Одеський національний політехнічний університет

НІколенко Ілля Вікторович

УДК 621.225.7

МЕТОДОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПРОЕКТУВАННЯ

АКСІАЛЬНО-ПОРШНЕВИХ ГІДРОМАШИН

ВИСОКОГО ТЕХНІЧНОГО РІВНЯ

Спеціальність 05.02.02 – машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса – 2006 р.

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі „Металорізальні верстати, метрологія та сертифікація” Одеського національного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Дащенко Олександр Федорович,

Одеський національний політехнічний університет,

завідувач кафедри динаміки, міцності машин

і опору матеріалів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гащук Петро Миколайович,

Національний університет „Львівська політехніка”,

завідувач кафедри експлуатації та ремонту

автомобільної техніки;.

доктор технічних наук, професор

Гутиря Сергій Семенович,

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри теоретичної механіки і

машинознавства;

доктор технічних наук, професор

Фінкельштейн Зельман Лазаревич,

Донбаський державний технічний університет,

завідувач кафедри прикладної гідромеханіки.

Провідна установа: Східноукраїнський національний університет

імені Володимира Даля, кафедра машинознавства,

Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться ”28” квітня 2006 р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.02 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою:

650044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 650044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий ”27” березня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Оборський Г.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з важливих задач машинобудування України є пере-ве-дення його на сучасний високоефективний рівень, який забезпечить удосконалення існу-ючих та створення принципово нових машин і конструкцій на основі застосування ре-сурсо- та енергозберігаючих технологій. Найбільш повно вимогам ощадливої витрати ма-теріалів і енергоресурсів задовольняють машини й устаткування з гідравлічним при-водом, які, при малій масі та габаритах, можливості регулювання параметрів забезпечу-ють ви-сокі показники коефіцієнта корисної дії (ККД) та надійності.

Тенденція останніх десятиліть більш широкого застосування аксіально-поршневих гідромашин (АПГ) викликана прагненням споживачів гідроустаткування до підвищення ККД приводів шляхом забезпечення оптимального використання потужності двигуна та га-рантованого енергозбереження при виконанні виробничих процесів. Технічні характе-рис-тики та функціональні можливості АПГ багато в чому визначають технічний рівень сучас-ного гідравлічного приводу.

Досягнення високого технічного рівня на заключних етапах проектування машин і модернізації існуючих конструкцій із застосуванням чисельних методів розрахунку та ба-гатокритеріальної оптимізації залежать від сформованого технічного рівня при проек-тних розрахунках, а також від ступеня їх адекватності реальним процесам навантаження і вза-ємодії вузлів і деталей. Підвищення технічного рівня машин досягається удоско-наленням методів відображення комплексу їхніх службових властивостей та створенням квалі-метричних методів керування якістю на початкових етапах проектування. Відсут-ність результатів системних кваліметричних досліджень для гідрома-шин не дозволяє використо-вувати ці методи при проектуванні АПГ. Створення методологіч-них основ проектування АПГ високого технічного рівня та розши-рення їх функціональних можливостей шляхом аналітичного обґрунтування раціональ-них геометричних і констру-ктивних параметрів є актуальною науковою проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами темами. Представлені в ди-сер-таційній роботі проблеми і задачі досліджень ставилися і вирішувалися в рамках під-прог-рами “Гідропривод” цільової комплексної програми розвитку галузі Міністерства будіве-льно-дорожнього машино-будування в галузевій науково-дослідній лабора-торії гідроприводу Одеського політехнічного інституту: звіти по НДР (ДР 01860066506, ДР 01830066507, ДР 01860050563), тематичних планів НДР кафедри “Експлуатація і ремонт МТП” Одеського державного аграрного університету звіт по НДР (ДР 0101U008026), держбюджетної НДР № 541-31 кафедри „Металорізальні верс-тати, метрологія та сертифі-кація” Одеського Національного політехнічного універси-тету.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення технічного рівня і розши-рення функціональних можливостей АПГ за рахунок удосконалення методів розрахунку і конструкцій шляхом вибору раціональних параметрів при проектуванні. Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:–

створення моделі для формалізації методології проектування АПГ; –

систематизації критеріальних показники технічного рівня сучасних АПГ;

– визначення системних умов вибору геометричних параметрів циліндропоршневої групи (ЦПГ);

– розробки моделі напружено-деформованного стану (НДС) блоку цилін-дрів (БЦ) для розрахунку на довговічність качаючих вузлів (КВ) АПГ;

– моделювання впливу деформацій де-талей ЦПГ на енергетичну ефективність АПГ;

– підвищення показників технічного рівня за рахунок створення нових концептуаль-них рішень АПГ.

Об'єкт дослідження – процеси навантаження, взаємодії і деформування ЦПГ ка-ча-ючого вузла АПГ.

Предмет дослідження – функціональні залежності геометричних параметрів ЦПГ від кінема-тики, показників міцності, жорсткості, довговічності й енер-гетичної ефективності, а також нові концептуальні рішення АПГ для підвищення техні-чного рівня.

Методи досліджень – системний аналіз, який дозволив створити багаторівневу іє-ра-рхічну модель АПГ, визначити вплив конструктивних схем АПГ на показники техніч-ного рівня; математичне моделювання роботи ЦПГ у виді системи функціональних за-лежнос-тей; механіка рідини для дослідження функціональних залежностей енергетичної ефекти-вності, теорія механізмів і машин для розробки основ нового способу регулю-вання робо-чого об'єму; експериментальний і статистичний методи обробки результатів при визна-ченні характеристик втоми матеріалів БЦ, та при випробуваннях дослід-них зразків гідромашин та вузлів.

