5 - 2003

Комплекс моделирования гидромашин и гидросистем

Яков Даршт, Андрей Пузанов, Илья Холкин

Кинематическая модель

Прочностная модель

Трибологическая модель

Гидромеханическая модель

Имитационная модель

Заключение


Компания ОАО «СКБ ПА» (г.Ковров) была создана в 1995 году и на протяжении 8 лет успешно занимается разработкой гидро- и электроприводов для объектов различного назначения. Компания производит:

• системы управления машин лесозаготовительного комплекса;

• системы управления объектами в металлургической отрасли;

• многоцелевые электрогидравлические системы управления для дорожной и строительной техники;

• системы управления для нефтяной и газовой промышленности;

• системы управления для робототехнических мобильных комплексов;

• информационно-управляющие системы;

• гидрообъемные передачи.

Гидравлические машины и гидроприводы широко используются в современных комбинированных системах управления различными объектами. Гидравлические приводы позволяют получить большие усилия и мощности при ограниченных размерах силовых установок и исполнительных двигателей, высокое быстродействие и плавное регулирование скорости. В настоящее время широкое распространение получили объемные гидравлические приводы с применением объемных гидравлических машин. Часто такие приводы используются в системах управления специальными мобильными машинами, дорожно-строительными машинами, роботами-манипуляторами различного назначения, в авиационных системах управления и т.д. Количество внедрений и способов применения объемных гидроприводов постоянно увеличивается.

В качестве объемных гидромашин в приводах большой мощности используются аксиально-поршневые насосы и гидромоторы, имеющие приемлемый КПД в достаточно широком диапазоне регулирования.

Вопросы повышения КПД и надежности гидравлических машин становятся особенно актуальными при форсировании гидромашин по давлению и по скорости. Существуют различные пути решения данного круга проблем — это и оптимизация конструкции гидравлических машин, и применение оптимальных режимов регулирования, а также материалов и покрытий с минимальным коэффициентом трения, и усовершенствование конструкции трибологических пар, целью которого является оптимизация их геометрических параметров.

Одно из основных направлений развития аксиально-поршневых и аксиально-плунжерных гидромашин, форсированных по давлению и скорости вращения, — повышение долговечности и надежности пар трения: опорный диск — гидростатическая опора; плунжер (поршень) — стенки втулки блока цилиндров; блок цилиндров — распределитель. Вопросам изучения рабочего процесса гидромашин с учетом функционирования приведенных пар трения посвящено большое количество научных работ. Авторы рассматривают математические модели, подходы и методики, имеющие различную степень приближения к действительному рабочему процессу. Однако опыт применения различных известных методик показал, что добиться быстрых и эффективных практических результатов возможно лишь при комплексном подходе к модельным исследованиям. Одним из способов достижения этого является применение в процессе проектирования современных программных средств.

В ОАО «СКБ ПА» с самого начала был взят курс на автоматизацию и информатизацию процесса проектирования. Были приобретены рабочие места инженеров-конструкторов — AutoCAD 12 и CADMech. В настоящее время с целью перенесения экспериментальных исследований на имитационное моделирование виртуальных аналогов создан и продолжает развиваться мощный информационный комплекс проектирования изделий машиностроительной гидравлики, включающий расчетный модуль, проектный модуль и модуль подготовки производства. В состав комплекса входят: средства разработки 3D-моделей Inventor 5.3 rus, Mechanical Desktop 6, CADMech Desktop; средства разработки 2D-чертежей AutoCAD 2002 rus, CADMech; средства технологической подготовки производства TechCard, EdgeCAM; средство анализа гидромеханических процессов Flow-3D; средство кинематического и напряженно-деформированного анализа visualNASTRAN 4D; программы для динамического анализа; программные средства собственной разработки.

В целях внедрения на предприятии современных технологий проектирования был разработан программный комплекс, состоящий из нескольких взаимосвязанных частей, каждая из которых реализована посредством специализированного программного обеспечения.

Расчетный комплекс можно определить как информационную компьютерную среду, организованную в соответствии с собственной концепцией и состоящую из коммерческих компьютерных 3D-программ, моделей, выполненных с использованием этих программ, оригинальных однокоординатных имитационных моделей и методик. Комплекс предназначен как для выполнения проектирования машиностроительной гидравлики, так и в целом для модельного сопровождения этапов жизненного цикла изделия.

С учетом данного определения общие положения концепции расчетного комплекса формулируются следующим образом:

1. При разработке расчетного комплекса предприятие, проектирующее машиностроительную гидравлику, рассматривается как информационная система, а расчетный комплекс — как элемент информационной среды этой системы, построенной на базе современной компьютерной технологии.

2. Расчетный комплекс разрабатывается, в частности, в русле технологий, суть которых заключается в создании и существовании параллельно с выпускаемой продукцией ее виртуального аналога в виде комплекса компьютерных взаимосвязанных моделей.

3. Структура расчетного комплекса формируется по общим правилам формирования компьютерной информационной среды и включает взаимосвязанные элементы:

• комплекс коммерческих программ;

• комплекс моделей;

• комплекс расчетных методик.

