книги из ГПНТБ / Дубровский О.Н. Гидроэнергетические расчеты судовых силовых гидравлических приводов и систем

ростъ перемещения силового штока и; р — нагрузочный режим или рабочий перепад давления в гидромашине; ѵ — вязкость рабочей жидкости (кинематическая) как основной показатель ее физико­ химических свойств и температурного режима гидропривода.

Режимы работы судовых силовых гидроприводов подразделяются на рабочие, определяющие технические параметры механизма, и переходные.

В табл. 1 показан диапазон изменения спецификационных нагрузочных (р или М) и ско­ ростных (я или ѵ) параметров, характерных для наиболее рас­ пространенных судовых меха­ низмов с гидроприводом. Диа­ пазон изменения параметра регулирования г во всех случаях соответствует диапазону изме­ нения нагрузочно-скоростных параметров. Диапазон измене­ ния вязкости V на специфика­ ционных режимах зависит от

ассортимента масел, условий размещения и режимов использования гидроприводов.

В однотипных судовых гидроприводах используют масла, стан­ дартные вязкости которых отличаются друг от друга в 1,5—2 раза и более. Например, шестеренные насосы серии НШ, рабочие харак­ теристики которых по документации на поставку приводятся для масла ДП-11, в судовых гидроприводах работают на маслах инду­ стриальное 20 и АУ, стандартная вязкость которых в 3—5 раз ниже, чем у ДП-11.

Вязкость рабочей жидкости у палубных гидроприводов в летнее и зимнее время может значительно различаться — на установив­ шихся режимах в 10—20 раз, а на пусковых режимах, в отличие

от установившихся, — в 25—50 раз и более.

Т а б л иц а 1

Отношения минимальных и максимальных эксплуатационных параметров

__________________гидроприводов судовых механизмов______________________

7

§ 2

Основные характеристики судовых гидроприводов

Характеристики стационарных режимов. Стационарные характе­ ристики выражают (графически или аналитически) связь выходных параметров гидроприводов с параметрами установившегося режима.

Основными параметрами для судовых силовых гидроприводов в общем случае являются мощность, крутящий момент, объемный и механический к. п. д. в различных условиях использования (при пуске, зимой, при высокой температуре, ограничении мощности или момента, различных способах регулирования и т. д.).

Перечисленные выше параметры, а также характеристики, устанавливающие связь параметров с режимами работы гидропри­ вода, можно определить как гидроэнергетические. Гидроэнергети­ ческие параметры, входящие в техническую документацию на по­ ставку гидропривода или гидромашины в качестве гарантийных, называют спецификационными. Они, как правило, определяют ре­ жимы номинальной или максимальной нагрузки и скорости. Пара­ метры и режимы, отличные от спецификационных, называют теку­ щими. В ряде случаев текущие режимы называют также долевыми,

или режимами частичного использования.

Наименования гидроэнергетических характеристик опреде­ ляются параметрами, принятыми в качестве независимых перемен­ ных (г, п, р, ѵ). Соответственно эти характеристики делятся на регу­ лировочные, скоростные, нагрузочные, вязкостно-температурные по определенному выходному параметру (например, скоростная ха­ рактеристика по мощности). Таким образом, возможно большое число функциональных зависимостей характеристик. Для удобства наиболее распространенные из них могут иметь сокращенное наиме­ нование (механические, пусковые и т. д.). Рассмотрим эти характе­ ристики.

Экономические характеристики, или характеристики эффектив­ ности, выражают зависимость объемного, механического или общего к. п. д. гидромашины или гидропривода в комплексе от параметров режима, т. е. % (г, п, р, ѵ), цт {г, п, р, ѵ) или т]гп(Л1м), т) = г\ѵч\т.

Внешние характеристики выражают устойчивость или стабиль­ ность основных параметров гидромашин под воздействием нагрузки. Для насосов основным параметром является производительность (подача) в зависимости от давления при постоянной частоте вращения (наиболее распространенный режим использования насоса в гидро­ приводе), для моторов — частота вращения под воздействием тор­ мозного момента при постоянном расходе жидкости. Следовательно, внешние характеристики выражают предельные возможности гидро­ машин на соответствующих регулировочных и вязкостно-темпера­ турных режимах, т. е. QH (рИ) при пн = const, пм (Мм) или Мм (пи)

при QM— const.