Наукова новизна отриманих результатів. В основу дисертаційної роботи прийн-ята наукова концепція про те, що підвищення технічного рівня при проектуванні АПГ досяга-ється в разі використанні багаторівневої ієрархічної моделі її функціонування, яка побу-дована на морфологічному принципі декомпозиції, із встановленням внутрірівне-вих та міжрівневих зв'язків на основі критеріальних показників технічного рівня й умов праце-здатності, що визнані визначальними для даних зв'язків. Для такої моделі АПГ ос-новою проектування є аналітичне визначення раціональних параметрів ЦПГ шляхом си-стемного врахування кінематики, умов міцності, жорсткості, довговічності й енергетич-ної ефектив-ності з урахуванням обмежень за показниками технічного рівня, що характе-ризують тех-нічну досконалість гідромашини. На підставі проведених досліджень отри-мані такі нау-кові результати:–

формалізована методологія проектування АПГ високого технічного рівня на основі багаторівневої моделі та створена структурна схема проектного розрахунку КВ;–

встановлено вплив конструктивних схем сучасних АПГ на критеріальні показники технічного рівня; –

визначені умови вибору геометричних параметрів ЦПГ та розроблена математична модель для розрахунку конструктивних розмірів КВ шляхом системного врахування кінематики, умов міцності, жорсткості, довговічності й енергетичної ефективності АПГ;–

вперше створена математична модель для розрахунку на довговічність КВ за умов втомленої міцності блоку циліндрів (БЦ); –

експериментально визначені міцністні характеристики втоми матеріалів БЦ з урахуванням різних технологічних способів зміцнення;–

вперше розроблена математична модель для дослідження впливу деформацій де-талей ЦПГ на енергетичну ефективність АПГ;–

удосконалені способи гідравлічного розвантаження КВ і вперше розроблена математична модель ЦПГ із гідравлічним розвантаженням;–

створено та досліджено новий спосіб регулювання робочого об'єму АПГ і розглянуті шляхи розширення функціональних можливостей регулювання робочого об'єму гідро-машин з похилим БЦ.

Практичне значення отриманих результатів. Практичну цінність роботи становлять: –

систематизовані критеріальні показники технічного рівня типорозмірних рядів серій АПГ, визначені досягнуті значення та апроксимуючи залежності; –

методики та програми розрахунку параметрів КВ для проектування АПГ;–

рекомендації по вибору раціональних геометричних та конструктивних пара-метрів КВ для проектування АПГ;–

нові концептуальні рішення АПГ, які дозволяють підвищити технічний рівень та розширити функціональні можливості регулювання робочого об'єму.

Теоретичні й експериментальні ре-зультати, методики розрахунків, отримані при виконанні дисертаційної роботи, використані на ЗАТ “Будгід-рав-ліка” (Одеса): –

при модернізації КВ АПГ серії 200, розробці КВ АПГ серії 300 на максималь-ний тиск 32 МПа, та нової серії 400 на максимальний тиск 42 МПа; –

при розробці АПГ типу 310. 25.10.37 зі збі-льшеним кутом нахилу БЦ до 37,50; –

при створенні та виготовленні зразків АПГ із конічним регу-люван-ням;

Застосування регульованих АПГ в гідравлічних стендах з рекуперацією потуж-ності дозволяє розширити діапазони параметрів випробувань, скоротити час випробу-вань агре-гатів на 10…15%, а енерговитрати на 25…30%

Особистий внесок здобувача. Результати теоретичних і експериментальних дослі-джень, пред-ставлених до захисту, отримані особисто автором і викладені в 26 ро-ботах, опублікованих само-стійно. У публікаціях, виконаних зі співавторами, особистий внесок здобувача складається з наступ-них положень: системний підхід при аналізі пи-томих пока-зників гідромашин 2, 27, обґрунтування розрахункових схем і ма-тематичних моделей ЦПГ 1, 4, 5, 23, системний розгляд умов кінематики, міцності і жо-рсткості при проектних розрахунках КВ 6, 7, 34, 35, 36, облік деформацій у ЦПГ при енергетичних розрахунках 3, теоретичне обґрунтування принципу коніч-ного регулю-вання в АПГ 37 – 43, застосування регульованих гідромашин у гідравліч-них стендах з рекуперацією по-тужності 22, 25, 48 – 50. Постановка проблеми та задач досліджень здійснювалися разом з науковим консультантом