Комплекс моделей и комплекс расчетных методик аккумулируются в библиотеку.

4. Конкретный состав расчетного комплекса определяется кругом конкретных задач, решаемых средствами этого комплекса.

Если обобщить тематику рассмотренных выше работ, то можно сделать следующий вывод о содержании расчетного комплекса машиностроительной гидравлики:

• составляющей такого комплекса являются 3D-программы для анализа статики, кинематики и динамики гидравлических механизмов;

• другой составляющей такого комплекса должна быть методика энергетического анализа — гидравлические машины, передачи, приводы являются энергосиловыми установками;

• прочностной анализ, анализ напряженно-деформированного состояния также являются обязательными составными частями проектирования машиностроительной гидравлики, и соответствующие программы входят в расчетный комплекс. Это связано с тем, что гидромашины — это высоконагруженные устройства;

• рабочим телом гидропривода является жидкость. Ее свойства определяют и конструктивные формы привода, и его характеристики. Поэтому в круг расчетных методик входят методики гидравлики и гидромеханики;

• гидропривод является сложной динамической системой, поэтому построение обобщенной имитационной модели требует включения в комплекс универсальной моделирующей программы.

Для объединения органичным образом различных методов и методик машиностроительной гидравлики в единый расчетный комплекс при разумной автоматизации процесса расчета предлагается структура расчетного комплекса, представленная на рис. 2.

Рассмотрим использование модельного комплекса для проектирования гидромашин, который состоит из следующих моделей: прочностной, трибологической, гидромеханической и имитационной.

Кинематическая модель

По 3D-модели, разработанной инженером-конструктором (например, в Inventor), в visualNASTRAN 4D создается модель кинематических взаимодействий. На рис. 3 представлена одна из кинематических характеристик — зависимость опрокидывающего момента на гидростатической опоре насоса как функция от времени при изменении сигнала управления на регулирующем органе. Результаты модели используются имитационной, трибологической и прочностной моделями.

На рис. 4 представлен пример связанного кинематического и прочностного моделирования ходовой части героторного насоса, используемого в качестве вспомогательного элемента приведенного выше (рис. 1) аксиально-плунжерного гидронасоса.

В начало В начало

Прочностная модель

Известно, что в процессе работы детали и узлы, составляющие модуль ходовой части гидромашины, подвергаются высоким удельным нагрузкам. Проведенные аналитические и экспериментальные исследования позволили сделать вывод о том, что негативным фактором является деформирование исходной геометрии в процессе работы и влияние этой деформации на рабочие процессы в гидромашине.

В качестве исходных данных для проведения расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) деталей и узлов используется 3D-модель; усилия и схема воздействия определяются в обобщенной имитационной модели.

Результаты моделирования востребованы как в виде картины распределения НДС по характерным сечениям изделия проектировщиком, так и в качестве исходных данных имитационной, гидромеханической и трибологической моделями.

Рост рабочего давления приводит к увеличению деформации прецизионных сопряженных поверхностей. Деформация дна гидростатической опоры (рис. 5) вызывает нарушение функциональности узла, смену режима трения и падение моментной характеристики гидромашины. Кроме того, переход с жидкостного на сухой режим трения способствует увеличению износа контактируемых поверхностей и резкому снижению ресурса узла.

В начало В начало

Трибологическая модель

Рабочий процесс гидромашины предполагает наличие контактных взаимодействий. К негативным факторам следует отнести смену контактных взаимодействий с жидкостного (вязкого) трения на сухое при увеличении деформаций, а также влияние момента страгивания и залипания.

Кроме вышеперечисленных факторов, исследовалось влияние технологичности производства изделий на рабочие характеристики гидромашины. Улучшение технологичности подразумевает увеличение допусков (зазоров) и шероховатости, что отражается на себестоимости изделия, однако ухудшает НДС и трибо-параметры составляющих узлов, что, в свою очередь, негативно сказывается на рабочих характеристиках гидромашины.

В качестве исходных данных используются 3D-модель, результаты прочностной, имитационной и гидромеханической моделей. Результаты моделирования применяются при проведении прочностного, гидромеханического и имитационного моделирования.

На рис. 6 приведена картина контактного взаимодействия гидростатической опоры.

На рис. 7 изображен график, отражающий влияние шероховатости на контактные напряжения.

В начало В начало

Гидромеханическая модель

В качестве инструмента для математического моделирования процесса течения рабочей жидкости (синтетического масла) через зазоры гидростатической опоры применялась специализированная программа Flow-3D (Flow Science, Inc., США). Математическая модель, основанная на гипотезе сплошности среды, состоит из уравнения неразрывности, уравнений движения жидкости в трехкоординатном пространстве и уравнения энергии. Применение специализированной программы для CFD-моделирования позволило получить эпюры давления жидкости в зазоре гидростатической опоры при различных значениях рабочего давления насоса, температуре рабочей жидкости, скорости вращения приводного вала, шероховатостях рабочих поверхностей. Картина течения жидкости в 10-микронном зазоре при постоянном угле деформации пояска гидростатической опоры показана на рис. 8.

