембрани найменша й істотно не залежить від шляху гальмування. Вони рекомендовані для інженерного розрахунку розмірів гальмового пристрою.

При застосуванні сервоклапана з одним сідлом, як найбільш простої та надійної конструкції, надмембранна камера стає проточною і вплив параметрів на час її спорожнення стає складним та неоднозначним. Це відбивається також і на сумарному часі відкриття й закриття мембранного клапана. Попередній аналіз факторів, від яких найбільш суттєво залежить швидкодія клапана, дозволив встановити, що основними з них при заданому рівні

Рис. 3. Характерні перехідні процеси при відкритті й закритті

одномембранного клапану типу “сопло-заслінка”:

1 - без гальмування; 2 – із гальмуванням.

тиску є співвідношення ефективних площ трактів наповнення й спорожнення надмембранної камери між собою та з ефективною площею мембрани або .

Одержане рівняння регресії має вигляд:

,

а його геометрична інтерпретація зображена на рис. 5.

Коефіцієнти Ао-А5 знайдені для кожної модифікації клапану. Дослідження на екстремум дає ще одне рівняння, яке встановлює зв’язок, що забезпечує найменший сумарний час:

.

Коефіцієнти В складені з відповідних сполучень коефіцієнтів А.

Користуючись отриманими залежностями, знайдено постійні часу T21 й Т22 апроксимуючої передатної функції одномембранного клапана типу “сопло-заслінка”, яка має вигляд:

.

Для одержання передатної функції СМК сумісно з управляючим пристроєм, у вигляді пневматичного каналу управління (ПКУ), були розглянуті і його динамічні властивості. Його принципова схема складається з одномембранних “джерела” й “приймача” сигналу, з'єднаних пневматичною лінією.

Для опису процесу передачі тиску фізична модель каналу управління представлена у вигляді пневматичної тупикової лінії з турбулентним дроселем на вході. Згідно з цим, математична модель ПКУ отримана на основі рівнянь одномірного руху реального газу, рівнянь нерозривності з обліком пружності матеріалу стінки і термодинамічного стану газу. У якості граничної умови на вході в лінію використане рівняння квазістаціонарного турбулентного витікання газу через дросель. Термодинамічна температура і кінематична в'язкість газу прийняті постійними.

Для чисельного рішення системи рівнянь був використаний метод кінцевих різниць для часткових похідних, що дозволяє привести систему до звичайних диференціальних рівнянь. Для реалізації отриманої моделі була розроблена програма рішення рівнянь за методом Рунге-Кутта із критерієм Мерсона.

Отримані результати чисельного експерименту дозволили установити вид і значення постійної часу в апроксимуючій математичній моделі пневматичної лінії управління із дроселем на вході, що представляє собою передатну функцію підсилювача першого порядку. А весь ПКУ буде представляти собою ланку запізнювання зі значенням часу запізнювання рівному часу перехідного процесу в розглянутій пневматичній лінії. Відзначимо, що час запізнювання в ПКУ значно перевищує аналогічну величину в моделях вихрового й одномембранного клапанів.

Якщо прийняти до уваги те, що динамічні властивості мембранного клапану повинні бути на порядок кращими ніж у вихрового клапана, то з урахуванням отриманих залежностей, апроксимаційна модель струминно-мембранного клапану із ПКУ буде мати вигляд:

.

Таким чином передатну функцію струминно-мембранного клапану визначають коефіцієнт передачі пристрою в цілому, час транспортного запізнювання каналу управління і постійна часу вихрового клапана .

У третьому розділі приведений опис фізичних моделей досліджених пристроїв, експериментальних установок, приладів і апаратури, викладена методика проведення й обробки результатів експериментів, погрішності та самі результати. Усі фізичні моделі – вихрового та мембранного клапанів, пристроїв управління мали натуральні розміри, що не потребувало проведення перерахунків експериментально встановлених гідродинамічних параметрів з моделі на натуру.

Для стаціонарних вимірювань тиску, витрати, температури, переміщень використовувались стандартні прилади. Запис нестаціонарного тиску проводився за допомогою індуктивних диференціальних датчиків типу ДМІ, підсилювача сигналу типу 4ТУ-В6ТД і світло-променевого осцилографа Н-115. Переміщення в динаміці вимірювались потенціометричним засобом. Експерименти проводились у лабораторіях на спеціально створених установках та на діючих досліджуваних пристроях у промислових умовах.

Метою експериментальних досліджень було, по-перше, встановлення значень коефіцієнтів витрати проточних частин елементів СМК, які використовувались у математичних моделях. По-друге, встановлення адекватності цих моделей дійсним динамічним процесам. І по-третє, встановлення характеру та часу протікання процесів відкриття та закриття вихрового клапану при його роботі на двофазному середовищі “вода-повітря”.