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи по-відомлені й обговорені на конференції “Проектирование и эксплуатация гидравличес-ких систем и гидро-пневмопривода машин, автоматов и промышленных роботов” (Сева-стополь, 1987 р.), на Все-союзній науково-технічній конференції “Конструктивно-техно-логические методы повышения надежности и их стандартизация” (Тула, 1988), на Все-союзній науково-практичній конференції “Механизация и автоматизация технологичес-ких процессов в агропромышленном комплексе” (Новосибірськ, 1989 р.), на науково-технічному семінарі “Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долго-вечности двигателей” (Ленінград-Пушкін, 1990 р.), на 3-ій міжнародної науково-прак-тичній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (Миколаїв, 2002 р.), на 5-ій науково-технічній конференції Асоціації фахівців промислової гідравліки і пневма-тики (Вінниця, 2002 р.), на міжнародній конференції “Eksploatacja silnikow spali-nowych” (Szczecin, Польща, 2002 г.), на науково-технічному семінарі “Сучасні проблеми промислової гідравліки і пневматики” (Вінниця, 2003 р.), на Першій міжнародній нау-ково-технічній конференції “Машинобудування та металообробка-2003” (Кіровоград, 2003 р.), на 4-ій міжнародної науково-технічної конференції “Механізація й енергетика сільського господарства MOTROL-03” (Люблін-Київ, 2003 р.), на 8-ій Міжнародній конференції “Гидроаэромеханика в инженерной практике” (Черкаси, 2003 р.), на міжна-родної науково-технічній конференції “Промислова гідравліка і пневматика” (Київ, 2004 р.), на розширеному засіданні кафедри “Прикладна аеромеханіка та мехатроніка” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, на 9-ій Міжнародній конференції “Гидроаэромеханика в инженерной практике” (Київ, 2004 р.), на 5-ій міжнародної науково-технічної конференції “Механізація й енергетика сільського господарства MOTROL - 05” (Люблін - Одеса, 2005 р.), на міжнародної нау-ково-технічній конференції “Промислова гідравліка і пневматика” (Львів, 2005 р.). У повному обсязі дисертація розглянута на розширеному засіданні кафедр теоретичної механіки і машинознавства та динаміка, міц-ність машин та опору матеріалів Одеського наці-онального політехнічного університету за участю провідних спеціалістів в області до-сліджень, проектування та виробництва механічних і гідравлічних приводів.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 50 наукових роботах, з них 33 статті, 4 авторські свідоцтва, 10 патентів, 3 тези доповідей на науково-технічних кон-ференціях і семінарах.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, семи розділів, висновків та рекомендацій, списку використаних джерел та додатків.

Загальний обсяг роботи складає 400 сторінок, у тому числі 308 сторінок основного те-ксту, 104 малюнка, 19 таблиць (кількість окремих сторінок з малюнками і таблицями - 47), додатки на 17 сторінках. Список використаних джерел складає 254 найменування на 28 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульована наукова проблема, її актуальність, мета і задачі роботи, представлені відомості про наукові і практичні результати роботи.

У першому розділі викладено аналітичний огляд тенденцій розвитку, технічного рі-вня та принципів проектування АПГ. Технічні характеристики АПГ удосконалюються в напрямку збільшення кількості серій регульованих гідромашин, розши-рення в типорозмірних рядах діапазонів робочих обємів, частот обертання та обер-тових моментів. В останні десятиліття намітилася тенденція зниження темпів росту робочого тиску на рівні 25...40 МПа, та розширення діапазонів регулювання робочих обємів, особ-ливо для АПГ із похилим БЦ.

Найбільш інформативна попередня оцінка технічного рівня викону-ється по питомим показникам: енергоємності, питомій масі, а також по питомій вартості оди-ниці маси і робо-чого обєма гідромашини. Для більш детального дослідження пока-зників ефективності АПГ розроблені методи комплексної оцінки Д.М. Попова, Т.А. Си-ріціна, М.Г. Кабакова, А.А. Кондакова та інших, що враховують робочий тиск, частоти обертання, ККД, надій-ність, а та-кож ви-трати на експлуатацію і ремонт гідромашин. Аналіз розрахункових зале-жностей для комплексних по-казників свідчать, що на стадії проектних розрахунків вони ефективні тільки за прийн-яття великої кількості припущень, тому, що заздалегідь не відомі реальні характерис-тики й умови застосування об'єктів проектування. За існуючого розмаї-ття типів, видів і модифікацій АПГ відсутній аналіз впливу конструктивних схем на пи-томі показники, що не дозволяє повно й однозначно відобразити їх функціональну доціль-ність, порівню-вати різні типи і види гідромашин.

Головною задачею проектування гідромашин високого технічного рівня є вибір най-кращих параметрів конструкції, режимів її роботи, при заданих умовах і обмеженнях. Ос-нови проектування АПГ викладені в роботах Т.М. Башти, В.М. Прокоф'єва, О.В. Кула-гіна, К.В.Фролова, С.В. Ломова, Д. Тома, В.Хейля, Г. Моллі, Г.Ф. Бодрашевої, І.І. Ба-жина, О.Г. Полюшкова, Р.М. Пасинкова та інших дослідників, в яких приймаються при-пущення, що дозволяють не враховувати деякі фактори, що виявляють незначний вплив на процеси на-вантаження та умови взаємодії основних вузлів. Першим етапом проектних розрахунків АПГ є визначення геометричних параметрів ЦПГ, від розмірів якої залежать рівні робочого тиску, довговічність, ККД, маса та габарити гідромашини. Аналіз методів розрахунку ЦПГ показав, що їхні проектні розрахунки основані на припущеннях, що спрощують, як геометричні параметри, так і діючі навантаження. Припущення про плоску деформацію де-талей ЦПГ спрощує їх геометрію та характер наванта-ження, але дозволяє визначати раді-альні розміри.

Автором було запропоновано визна-чати мінімальні радіальні розміри БЦ в плоскої по-становці за умови рівної міцності не-безпечних перерізів – зовнішніх стінках циліндрів та перемичках між ними. Геометричні розміри БЦ при забезпеченні рівноміцності визнача-лися при чисельному рішенні трансцендентних рівнянь відносно цих розмірів.