8

Механические характеристики показывают влияние полезной нагрузки на частоту вращения исполнительного мотора, работаю­ щего в составе конкретного гидропривода. В отличие от внешних характеристик гидромашин, механические характеристики гидро­ приводов учитывают также непостоянство частоты вращения и подачи (производительности) насосного агрегата под влиянием на­ грузки на мотор. Следовательно, механические характеристики вы­ ражают предельные возможности конкретного гидропривода на соот­ ветствующем режиме, и в ряде случаев их называют внешними ха­ рактеристиками гидроприводов: ям(ГП) (Мы) при М м = war.

Энергетические характеристики выражают зависимость мощности или крутящего момента (полезного или потребляемого) от характер­

давление, необходимое для начала движения (вращения) мотора, находящегося под определенной нагрузкой, или полезную нагрузку, при которой можно осуществить вращение (движение) мотора в со­

Характеристики зимних режимов представляют собой механи­ ческие характеристики гидроприводов при высокой вязкости рабо­ чей жидкости или определяют полезную нагрузку при заданной ско­ рости в условиях работы при низких температурах рабочей жидко­

сти (высокой ее вязкости): яМ(ГП) (vf) при Мм = const, М ы (ѵг-) при

ного регулирования, минимально устойчивую частоту вращения мотора в составе конкретного гидропривода при соответствующих нагрузочных и вязкостно-температурных условиях и максимально допустимую скорость или расход гидромашины по условиям кавита­

ции: Дя (г, я, р, ѵ); Дя (Мм) или я™" (Мм, ѵ) и я (к) (p6ph, ѵ). Регулировочные свойства гидропривода характеризует также

показатель плавности регулирования, зависящий, однако, часто не столько от особенностей силового гидропривода, сколько от си­ стемы его управления (регулирования).

Тепловые, или температурные, характеристики определяют характер и продолжительность нагрева или охлаждения рабочей жидкости в процессе работы гидропривода, а также продолжитель­ ность прогрева гидропривода до рабочего состояния в зимнее время. Данные характеристики позволяют определить необходимость при­ менения маслоохладителя и его тепловую мощность: t (N) или t (т).

Оптимальные характеристики выражают зависимость общего к. п. д. от параметров режима в зоне, где к. п. д. достигает макси­ мального значения. По данным характеристикам определяют пара­ метры режима, обеспечивающие наиболее эффективную работу ги­ дропривода при заданных условиях его использования (при задан­ ной нагрузке, ограничении мощности или моторесурса и т. д.).

9

Универсальные характеристики выражают комплексную зависи­ мость ряда характеристик или параметров гидроприводов. Как правило, они выражают связь энергетических и экономических параметров гидромашин. По ним можно подобрать также и оптималь­

ные режимы.

Моторесурсные характеристики и характеристики виброаку­ стической •активности выражают зависимость данных параметров от основных режимов работы гидромашин или гидроприводов в це­ лом: Т (г, п, р, ѵ) и L (г, п, р).

Взависимости от особенностей гидроприводов и предъявляемых

кним требований, определяемых условиями использования их на

судах, может возникнуть необходимость в других рабочих характе­ ристиках. Однако в основном гидроэнергетические характеристики зависят от параметров режима работы гидропривода и их влияния на объемные и механические потери в гидромашинах.

Совокупность гидроэнергетических характеристик, представляю­ щих наибольший интерес при проектировании и эксплуатации судо­ вых гидроприводов, можно условно разделить на следующие группы:

—основные характеристики, определяющие главные паспорт­ ные (спецификационные) параметры гидроприводов и зависимости их изменений на переменных режимах (характеристики эффективно­ сти, энергетические, универсальные, внешние и механические ха­ рактеристики), а также некоторые специальные характеристики (моторесурсные, виброакустической активности), которые, не являясь непосредственно гидроэнергетическими, зависят от режимов работы гидроприводов и их конструктивных особенностей;

—вспомогательные характеристики, определяющие параметры гидроприводов в специфических условиях использования (пуско­ вые, регулировочные, кавитационные, зимние, температурные, опти­ мальные). Некоторые из характеристик данной группы могут быть основными.

Стабильность характеристик. Стационарные гидроэнергетические характеристики гидроприводов обладают определенной нестабиль­ ностью из-за нестабильности характеристик гидромашин, комплек­ тующих гидропривод. Для гидромашин одной и той же марки коор­ динаты точек характеристик могут существенно меняться, например для гидромашин первых и последующих выпусков — в результате совершенствования технологии обработки рабочих узлов; от износа

втечение срока службы; при изменении направления вращения или подачи — вследствие нарушения симметрии и качества приработки рабочих узлов; при повторных замерах, использовании других изме­ рительных приборов, изменении вспомогательного оборудования стенда и т. д. Стабильность выходных характеристик 'гидромашин определяется устойчивостью объемных и механических потерь или соответствующих к. п. д. под воздействием перечисленных условий.