Так за допомогою відеозапису цих процесів у вихровій камері та на виході з неї, з фіксуванням на зображеннях часу їх протікання була вирішена третя задача. Характерні фрагменти картини показані на рис. 6.

Рис. 6. Фрагменти гідродинамічних процесів у вихровому клапані.

Обробка даних відеозапису за допомогою ЕОМ дозволила встановити, що час відкриття у порівнянні з повітряним робочим середовищем збільшується приблизно у 80 разів.

Експериментальні дослідження перехідних процесів в одномембранному клапані, ПКУ та СМК в цілому, показали, що розрахунки, проведені на математичних моделях, досить правильно відбивають характери перехідних процесів, а задовільний збіг розрахункових і експериментальних даних за крітерієм Фішера підтверджує адекватність моделей й можливість заміни натурного експерименту розрахунками на ЕОМ, що вирішило другу задачу.

Експериментально було підтверджене існування локальних мінімумів часу передачі сигналів. Підтвердився й факт існування діаметра лінії управління, при якому час передачі сигналів не залежить від їхньої амплітуди, названого діаметром лінії рівної швидкодії.

Характер взаємозв’язку між часом перехідного процесу і визначальними його факторами досить складний і неоднозначний. Так, поверхня відгуку, що побудована за даними випробувань, при довжині лінії l=10 м і =0,4 мм має вид, що представлений на рис. 7.

Експерименти у промислових умовах зводилися до осцілографування основних параметрів робочих процесів, за результатами яких встановлювалася адекватність математичних моделей систем із застосуванням стру-минно-мембранних макро-клапа-нів для подальшого аналізу та знаходженню найкращих режимів експлуатації.

При вирішенні першої за-дачі були експериментально знай-дені коефіцієнти витрати дроселів =0,630,005 , “сопла - заслінки” (у залежності від зазору між мембраною та соплом), які необхідні для проведення роз-рахунків на математичних моде-лях пристроїв.

У четвертому розділі проведено дослідження промислових систем, у яких знайшли своє практичне застосування дисертаційні розробки. Результати математичного моделювання та іспитів системи дозування розчинів хімікатів у складі пневмоелектронного комплекса "Хімстанція", на трикотажній фабриці "ЛУТРИ" м. Луганськ, показало, що використання струминно-мембранних клапанів, дозволяє істотним образом – практично на два порядки, підвищити точність дозування. При цьому в системі не відбувається гідравлічних ударів, що неминуче виникають у випадку застосування механічних запірних пристроїв. Використання одномембранних клапанів з удосконаленими динамічними характеристиками в приводі відсаджувальних машин для збагачення вугілля на ЦЗФ “Колосниківська” ДХК “Укрвугілляресурссервіс” м. Макіївка дозволило знизити кількість споживаного повітря, поліпшити показники якості відсаджування та умови праці завдяки зниження шуму.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведені результати теоретичного узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає в удосконалюванні динамічних властивостей струминно-мембранних клапанів – принципово нових пристроїв управління потужними потоками рідин і газів, які базуються на струминних виконавчих механізмах без рухливих частин. На основі системного підходу, з використанням математичного і фізичного моделювання встановлені закономірності гідро- і аеродинамічних процесів, що відбуваються в елементах і пристрої в цілому, визначені фактори, від яких залежить його швидкодія й інші показники якості. На цій основі розроблена методика розрахунку дослідженого СМК з оптимальними динамічними властивостями. Розраховані з її використанням пристрої застосовані в системі дозування розчинів хімікатів і в складі струминно-вихрового приводу відсаджувальних машин для збагачення вугілля та руд.

1. Одержали подальший розвиток і поглиблення аналізу математичні моделі як складових елементів струминно-мембранного клапана, так і всього пристрою в цілому. Так, математична модель одномембранного клапана типу “сопло-заслінка” складена з урахуванням особливостей протікання процесів, зумовлених різними схемами підведення живлення, використанням в тракті випуску щілинного дифузора, ефекту ежекції з надмембранної камери та гальмуванням мембрани наприкінці ходу.

2. Установлено структуру комплексів, що визначають швидкодію мембранного клапана, складених у виді співвідношень між ефективними площами трактів наповнення і спорожнювання надмембранної камери , а також їх співвідношення до ефективної площі мембрани -, або Крім того, вони доповнені ще двома відносними параметрами - довжиною шляху гальмування й ефективною площею гальмової щілини , співвідношення між якими визначають безударне переміщення мембрани без зміни часу перехідного процесу. При сталості цих комплексів швидкодія клапана не залежить від його абсолютних геометричних розмірів.