Чисельні методи розрахунку деталей та вузлів АПГ, які наведені в роботах І. І. Ба-жина, Р.М. Пасинкова, Г. А. Кондрахіна, М. Івантішинової, С. Кобаяші, Н. Марнінга та інших дають змогу з високим ступенем адекватності реальним об'єктам визначити основні по-казники гідромашин і порівняти з критеріальними показниками технічного рівня та умо-вами працездатності. Ці методи застосовуються при перевірочних розрахун-ках, тому що вимагають вихідних геометричних параметрів вузлів гідромашин і діючих на них наванта-жень.

Фундаментальні дослідження в галузі багатокритеріального оптимального проекту-вання технічних об'єктів представлені в роботах Р. Б. Статнікова, І. Б. Матусова, І. М. Со-боля, Ф. Гілла, У. Мюррея, І. П. Норенкова, Г. Реклейтиса, П. Л. Носко, В.Г. Свена й інших дозволяють ефективно підвищувати технічний рівень машин на стадії перевірочних розра-хунків. Відомі методи багатокритеріального оптимального проектування гідромашин, які наведені в роботах І. І. Бажина, Ю. Г. Беренгарда, С. А. Єрмакова, З. Я. Лур'є, Є. Ю. Малі-новського, Ю. П. Пономаренка, О. В. Докукіна, А. Я. Рогова дозволя-ють досліджувати процеси функціонування обєкта проектування, як єдиної цілостної си-стеми та визначати основні параметри з урахуванням забезпечення різних вимог та об-межень. Вихідними да-ними в таких розрахунках є геометричні, кінематичні і силові па-раметри, функціональні залежності та обмеження для існуючих або машин, які створені методами проектних розра-хунків, що ґрунтуються на припущеннях, які спрощу-ють визначення більшості параметрів. Таким чином, досягнення оптимальних параметрів гідромашин при чисельних методах розрахунку, або при багатокритеріальної оптимізації залежать від ступеня адекватності методів проектних розрахунків реальним про-цесам навантаження й взаємодії вузлів та де-талей.

Сучасним шляхом підвищення конкурентноздатності технічних об'єктів, є розробка квалімет-ричних методів керування якістю при проектуванні, що представлені у фундамен-тальних дослід-женнях Ю.М. Андріанова, А.И. Субетто, А.В. Андрейчикова, А. В. Глічева, С. С. Гутирі, Б. І. Кіндрацького та інших дослідників. Аналіз методів прикла-дної квалімет-рії показав високу ефективність керування якістю на початкових етапах проектування для визначеного класу технічних об'єктів, у яких формалізовані або можна формалізувати, як показники якості, так і функціональні залежності між цими показни-ками. Відсутність ре-зультатів системних кваліметричних досліджень для гідромашин не дозволяє використову-вати ці високоефективні методи при проектуванні АПГ.

Ефективним шляхом удосконалення методології дослідження і проектування склад-них технічних систем є математичне моделювання. Методи математичного моделю-вання пружних механічних систем були запропоновані в роботах І.А. Біргера, Г.С. Писа-ренко, Б. Г. Коренева , В.А. Лазаряна, С.С. Кохманюка, П.М. Гащука, Л.М. Зорія, Р.К. Чу-яна й інших дослідників.

Автором на основі аналізу діючих навантажень в ЦПГ, чисельних розрахунків та екс-периментальних досліджень НДС БЦ була розроблена розрахункова схема у просторовій постановці, яка дозволила встановити залежності між його геометричними параметрами та деформаціями і напругами. Аналіз навантажень у ЦПГ дав змогу розглядати розрахункову схему в квазістатичної постановці. Тобто, в проектних розрахунках, крім геометричних па-раметрів ЦПГ, враховуються тільки тиск в циліндрах, положення поршнів та довжина їх ущільнювальної частини. Розрахункова схема БЦ ос-нована на його дискретизації добре ві-домими пружними елементами: балками, стриж-нями та пластинами. Враховуючи цикліч-ність характеру навантаження циліндрів достат-ньо розглянути елемент його азимутальної періодичності. Перемички між циліндрами та їх стінки змодельовані приведеною пружною (вінклеровою) основою. Донна частина БЦ уявлена круглою пластиною, до якої прикріп-лені розглянуті балки. В результаті задача по знаходженню деформацій та напруг у БЦ зводиться до дослідження навантаження балки на пружній основі. При рівнях тиску робо-чої рідини сучасних гідроприводів величина сил інерції від маси БЦ значно менше наван-тажень від тиску робочої рідини. Тому розглянуті балки приймаються невагомими, а рів-няння балки на пру-жній основі для розрахунку напруг і деформацій у БЦ має вигляд:

, (1)

де – згінна жорсткість перерізу балки, - модуль пружності матеріла БЦ, - мо-мент інерції перерізу балки; – радіальні переміщення центра ваги перерізу балки з координатою при коор-динаті дна поршня в циліндрі ; – коефіцієнт жорсткості основи; – інтенсивність розподіленого навантаження, яке діє на балку, – координати розглянутого перетину і дна поршня в одному з циліндрів.

Відповідно до прийнятої розрахункової схеми, зсуви перетинів БЦ визна-чаються як прогини балки. З огляду на моногармонічний характер руху поршнів для визначення характеру навантаження БЦ досить визначити коор-динати дна одного з поршнів. Рішення рівняння (1) у безрозмірних координа-тах за методом академіка Крилова представлено у вигляді

, (2)

де , – безрозмірні координати перетину і дна поршня;– параметр БЦ, що визначається геометричними характеристиками пере-тину виділеного елемента та властивостями матеріалу БЦ; – функції .Крилова, ; – постійні, визначені з граничних умов для розглянутої балки і положення порш-нів, – функція навантаження, що визначається в залежності від характеру наванта-ження розглянутої балки.