На рис. 9 показана зависимость давления в зазоре башмака от угла деформации рабочей поверхности, то есть от рабочего давления насоса.

В результате модельных исследований установлен ряд фактов. Например, выяснено, что с появлением даже незначительной деформации рабочей поверхности эпюра давления существенно меняет свою форму в сторону уменьшения своей площади, а значит, и отжимающей силы. Так, на рис. 9 цифрами показано: 1 — эпюра давления при отсутствии деформации поверхности пояска; 2 — эпюра давления при деформации 0,25°; 3 — эпюра давления при деформации 0,5°.

На основе результатов математического моделирования вырабатываются предложения по изменению конструкции гидростатической опоры с целью улучшения рабочих характеристик насоса и решения задачи повышения его ресурса.

В начало В начало

Имитационная модель

В связи с тем, что однокоординатная имитационная модель является универсальным, простым, оперативным, гибким средством проектирования, в комплексе расчетных моделей она занимает особое место по отношению к специальным 3D-моделям для гидродинамических, прочностных и других расчетов.

Имитационное моделирование позволяет решить задачи управления, регулирования, статики, кинематики, динамики и энергетики гидравлических механизмов с единых методических позиций и представляет собой объединяющее ядро расчетного комплекса.

Совокупность имитационных моделей составляет библиотеку. Разработка этой библиотеки — наиболее сложный и трудоемкий процесс в создании комплекса. Модели библиотеки создаются параллельно с разработкой устройств, являются эксклюзивными, отражающими опыт работы проектной организации и выполняются на научном уровне по результатам исследований.

Все имитационные модели в библиотеке представлены в двух видах: экспериментальные и теоретические. Экспериментальные модели построены на обобщении результатов модельных экспериментов в программах 3D-моделирования и используются как подмодели более крупных структур. Они обычно простые и быстродействующие. Теоретические модели подробно описывают «физику» процессов. Такие модели универсальны и используются для модельных экспериментов как на уровне отдельных устройств, так и в крупных структурах.

Библиотека имитационных моделей делится на библиотеку моделей гидроустройств и библиотеку моделей гидромашин. К группе гидроустройств относятся все гидроаппараты, вспомогательные элементы, гидроарматура и т.п., то есть все устройства, на которых энергия преимущественно рассеивается; к гидромашинам относятся гидронасосы, моторы, цилиндры, аккумуляторы и другие гидромеханические преобразователи.

Для систематизации имитационных моделей внутри группы гидромашин разработаны дополнительные критерии систематизации; то же предусмотрено и для гидроустройств. Модели гидроприводов и систем формируются на основе моделей гидроустройств и гидромашин и составляют дополнительный раздел библиотеки.

Комплекс специальных расчетных методик строится уже на базе имитационных моделей комплекса. Назначение этих методик состоит в обработке и обобщении результатов натурных и модельных экспериментов, а также результатов, полученных с помощью 3D-моделей и при выполнении нетиповых расчетов.

Имитационное моделирование основано на следующих зарекомендовавших себя принципах:

• принципе графического набора модели в блочно-структурной форме;

• принципе набора структуры с использованием последовательного вложения одной структуры в другую;

• модульном принципе формирования моделей: модели устройств набираются из элементарных подмоделей, как из модулей;

• принципе электрогидромеханической аналогии;

• энергетическом принципе и некоторых других.

Пример имитационной модели приведен на рис. 10. Пример расчета одной из характеристик насоса — индикаторной диаграммы представлен на рис. 11. Здесь, в частности, показана модель аксиально-поршневого насоса, представляющая собой объединенную определенным графом совокупность моделей рабочих процессов в его девяти поршневых камерах. Связь параметров рабочих процессов устанавливается на основе модельных исследований в программах комплекса, оперирующих 3D-моделями. Таким образом, в имитационной модели исследуется совокупная картина процесса.

В начало В начало

Заключение

Предлагаемый комплекс предназначен для решения в рамках единой концепции и на системной основе следующих задач машиностроительной гидравлики:

• выполнения всех основных типов расчетов;

• разработки новых методик расчетов по мере необходимости;

• выполнения нестандартных, нетиповых расчетов.

Использование комплекса, как показала практика, обеспечивает:

• оперативное выполнение основных типов расчетов устройств и систем машиностроительной гидравлики;

• повышение качества расчетных методик, их научной обоснованности, корректности и точности расчетов;

• аккумулирование опыта расчетов и проектирования, его обобщения;

• обобщение опубликованных результатов исследований других проектных организаций с целью последующего использования в собственной практике;

• удешевление процесса проектирования;

• замену большинства натурных экспериментов на модельные;

• использование для сопровождения всего жизненного цикла изделия.

Материальные затраты на приобретение специализированных программ математического моделирования и выполнение необходимых расчетов, как показывает опыт эксплуатации комплекса компанией ОАО «СКБ ПА», окупаются благодаря значительному сокращению экспериментальных работ и их переносу на модельные исследования.

В начало В начало

«САПР и графика» 5'2003