3. За результатами чисельних експериментів на математичних моделях установлена наявність екстремумів (мінімумів) з сумарного часу відкриття й закриття для мембранного клапана з односідельним сервоклапаном. Положення екстремумів визначено співвідношеннями зазначених комплексів. Для всіх досліджених модифікацій клапана встановлені апроксимуючі залежності, що дозволяють розраховувати час перехідних процесів як в окремості – відкриття і закриття, так і його сумарне значення. Встановлено також, що підведення живлення через сопло дозволяє зменшити час закриття клапана майже в два рази у порівнянні зі схемою підведення в соплову камеру.

4. На математичній моделі пневматичного каналу управління з додатковою нелінійністю, обумовленою турбулентним дроселем на вході в пневматичну лінію, встановлено існування двох характерних зон його роботи -максимальної швидкодії при визначеній амплітуді стрибка вхідного сигналу і рівної швидкодії, незалежно від стрибка тиску. Показано, що при збільшенні амплітуди вхідного стрибка ці зони зближуються.

5. При роботі вихрового клапана на краплинній робочій та газоподібній управляючій рідини експериментальним шляхом встановлено аперіодичний характер процесів відкриття і закриття, час їх протікання і тиск закриття. Значення цих параметрів істотно перевищують аналогічні при роботі на повітряному середовищі. Так, час відкриття клапана зростає приблизно в 80 разів, а тиск запирання збільшується майже у 4 рази. На цій основі одержали подальший розвиток апроксимаційні математичні моделі струминно-мембранних клапанів, у яких враховуються й особливості їхньої роботи на досліджених різнорідних середовищах.

6. Розроблена інженерна методика розрахунку статичних і динамічних характеристик струминно-мембранного елемента дозволила спроектувати й виготовити дослідно-промислові зразки, що впроваджені в промислових системах дозування рідин і в складі струминно-вихрового пневматичного приводу відсаджувальних машин для збагачення вугілля й руд.

7. Встановлено кількісний взаємозв'язок між погрішністю дозування хімічних розчинів і параметрами системи, що побудована за монжусним принципом. При цьому завдяки застосуванню струминно-мембранних клапанів істотним образом, майже на два порядки, підвищена точність дозування. До того ж вони запобігають уникненню у системі гідравлічних ударів, що неминуче виникають у випадку застосування механічних запірних пристроїв. Використання одномембранних клапанів з удосконаленими динамічними характеристиками в приводі відсаджувальних машин дозволило знизити кількість споживаного повітря, поліпшити показники якості відсаджування та умови праці.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сёмин Д.А., Павлюченко B.A., Войцеховский С.В. Вихревые клапаны с электропневматическим управлением // Транспортное машиностроение. Республ. межведомств. сб. – Киев. - 1995. - С. 195-200.

2. Сёмин Д.А., Павлюченко В.А., Мальцев Я.И. Устройства сопряжения струминной макротехники с современными системами управления // Вестник НТУУ "КПИ". Машиностроение. Том 1. Вып.38. – Киев. - 2000. - С. 216-220.

3. Сёмин Д.А., Павлюченко В.А., Мальцев Я.И. Влияние динамических свойств системы на точность дозирования жидкости монжусом // Вісник СНУ. - Луганськ. - 2000. - №10 (32) - С. 21-28.

4. Сёмин Д.А., Павлюченко В.А., Мальцев Я.И., Роговой А.С. Исследование динамических свойств вихревого клапана на рабочих средах "вода-воздух" // Вісник СНУ. - Луганськ. - 2000. - №11 (33). - С. 85-90.

5. Сёмин Д.А., Павлюченко В.А., Мальцев Я.И. Совершенствование динамических свойств одномембранных клапанов типа “сопло – заслонка” // Вісник СНУ. - Луганськ. – 2000. - №12 (34). – С. 141-150.

6. Павлюченко В.А. Исследование динамики пневматических каналов связи // Вісник СНУ. - Луганськ. – 2001. - №6 (40). – С. 155-161.

7. Пневмопривод отсадочной машины: А.с. 1077630 CCCР, МКИ B 03 B 1/00 / В.И.Сулига, Д.А.Семин, А.В.Вялых, В.А.Павлюченко (СССР). - №3544913/22-03; Заявлено 21.01.83; Опубл. 07.03.84, Бюл. №9. – 4 с.