Постійні визначені з граничних умов для балки, згідно яким на лівому вільному кінці – вхідна частина циліндра – відсутні перерізуючи сили і згинальні моменти, а на правому кінці, з координа-тою – довжина циліндра, пружно затисненому, відсутні прогини, а згинальні жорс-ткості балки і донної частини зв'язані між собою залежністю

. (3)

Відносна жорсткість донної частини визначається по залежності

(4)

де – відносна товщина донної частини, – радіус циліндра, – коефіці-єнт Пуассона матеріалу БЦ, – коефіцієнт відносної жорсткості донної частини БЦ, що залежить тільки від його радіальних розмірів.

, (5)

де , – відносний момент інерції перерізу балки, – відносний параметр БЦ, – коефіцієнт відносної жорсткості основи, – параметр жорсткості донної частини БЦ, що визначається відносним радіальними розмірами БЦ.

При дослідженні постійних встановлено діапазон раціональної довжини циліндрів та визначено, що при значеннях закла-дення розглянутої балки в донну частину БЦ можна вважати абсолютно жорсткою, тобто . При значеннях відносної жорсткості донної частини можна вва-жати закладення шарнірним, тобто . Диференціальне рівняння (1) представляє математичну модель ЦПГ з обліком її просторової геометрії і циклічного характеру навантаження. Ліва частина цього рів-няння визначається конструкцією і геометрією БЦ, пружними властивостями його матері-алу. Права частина рівняння визначається параметрами навантаження – конструкцією і розмірами поршнів, тиском у сусідніх циліндрах, а також індикаторною діаграмою АПГ.

Питання аналітичного вибору раціональних параметрів ЦПГ при проектних розрахунках АПГ залишалися малодослідженими. Відсутні методи встановлення раціонального числа поршнів, кута нахилу та розмірів КВ, що забезпечують мі-німальні габарити та визначають формування технічного рівня АПГ при проектуванні. Незважаючи на втомлений характер руйнувань БЦ, відсутні аналітичні методи оцінки його довговічності на стадії проектних розрахунків. Довговіч-ності КВ, що лімітується втомленою міцністю БЦ, на практиці визначається за результатами статистичного аналізу його ушкоджень в експлуатації або випробувань на втому натур-них зразків БЦ, тобто неприйнятні для проектних розрахунків. Методи розраху-нків енергетичної ефективності АПГ ґрунтуються на при-пущеннях про абсолютну жорст-кість деталей КВ. При рівнях тиску характерних сучасному гідроприводу деформації де-талей КВ досягають значень технологічних зазорів, тому неврахування жорсткості дета-лей істотно знижує адекватність методів розрахунку енергетичної ефективності АПГ.

Удосконалення методів розрахунку вузлів і деталей АПГ дозволяє досягти кількісних змін параметрів. Для якісних змін характеристик необхідна створення, оцінка та дослідження нових способів роботи та концептуальних рішень АПГ, що обумовлюють нові функціона-льні можливості. Гідравлічне розвантаження деталей КВ є ефективним засобом підви-щення робочого тиску, ККД і довговічності АПГ. Незважаючи на те, що БЦ є базовою де-таллю КВ гідромашини, дотепер не досліджені параметри гідравлічного розвантаження БЦ, а також не розроблена методика їх розрахунку.

Широке застосування АПГ із регульованим робочим обємом викликане праг-ненням спожи-вачів підвищити техніко-економічні показники гідравлічних приводів. Важливим напрямком по-дальшого розвитку конструкцій АПГ є розробка нових принципів регулювання робочого обєму, які дозволяють у більшій сту-пені реалізувати переваги гідромашин цього типу.

Рішення науково-технічної проблеми обґрунтування та створення методологічних основ проектування АПГ і розширення функціональних можливостей за рахунок удосконалення методів розрахунків і конструкцій шляхом аналітичного обґрунтування раціональних геометричних і конструктивних параметрів дозволяє підвищити технічний рівень найбільш розповсюдженого типу обємних гідрома-шин. Цим визначається актуальність поставленої в роботі мети, концепція яка може бути використана при розробці методів проектування гідромашин інших типів.

У другому розділі представлено обґрунтування методології проектування АПГ висо-кого технічного рівня. Проектування – початок життєвого циклу машинобудівної продук-ції, тому є основою формування її технічного рівня, а також одним з ефективних шляхів його підвищення. Керування технічним рівнем на стадії проектування зводиться до вибо-ру раціональних параметрів або рішення задач оптимізації, тобто знаходженню парамет-рів об’єкту проектування, його компонентів по одному чи багатьох критеріях, які визнані суттєвими для забезпечення необхідного рівня показників при наявних умовах та обмеженнях.

Основи проектування об'ємних гідромашин викладені в роботах Т.М. Башти, В.М. Прокоф'єва, К.В. Фролова, О.В. Кулагина, Д.М. Попова, С.О. Єрмакова, А.Я. Рогова, Ю.П. Пономаренка, О.В. Докукіна й інших, у яких представлені основні припущення по процесах навантаження вузлів та взаємодії деталей об'ємних гідромашин, які прийняті при проектних розрахунках. Вихідними даними при проектуванні технічних об'єктів є показники технічного рівня, що представляються множинами: концеп-туальних рішень , абсолютних , відносних і комплексних показни-ків, технічне завдання, у якому представлені основні вимоги споживача, а також обме-ження по конструктивних і технологічних можливостях виробника. Теоретично кожний з етапів проектування необхідно спрямовувати на підвищення технічного рівня створюва-ної машини. Відсутність координації й узгодження проектних процедур, ієрархії цілей є стримуючим чинником традиційних підходів при проектуванні АПГ високого тех-нічного рівня.