Обработка результатов многократных измерений характеристик гидромашин, используемых в судовых гидроприводах, показывает, что расхождение данных по общему и частному к. п. д. при макси­

мальном использовании достигает 20%. Например, объемный к. п. д.

10

Мотора ГРП-2А первых выпусков при максимальном давлений 100 кгс/см2 и максимальной частоте вращения 100 об/мин был равен примерно 0,75%. В результате совершенствования технологии про­ изводства, повышения точности и качества обработки узлов он был доведен до 0,93—0,95%. В конце гарантированного моторесурса объемный к. п. д. снижается до 0,88 —0,9%.

На частичном режиме расхождения в фактических характери­

25—30% и общему—30—32% (рис. 2).

--0,155

В) Чт

Рис. 2. Значения к. п. д. насосов серии ПД: а — по результатам многократных изме­ рений; б — по результатам многократных измерений [1] и по данным каталога на

поставку [2].

Следовательно, характеристики гидромашин, рекомендуемые технической документацией на поставку или в качестве справочных данных, следует рассматривать как обобщенные, отражающие дей­ ствительные характеристики данной гидромашины с определенной точностью. Они могут быть построены по границам поля измерений как средняя эквидистантная, с определенным гарантийным «запасом» и т. д.

Таким образом, расчетные характеристики следует также рас­ сматривать как обобщенные для гидромашин данной марки на опре­ деленном режиме. В настоящее время нет общепринятых норм,

11

устанавливающих допустимые пределы расхождения характеристик гидромашин.

Расхождения фактических характеристик гидромашин, исполь­ зуемых в судостроении, обычно достигают 10% при максимальном использовании и 20—30% при параметрах режима 1 : 5 от макси­ мального. Эти пределы могут быть положены в основу выбора точ­ ности расчетных методов.

Динамические характеристики. Наряду со стационарными в тео­ рии гидравлических приводов изучаются также динамические ха­ рактеристики, которые отражают изменение гидроэнергетических параметров при переходе гидропривода с одного режима работы на другой, обусловленном пуском, остановкой, изменением скорости или направления движения.

Таким образом, динамические характеристики отражают переход­ ные процессы в гидроприводе. При этом главными являются вопросы быстродействия, изменения нагрузочных и скоростных параметров в переходном периоде. Следовательно, в общем случае динамические

гидромотора от момента подачи сигнала на органы регулирования гидропривода;

траз — время разгона, в течение которого скорость гидромотора

Время запаздывания начала движения мотора обусловлено вре­ менем, необходимым на перекладку органа регулирования гидро­ приводом тр (в насосах регулируемой производительности — время разворота люльки или блока цилиндров на заданную производи­ тельность, в гидроприводах дроссельного регулирования — время открытия дроссельного регулятора на заданную величину), време­ нем, необходимым на сжатие рабочей жидкости в рабочих полостях гидропривода тсж (в гидромашинах, силовых цилиндрах, трубопро­ водах, гидроаккумуляторах и т. д.), временем, необходимым для заполнения дополнительных объемов вследствие деформации маги­ стралей тдф, т. е.

Тзап Тр ф- Тсж —|- Тдф.

Величина тр достаточно стабильна и определяется главным образом параметрами регулирования гидромашины или дросселя

(%м> Тд).

ш ах.

Тр = —— ,

Р ^.шах '

где Трах — время перекладки от нулевого положения до максимального (для судовых двухпозиционных гидро- и электроманипуляторов оно равно 0,2—0,8 с; для судовых регулируемых насосов 0,2—0,5 с).

12

Формулу для расчета времени, необходимого на сжатие рабочей жидкости, можно определить в результате следующих преобразова­

ний:

— для силового гидроцилиндра

50 л, а тсж < 0,05 с.

Величина тдф определяется упругостью элементов гидропривода и

я« 500-ъ2000 кгс/см2).

Как видно, податливость стальных элементов гидропривода не­ значительна. Время, необходимое на заполнение деформированных объемов в судовых гидроприводах с наибольшей протяженностью стальных магистралей, не превышает 0,0001 с. Упругие свойства магистралей в основном определяются по гибким шлангам. Общий объем жидкости в гибких шлангах судовых гидроприводов не превы­ шает 10% объема жидкости в трубопроводах, поэтому даже значи­ тельное увеличение объема деформации гибких соединений под дей­ ствием высоких давлений не оказывает ощутимого влияния на пе­ риод запаздывания. Для судовых гидроприводов тр <$/ 0,001 с. Сле­ довательно, тзап определяется главным образом величиной тр, т. е. особенностями системы регулирования гидропривода.