8. Пневматическое устройство для ускорения передачи дискретных сигналов: А.с. 1126994 CCCР, МКИ G 08 С 23/00 / В.А. Павлюченко, Ю.Н. Потепалов (СССР). - №3627728/24-24. Заявлено 26.07.83; Опубл. 30.11.84, Бюл. №44. – 6 с.

9. Пневматическое устройство для ускорения передачи дискретных сигналов: А.с. 1432585 CCCР, МКИ G 08 С 23/00 / В.А. Павлюченко, Ю.Н. Потепалов (СССР). - №4155228/24-24. Заявлено 03.12.86; Опубл. 23.10.88, Бюл. №39. – 3 с.

10. Пристрiй управлiння потоками сипких середовищ: Позитивне рішення на видачу патенту України на винахід №2001010092 МПК 7 B65G53/00, F15C1/14 / Д.О. Сьомін, В.О. Павлюченко, Я.І. Мальцев, А.С. Роговой (Україна). Заявлено 03.01.2001.

11. Соколов В.И., Павлюченко В.А., Марголин В.Ю. Дискретная оптимизация ПАДЕ-аппроксиманты многофакторной зависимости // Алгоритмы и программы. Бюл.11.-М.:ВНТИЦентр, ЦИФ ГосФАП. - 1989. – С. 5.

12. Павлюченко В.А. Достижение предельного быстродействия каналов связи пневматических АСУ // Х Международная конференция "Яблонна-86". – Ч. 2. - М.: Наука, 1986. – С. 134.

13. Павлюченко В.А., Семин Д.А., Зевелев Э.М. Пневмоэлектронный комплекс автоматического дозирования и транспортировки жидкостей // Проектирование, производство и эксплуатация систем гидропневмопривода, гидропневмоавтоматики и гидромашин и их компонентов. II научно-тех-ническая конференция Ассоциации специалистов промышленной гидравлики и пневматики. - Киев: Общество “Знание” Украины, 1992. - С. 28-29.

14. Syomin D.A., Koval V.J., Pavlutchenko V.A., Voytsehovsky S.V. Design and analysis of dynamics of 1-membraine tie-in devices off "nozzle-flapper" type for power fluidics // Proc. of conf. "Hyromechanics, hydraulic machines, actuators and hydropneumoautomatics". – Moscow: MSTU. – 1994. - p. 72.

15. Сёмин Д.А., Войцеховский С.В., Павлюченко B.A., Бугаенко В.В. Оптимизация динамических характеристик одномембранных пневма-тических усилителей // II Украiнська конференцiя з автоматичного управління "АВТОМАТИКА-95". - Львiв. - 1995. – С. 74.

16. Сёмин Д.А., Павлюченко В.А., Мальцев Я.И. Исследование влияния динамических свойств системы на точность дозирования жидкости монжусом // Збірник наукових праць Східноукраїнського національного університету. VI Міжнародна науково-практична конференція “Університет і регіон”. – Луганськ: Вид-во СНУ. – 2000. - С. 173.

АНОТАЦІЯ

Павлюченко В.О. “Удосконалювання динамічних властивостей струминно-мембранних макроклапанів” - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.17 – гідравлічні машини і гідропневмоагрегати. – Сумський державний університет, Суми, 2001 р.

На основі системного підходу, з метою удосконалення динамічних властивостей, проведені дослідження виконавчих пристроїв у вигляді струминно-мембранних клапанів, що складаються з вихрового й одномембранного клапанів, призначених для управління потужними потоками рідин і газів.

На розроблених адекватних математичних моделях визначені динамічні характеристики кожного з цих елементів і всього агрегату в цілому у взаємодії з пристроями управління. За результатами чисельного та натурного експериментів розроблена методика розрахунку оптимальних параметрів пристроїв, що забезпечують необхідну швидкодію. Експериментальним шляхом отримані характеристики вихрового клапана на двофазних середовищах “вода – повітря”. Струминно-мембранні клапани з удосконаленими динамічними властивостями застосовані в системі дозування розчинів хімікатів і в складі струминно-вихрового приводу відсаджувальних машин для збагачення вугілля та руд.

Ключові слова: струминна техніка, вихровий та мембранний клапани, математична модель, статичні й динамічні характеристики, передатна функція.

АННОТАЦИЯ

Павлюченко В.А. “Совершенствование динамических свойств струйно-мембранных макроклапанов”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 – гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. – Сумской государственный университет, Сумы, 2001 г.