Для обґрунтування методології проектування АПГ високого технічного рівня з однієї сторони необхідно встановити аналітичні умови вибору раціональних параметрів вузлів відповідно до головних критеріїв працездатності, а з іншої сто-рони визначити значення критеріальних показників якості, що характеризують технічну досконалість та визнані істотними для забезпечення необхідного рівня конкурентноздат-ності гідромашин. Для забезпе-чення високого технічного рівня при проектуванні АПГ необхідно щоб вимоги технічного завдання вибиралися з множин значень критеріальних показників якості найкращих зраз-ків.

Проаналізовано етапи проектування АПГ, як основи формування її технічного рівня. Проектування технічних об'єктів у рамках системного підходу виконується паралельно в трьох площинах: у площині цілісного представлення об'єкта при синтезі, у площині роз-гляду частин, вузлів і елементів при аналізі, і в площині зв'язків між елементами об'-єкта. Застосу-вання методоло-гії системного підходу при проектуванні показує, що вибір раціональних параметрів підсистем на ранніх стадіях проектування технічних об'єктів дозволяє най-більш ефекти-вно підвищити технічний рівень, тому що розглядаються підсистеми, що визнача-ються основами функціонування машини, а критеріальні показники якості є вихідними даними при розрахунках цих підсистем. Крім того, скорочується час розро-бки машини, тому що вибір раціональних параметрів на ранніх стадіях проектування іс-тотно зменшує число варіантів розглянутих при наступних етапах синтезу.

Принцип роботи об'ємних гідромашин визначає комплекс властивостей, необхідний для забезпечення працездатності їх вузлам і деталям, а також визначає базові показники технічного рівня. Розроблено схему проектного розрахунку АПГ на базі багаторівневої ієрархічної моделі, побудованої на морфологічному принципі декомпозиції, із встановленням внутрішніх та міжрівневих зв'язків на основі крите-ріальних показників технічного рівня й умов працездатності, що визнані визначальними для даних зв'язків. Для розробленої моделі АПГ основою проектування є аналітичне визначення раціональних параметрів ЦПГ шляхом системного роз-гляду кінематики, умов забезпечення міцності, жорсткості, довговічності й енергетич-ної ефективності.

Початковим етапом проектування КВ є визначення геометричних параметрів ЦПГ, тому при проектуванні АПГ найбільш ефективно підвищується технічний рівень при виборі раціональних параметрів ЦПГ. Розроблено структурну схему проектного розрахунку КВ АПГ. Вихідними даними розрахунку КВ є значення показників технічної пропозиції та критеріальні показники технічного рівня. Факторний простір для ескізного проектування АПГ високого техніч-ного рівня описується множинами: концептуальних рішень АПГ , робочих об'ємів у типорозмірних рядах , рівнів робочого тиску (номінального та максимального) та діапазонів частот обертання . Критеріальними показниками технічного рівня АПГ також є множини: значень потуж-ності , показників ККД , показни-ків ресурсу , значень маси , габаритів , , вартості , пито-мих показників , , й інших, у яких відображається специфіка гідрома-шин або приводів, для яких вони проектуються.

Для досягнення критеріальних показників технічного рівня при заданому робочому об'ємі , при заданих рівнях тиску , і діапазонах частот обертання при проектуванні необхідно забезпечити умови, щоб показники технічної досконалості , , , і т д. У наведених позначеннях індекс* у показниках відпові-дає заданому типорозмірові гідромашини з відповідної множини базових показ-ників технічного рівня. Значення показників АПГ високого технічного рівня необ-хідно забезпечити з урахуванням обмежень, що у технічній пропозиції представлені для конкретного виготовлювача множинами: варіантів конструкцій КУ , конструкційних матеріалів , технологічних процесів та вимог за умовами експлуатації . Ці показники технічної пропозиції з обмежен-нями за критеріальними показниками технічного рівня є вихідними при проектуванні гідромашини.

Під-стави силового аналізу вузлів АПГ представлені в роботах Т.М. Башти, В.М. Проко-ф'єва, О.В. Кулагина, К.В.Фролова, Г.Ф. Бодрашевої, І.І. Бажина, А.Г. Полюш-кова, Р.М. Пасинкова, Г. Моллі, Д. Тома, В.Хейля, Н. Марнінга, М. Івантішинової та ін-ших до-слідників в яких обґрунтована можливість квазістатичної постановки при проектних розрахунках. Автором обґрунтовано вибір раціональних відносних розмірів БЦ при розгляді його плоскої деформації, що полягає в тім, що радіальні його розміри вибирають за умови рівноміц-ності небезпечних перерізів, а діапазон подовжніх розмірів визначається за умови забез-печення раціональної жорсткості циліндрів блоку. Аналітичні залежності для визначення відносних радіальних розмірів БЦ за умови рі-вноміцності його небезпечних перерізів отримані у вигляді

, (6)

, (7)

де – радіуси розміщення центрів циліндрів та зовнішньої поверхні БЦ, – кіль-кість циліндрів, – коефіцієнт концентрації напруг по тиску робочої рідини.