Длительность разгона гидропривода обусловливается в основном

то скорость гидропривода изменяется, вызывая изменение запаса кинетической энергии всего движущегося комплекса. При этом по­ является избыточный, или динамический, момент, представляющий

13

собой алгебраическую разность момента, располагаемого гидропри­ водом, и момента рабочей машины, вызывающего переходный ре­ жим, т. е.

МгТ Х-М ст= М дин.

В условиях разгона гидропривода максимальный располагаемый момент ограничивается предохранительными клапанами, вследствие инерционности которых, однако, гидропривод часто на защищен в пусковой период от динамической перегрузки. Поэтому максималь­ ный момент гидропривода в период разгона можно определить по пусковому давлению в гидросистеме (см. § 22):

М™х = 1,59<7/Х-

Момент, создаваемый нагрузкой Мм (см. § 9), определяется по параметрам гидропривода на установившемся режиме:

Мст = Мм = 1,59дмгмцтм (рн — р„).

Из теории машин и механизмов известно, что

стоянной скоростью.

Динамический момент гидропривода можно записать в виде

стралях гидропривода от источника энергии (насоса, пневмогидроаккумулятора) до мотора.

Величину GDp. * можно определить из выражения [27]: CDS. ж = 6,25 8

где j — плотность жидкости, кг/м2;

К2 ;

,зо-кг2

lt и S ( — длина и площадь поперечного сечения участков трубо­ провода соответственно.

14

Выражение для Мди„ представляет собой дифференциальное уравнение первого порядка. Для его решения разделим переменные и проинтегрируем отдельно правую и левую части. Тогда получим выражение времени разгона или пуска гидропривода

пм

При выключении гидропривода Л1™ах = 0, а статический момент сопротивлений (нагрузки) Мст вызывает отрицательный динамичес­ кий момент:

принудительное гидравлическое торможение (запирание системы, дросселирование на выходе) или механическое. Время принудитель­ ного торможения в указанном случае

GD2rnnM

Тт о р - 375(АГтор + Мм) ’

где Мтор — момент, создаваемый системой принудительного тормо­ жения; при гидравлическом запирании системы Мтор определяется по пределу настройки предохранительных или тормозных (дроссель­ ных) клапанов.

Расчеты показывают, что время разгона и торможения судовых гидроприводов менее 0,1 с. При этом маховой момент, создаваемый инерцией рабочей жидкости в трубопроводах, не оказывает значитель­ ного влияния иа продолжительность данных периодов. Действитель­ ное время разгона часто достигает 0,5 с и более. Сказывается влияние предохранительных клапанов, которые успевают перепустить часть рабочей жидкости, уменьшив ее подачу через гидромотор, и сниже­ ние в пусковой период частоты вращения электронасосного агре­ гата.

Опыт эксплуатации судовых гидроприводов свидетельствует о их высоком быстродействии, отвечающем наиболее жестким требованиям,

15

которые могут предъявлять судовые механизмы к силовому приводу. Поэтому расчеты быстродействия в практике проектирования судо­ вых силовых гидроприводов не производятся. Однако они яляются обязательными для гидравлических следящих систем управления.

Из нагрузочно-скоростных параметров переходного процесса для судовых силовых гидроприводов наибольшее значение имеют сле­ дующие:

—максимальные давления и полезный крутящий момент в пуско­ вой период;

—минимально устойчивая частота вращения гидромотора при

различной нагрузке;

— гидравлические потери в магистралях системы, вызываемые переходными процессами.

§ 3

Гидроэнергетические параметры и обратимость объемных гидромашин

Основные определения. Теоретические соотношения основных гидроэнергетических параметров гидромашины на стационарном

объемной гидромашины, Мт — нагрузочные и /Д — энергетические. Параметр регулирования аксиально-поршневых гидромашин с изменяемым углом наклона блока цилиндров или силовой шайбы

Для гидромашин с переменным эксцентриситетом (радиально­ поршневые)

где Н — величина эксцентриситета.

Теоретический или геометрический объем гидромашины имеет связь с действительным объемом (расходом или производитель­ ностью) через утечки (объемные потери), которая выражается для насоса и мотора соответственно

Qh= Qh— AQh и Qm= QM-|~ АQM,

16