На основе системного подхода исследованы характеристики исполнительного устройства в виде струйно-мембранного клапана, который состоит из вихревого и одномембранного клапанов с пневматическим и электромагнитным управлением. Проведены исследования каждого из устройств, входящих в агрегат, а также систем с его использованием. Рассмотрены пять разных модификаций одномембранного клапана типа “сопло-заслонка”, в которых диаметр сопла соизмерим с диаметром защемления мембраны: с пружиной и без нее, с подводом питания в проточную камеру и через сопло, а также с торможением мембраны при его открытии. Математическая модель мембранного клапана представляет собой систему обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений. В математической модели пневматического канала управления учитываются нелинейные граничные условия, обусловленные турбулентным дросселем на входе в пневмолинию. Результаты численного эксперимента были обработаны по методу наименьших квадратов, получены аппроксимирующие зависимости и выявлены комплексы, определяющие динамику клапана и пневматического канала управления. Установлена адекватность моделей экспериментальным данным. На этой основе даны рекомендации, которые касаются использования любой из модификаций клапана, а также методика определения параметров, обеспечивающих необходимое быстродействие.

Установлено, что при заданном давлении наиболее существенно на быстродействие мембранного клапана влияют соотношения между эффективными площадями трактов наполнения и опорожнения надмембранной камеры и эффективной площадью мембраны, составленные в виде безразмерных комплексов. При использовании торможения они дополняются еще двумя относительными параметрами - длиной пути торможения и эффективной площадью тормозной щели.

По результатам численных экспериментов на математических моделях установлено наличие минимумов по суммарному времени открытия и закрытия - для конструкций мембранного клапана с односедельным сервоклапаном. Положение экстремумов определяется соотношением указанных комплексов. Для всех исследованных модификаций клапана установлены аппроксимирующие зависимости, позволяющие рассчитать время переходных процессов как по отдельности – открытие и закрытие, так и суммарное. Установлено также, что подвод питания через сопло позволяет уменьшить время закрытия клапана почти в два раза по сравнению со схемой подвода питания в сопловую камеру.

Установлено существование двух характерных зон работы пневматического канала управления - максимального быстродействия при определенной амплитуде скачка входного давления и равного быстродействия независимо от скачка давления. При увеличении амплитуды входного скачка эти зоны сближаются.

Экспериментальным путем установлен апериодический характер и значения времени протекания процессов открытия и закрытия вихревого клапана для капельной рабочей и газообразной управляющей среды. На этой основе получили дальнейшее развитие аппроксимационные математические модели струйно-мембранных клапанов, в которых учитываются особенности их работы на разнородных средах. Так, для вихревого клапана на рабочих средах “вода-воздух” экспериментальным путем определены давление запирания и постоянные времени в динамической модели. Значения этих параметров существенным образом превышают аналогичные при работе на однородных средах. Разработанная инженерная методика расчета струйно-мембранного клапана позволила спроектировать опытно-промышленные образцы с высокими динамическими качествами, которые внедрены в системах дозирования растворов химикатов и в составе струйно-вихревого пневмопривода отсадочных машин для обогащения углей и руд. В первом случае точность дозирования повысилась практически на два порядка и были исключены гидравлические удары, которые неминуемо возникают в случае применения механических запорных устройств. Во втором случае снижено количество потребляемого воздуха и улучшены показатели качества отсадки.

Ключевые слова: струйная техника, вихревой и мембранный клапаны, статическая и динамическая характеристики, математическая модель, передаточная функция.

SUMMARY

Pavlutchenko V.A. Perfecting of dynamic properties of fluid-membrane macro valve. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a specialty 05.05.17 - hydraulic machines and hydropneumatics units. - Sumy State University, Sumy, 2001.

On the basis of a system approach with the purpose of improvement of dynamic properties the researches of actuators as fluid-membrane valves are conducted, which consist of vortex and one-membrane valves designed for control of powerful flows fluid and gases.

On adequate mathematical models the dynamic characteristics of each of these elements and all aggregate as a whole in interaction with control units are defined. By the results of numerical and physical experiments the method of calculation of optimal parameters of devices are designed, which ensure necessary speed. By the experimental way performances of the vortex valve on two-phase mediums “water–air” are obtained. The fluid-membrane valves with improved dynamic properties are used in a system of a batching of chemicals solutes and in a structure of a fluid-membrane drive for coal-cleaning and ore-dressing.

Key words: fluidics, diaphragm and vortex valves, static and dynamic performance, mathematical model, transfer function.

Підписано до друку 17.09.2001 р.

Формат 60х84 1/16. Папір офсетний. Гарнітура Times.

Друк різограф. Умовн. друк. арк. 1,0.

Тираж 100 прим. Зам №510.

Видавництво ТОВ “Элтон-2”.

91016, м. Луганськ, вул. Коцюбинського, 2.