Припустимий коефіцієнт концентрації напруг для матеріалу БЦ визначається з урахуванням максимального тиску та припустимих напруг матеріалу , у якості яких приймаємо припустимі напруги на розтяг. Для більшості серій АПГ максимальний тиск МПа, а матеріали БЦ мають припустимі напруги на розтяг МПа. В зв'язку з цим, визначалися значення функцій (6) та (7) при коефіцієнтах концентрацій напруг та при кількості циліндрів =5; 7;9 та 11. Рішення трансцендентного рівняння відносно геометрічних параметрів рівноміцних БЦ замінені апроксимуючими залежностями у вигляді показових або експонентних функцій. Похибка між точними рішеннями та визначеними за апроксимую-чими функціями не перевищує 4%.

Розрахункова схема БЦ у вигляді плоскої деформації не дозволяє визначити повздовжні розміри ЦПГ. Для системного урахування кінематики умов, міцності, жорсткості, довговічності та енергетичних ефективності АПГ необхідно в проектних розраху-нках використати математичну модель ЦПГ у просторовій постановці, яка описана у першому розділі. Для виконання цієї умови визначені геометричні характеристики елемента перетину виділеного з рівноміцного БЦ, жорсткістні характеристики пружної основи і його донної частини, а також залеж-ності його відносного параметра і коефіцієнта відносної жорсткості дон-ної частини від відносних радіальних розмірів БЦ при числі циліндрів =5; 7; 9 та 11. З аналізу забезпечення раціональної жорсткості рівноміцного БЦ встановлені відносні довжина циліндрів та товщина донної частини.

Для проектування АПГ і рішення задач з підвищення технічного рівня систематизовані показники, що його характеризують. Проаналізовано показники типорозмірних рядів серій АПГ фірм виробників, які займають лідируюче положення на світовому ринку гідрообладнання. Показники продукції цих фірм визначають сучасний технічний рівень, бо вони найбільшою мірою задовольняють комплексним вимогам споживачів. Розглянуто 50 се-рій АПГ основних конструктивних схем: з похилим БЦ і похилим диском, насосів і гід-ромоторів, регульованих і нерегульованих. Для всіх типорозмірних рядів цих серій ви-значені питомі показники: енергоємність, питома маса, а також габаритні розміри в залежності від робочого обєму. Для найбільш розповсюджених серій визначена вартість одиниці маси та потужності в залежності від робочого обєму.

Розходження питомих показників конструктивних схем АПГ пов'язані з особливостя-ми конструкцій КВ. Підвищення параметрів АПГ досягається підвищенням робочого тиску та частот обертання, застосуванням нових конструкцій, сучасних методів розра-хунку і технологій виготовлення деталей КВ. Встановлено, що питома маса АПГ зі зрос-том робо-чого обєму збільшується для більшості серій. Питома маса АПГ із похилим БЦ менше, ніж в АПГ із похилим диском, а в гідромоторів менше, ніж у насосів. Це по-в'язано з тим, що при рівних показниках за рівнями тиску частоти обертання в АПГ із похилим диском і в насосів менше. З цієї причини рівень енергоємності для гідромото-рів вище, ніж у на-сосів, а в АПГ із похилим БЦ вище, ніж у гідромашин з похилим дис-ком. Встановлено, що для всіх серій АПГ енергоємність зі збільшенням робочого обєму падає, тому що в серіях забезпечується однаковий коефіцієнт швидкохідності гідрома-шин. Визначено, що найкращі показники за питомою масою, енергоємності, габаритам, питомій вартості оди-ниці маси та потужності мають нерегульовані насоси та гідромо-тори з похилим БЦ з ку-том його нахилу 400 та з максимальним тиском понад 40 МПа. Для серії гідромоторів A2FM промислової групи “Bosch Rexroth Manesmann” (“BRM”) у діа-па-зоні робочих обємів досягнуті найменьша питома маса та найбільша енергоємність . Для типорозмір-ного ряду нерегульованих насосів з похилим БЦ серії A2FO “BRM” , а енергоємність у тому ж діапазоні робочих обємів. Мінімальна пи-тома маса і максимальна енергоємність досягнуті в серії A2F з похилим БЦ і його ша-тунним веденням за рахунок застосування у КВ кута нахилу БЦ 400, скорочених по-ршнів з конічними шатунами з ущільнювальними кільцями і конічними підшипниками в опо-рах вала.

Для насосів з регульованим робочим обємом кращі показники з питомої маси, енер-гоємності, габаритам і питомій вартості мають насоси з по-хилим диском на максимальний тиск понад 40 МПа. Малі діапазони регулювання робочого обсягу АПГ із похилим диском сьогодні обмежують ріст їх технічного рівня. Важливим напрямком розвитку конструкцій АПГ є збільшення діапазону регулювання за рахунок розробки нових принципів регулювання робочого обєму та застосування сучасних систем керування.

Досліджені звязки габаритів АПГ основних конструктивних схем від їх робочого обєму та встановлені для них апроксимуючі залежності, які дозволяють на стадії проект-них розрахунків порівнювати габарити варіантів КВ та типорозмірних рядів із кращими зразками, що у даний час визначають технічний рівень. Встановлено, що найменші габарити мають АПГ типорозмірних рядів серій A2F “BRM”.

