2. Алгоритм проектирования элементов объёмных гидроприводов
Современные гидроприводы объединяют функционально разнородные гидроэлементы: насосы, гидромоторы, гидрораспределители, клапаны и т.д. Требования к характеристикам таких систем носят многокритериальный характер и постоянно возрастают. Вместе с тем, при минимизации сроков их создания должно обеспечиваться высокое качество процесса их проектирования. В этом случае важнейшей процедурой процесса создания данных гидроприводов следует считать качественное проектирование комплектующих гидроэлементов.
В основу предлагаемого подхода к проектированию гидроэлементов положен принцип первоочередного и максимального использования их существующей номенклатуры. Система проектирования гидроэлементов гидроприводов предусматривает три варианта построения проектировочного процесса. Первый вариант состоит в попытке отыскания и обоснования возможности применения уже известных типоразмеров элементов, разработанных для ранее созданных гидроприводов определённого назначения. Этот вариант реализуется путем анализа существующей научно-технической информации. Если первый вариант не дает положительного результата, то исследуется возможность создания гидроэлементов под заданные требования на основе выбранного аналога, имеющего типовую конструктивную схему. Второй вариант реализуется с помощью методов расчёта и программных продуктов, разработанных применительно к определённым конструктивным схемам гидроэлементов. Третий вариант предусматривает создание комплектующих гидроэлементов на основе оригинальных конструктивных решений и базируется на обобщённом математическом и программном обеспечении, характерном для типовых модификаций гидроэлементов. Проектирование комплектующих гидроэлементов по второму и третьему вариантам проводится с использованием асимптотического метода формирования облика объекта проектирования, предусматривающего начальный выбор конструктивных параметров на основе упрощённых (статических) моделей и последующее уточнение этих параметров на этапах анализа характеристик, корректировки и оптимизации параметров, базирующихся на динамических моделях более высокого уровня.
Алгоритм проектирования комплектующих гидроэлементов гидроприводов, соответствующий вышеприведённым вариантам и принципам построения проектировочного процесса представлен на рис.3.
Рис.5. Алгоритм проектирования элементов объёмных гидроприводов
Техническое задание на проектирование гидроэлементов должно содержать основные требования к их характеристикам, которые определяются их назначением и требованиями технического задания на проектирование гидропривода. На начальном этапе осуществляется анализ существующих конструктивных решений гидроэлементов с целью поиска их образца, характеристики которого совпадают с требованиями технического задания или близки к ним. Поиск проводится по данным каталогов типовых конструкций, научно-технической литературы, рекламной информации и т.п.
Сначала характеристики имеющихся конструкций гидроэлементов сравниваются с номиналом технического задания. Если выбранный образец в полной мере удовлетворяет требованиям технического задания, то он принимается к изготовлению, и выбор гидроэлемента считается успешно завершенным. В случае несовпадения характеристик организуется поиск аналогов элементов.
Выбранная конструкция аналога проверяется на соответствие требуемым рабочим характеристикам и возможность её корректировки путем расчёта с использованием математических моделей и методов статического и динамического расчёта. На уточнённый таким образом гидроэлемент разрабатывается конструкторская документация на опытный образец, изготавливается опытный образец гидромашины, который подвергается типовым испытаниям с применением методов оценки технических показателей работоспособности. Если результаты расчётов и испытаний покажут, что аналог при соответствующей доработке обеспечит выполнение требований технического задания, то производят разработку его конструкторской документации и принимают к изготовлению. В противном случае необходимо вернуться на этап выбора аналога. В том случае, если не удалось выбрать соответствующий аналог, необходимо перейти к этапу проектирования на основе формирования новых конструктивных решений гидроэлемента. При этом его структура может быть выбрана с учетом требований
технического задания из каталогов конструкций существующих гидроэлементов либо сформирована вновь. Здесь большую роль играют интуиция и производственный опыт конструктора-разработчика, а также сложившаяся на предприятии практика построения структуры гидроэлементов.
Этап «Анализа характеристик и оптимизации параметров» реализуется с помощью известных или оригинальных математических моделей и методов расчёта элементов. Целью этого этапа является, во-первых, оценка соответствия выбранных конструктивных размеров элементов, во-вторых, - оптимизация полученной конструкции.
Далее осуществляется разработка документации, изготовление и испытания опытного образца гидроэлемента. Образец подвергается предварительным и приёмочным испытаниям. В ходе предварительных испытаний оцениваются работоспособность, параметры и характеристики спроектированного образца, а также его соответствие предъявленным к нему требованиям. В результате приёмочных испытаний окончательно определяются параметрические показатели и характеристики разработанного гидроэлемента и делается вывод о целесообразности его производства. Если результаты расчётов и испытаний покажут, что принятое конструктивное решение удовлетворяет требованиям технического задания, то переходят к последующим этапам разработки. В противном случае осуществляется параметрическая и структурная корректировка конструкции гидроэлемента.
В процессе разработки конструкторской документации, кроме реализации основной цели – создания технической документации, определяется оптимальная совокупность конструктивных параметров (номиналов и допусков на изготовление), обеспечивающих выполнение заданных в техническом задании требований, а также для обоснования принятых конструктивных решений с помощью типовых методов выполняются прочностные расчёты и расчёты надёжности. Оценка прочности конструкции занимает в процессе проектирования гидроэлементов важное место, что обусловлено использованием в качестве рабочего тела различных жидкостей под высоким давлением (до 45 – 50 Мпа), а также стремлением получить минимальные массогабаритные характеристики. Широко применяемым методом прочностных расчетов считается метод конечных элементов, основанный на замене реальной конструкции расчётной моделью, построенной из так называемых конечных элементов с определенными свойствами. Замена действительной конструкции дискретной моделью делает возможным применение численных методов расчёта напряжений и деформаций. Для анализа прочности элементов могут быть использованы известные программные комплексы: «Nastrаn», «ANSYS», «Cosmos» и другие.
Одним из основных показателей качества гидроэлементов является надежность функционирования. Для оценки надежности проектируемых элементов возможно использование двух подходов. В первом случае считается, что потеря работоспособности вызвана внезапными отказами их деталей и узлов, т.е. дается оценка надежности на основе статистических данных об интенсивности отказов деталей и узлов. Во втором случае полагается, что нарушение работоспособности вызвано постепенными или параметрическими отказами, возникающими из-за технологических и эксплуатационных погрешностей параметров (разброса параметров в пределах допусков, неоднородности свойств материалов, процесса износа и старения, воздействия наработки ресурса и др.).
Завершающими этапами процесса проектирования гидроэлементов гидроприводов являются разработка конструкторской документации, изготовление, контроль качества и предъявление готовых изделей потребителю. В случае положительного решения гидроэлемент направляется к потребителю для эксплуатации, в противном случае производится параметрическая и структурная корректировка его конструкции либо, по возможности, - корректировка требований технического задания на его проектирование.