Таким чином, у розділі обґрунтована методологія проектування АПГ високого техніч-ного рівня з застосуванням багаторівневої ієрархічної моделі, створеної на основі морфологічного прин-ципу декомпозиції. Вихідним моментом проектування АПГ є аналітичне визначення раціональних параметрів ЦПГ шляхом системного розгляду основних крите-ріїв її працездатності. У результаті аналізу розрахункових схем у пло-скій і просторовій постановках аналітично обґрунтовані раціональні відносні радіальні і повздовжні розміри ЦПГ. На основі системного аналізу типороз-мірних рядів серій АПГ встановлені показники, що визначають сучасний технічний рівень.

У третьому розділі представлена методика вибору раціональних конструктивних роз-мірів ЦПГ за відносними параметрами, яка дозволяє при заданому робочому обємі, мак-симальному тиску АПГ та характеристиках матеріалу БЦ визначати мінімальні розміри ЦПГ. Геометричні розміри елементів ЦПГ стосовно характерного розміру гідромашини запропоновано назвати відносними параметрами.

Відносні параметри ЦПГ визначаються зі спільного розгляду кінематики АПГ, умов рівноміцності та раціональної жорсткості БЦ. Основою розрахунку є визначення радіуса поршня при умовах рівноміцності БЦ (7) при заданому робочому обємі АПГ

, (8)

де – відносний параметр радіуса поршня, – коефіцієнт кратності ходу поршня, – кількість ходів поршня за оборот БЦ, - кут нахилу блоку чи диску, – характерний розмір гідромашини.

На рис. 1 представлена залежність відносного параметра радіуса поршня від кута нахилу і коефіцієнта концентрації напруг матеріалу БЦ з кількістю циліндрів = 7. Встановлено, що на відносний параметр радіуса поршня найбільший вплив виявляє кі-лькість поршнів та кут нахилу БЦ або диску. Механічні характеристики матеріалу БЦ впливають в значно меншій мірі.

Рис.1. Залежність відносного параметра радіуса поршня від коефіцієнта концентрації напруг і кута нахилу БЦ при = 7.

Геометричні розміри ЦПГ визначені від характерного розміру гідромашини по відносному параметру радіуса поршня (8) та відповідним зале-жностям (6) та (7) згідно з якими забезпечуються умови кінематики та рівноміцності БЦ.

З урахуванням цих умов радіальні розміри ЦПГ для визначені таким чином: –

радіус розміщення центрів циліндрів , де відносний параметр радіуса центрів циліндрів - ;–

радіус зовнішньої поверхні ЦПГ , де відносний параметр радіуса зовніш-ньої поверхні БЦ -;

З урахуванням умов кінематики, рівноміцності та раціональної жорсткості БЦ осьові розміри ЦПГ визначені у вигляді:

– хід поршня , відносний параметр ходу поршня ;

– довжина циліндра , де віднос-ний параметр довжини циліндра – ;

– товщина донної частини БЦ – , де відносний параметр товщини донної частини БЦ –.

Досліджено вплив на радіальні й осьові розміри ЦПГ параметрів: кількості циліндрів , кута нахилу та коефіцієнта концентрації напруг матері-алу БЦ . Встановлено, що найбільш ефективним способом зниження радіальних габаритів ЦПГ є збільшення кута нахилу КУ. При однакових кутах нахилу і коефіціє-нтах концентрації напруг число циліндрів не впливає на радіальні габарити ЦПГ. Збіль-шення припустимих коефіцієнтів концентрації напруг матеріалу БЦ зменшує, як раді-альні, так і осьові габарити ЦПГ.

Показано неоднозначний вплив кута нахилу на осьові розміри ЦПГ. При заданих раді-альних розмірах БЦ збільшення кута нахилу викликає збільшення ходу поршня, але при цьому викликає зменшення раціональної довжини циліндра і товщини донної частини. Запропоновано осьові розміри ЦПГ визначати при порівнянні діапазону раціональних значень довжини циліндра із відповідним ходом поршня. При цьому необхідно виконувати умову для відносного ходу поршня . З розгляду взаємозв'язку кінематики АПГ з умовами рівної міцності небезпечних пе-рерізів БЦ і раціональної жорсткості циліндрів визначений оптимальний діапазон від-носного ходу поршня

, (9)

де – відносний хід поршня, , – мінімальний і макси-мальний відносний хід поршня.

Аналіз цих умов з урахуванням відносних параметрів є основою аналітичного вибору раціональних значень осьових розмірів ЦПГ гідромашини. Значення відносних пара-метрів, при яких відповідають мінімально припустимій довжині ЦПГ.

Проаналізовано вплив кута нахилу блоку на радіальні й осьові розміри АПГ. Встанов-лені кути нахилу БЦ у залежності від типу АПГ та числа поршнів, які забезпечують її мі-німальні радіальні й осьові габаритні розміри. Довжина ЦПГ гідромашини з похилим диском у відносних параметрах:

, (10)

а проекція довжини ЦПГ на вісь гідромашини з похилим БЦ в відносних параметрах:

. (11)

Відносний параметр проекції довжини ЦПГ гідромашини з похилим диском

, (12)

для гідромашини з похилим БЦ

при ,

при .

При цьому позначено і , де

, ,

і – коефіцієнти довжини циліндра і товщини донної частини БЦ .

На рис. 2 представлена залежність для АПГ з похилим БЦ відносного параметра осьо-вого розміру ЦПГ від кута нахилу і коефіцієнта концентрації напруг.

Рис.2. Залежність відносного параметра осьового розміру ЦПГ для АПГ із похилим БЦ від коефіцієнта концентрації напруг і кута нахилу БЦ при числі поршнів = 7.

Значення кутів нахилу БЦ або диска для забезпечення мінімальних