Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Компьютерное исследование и расчёт гидродинамических нагрузок на золотник

# 10, октябрь 2012
DOI: 10.7463/1112.0491484
Файл статьи: Салман_P.pdf (1444.84Кб)
авторы: Салман М. И., Попов Д. Н.

УДК 62-522

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

Salman.73@mail.ru

 

Введение

    При проектировании гидравлических регуляторов и элементов следящих гидроприводов с золотниковыми устройствами важно правильно определять силы, необходимые для того, чтобы  перемещать золотник. Эти силы слагаются из трех составляющих: силы, преодолевающей инерцию золотника, силы трения, действующей на поверхности золотника,  и, наконец, осевой силы, возникающей при обтекании золотника потоком рабочей жидкости (РЖ). Последняя сила (гидродинамическая) может быть наибольшей из трех названных.

    Трудности, в вычислении силы трения и осевой  гидродинамической силы, вызваны  сложностью течения РЖ в  каналах золотникового распределителя, которые, как правило, имеют сложную форму, что не позволяет  аналитически найти распределение давления на торцах поясков золотника. В связи с этим осевые гидродинамические силы, действующие  на золотник, обычно рассчитывают, используя плоскую модель золотника и уравнения импульсов, записанные для потока РЖ, обтекающей пояски в золотника . Современное компьютерное обеспечение решений задач гидродинамики делают возможным дальнейшее развитие методов расчета золотниковых распределителей, рассматривая в них пространственные течения РЖ.

     В данной статье с помощью метода конечных элементов (МКЭ) определены гидродинамические силы, действующие на цилиндрический золотник, применяемый в электрогидравлическом усилителе с двумя ступеням усилением (ЭГУ). В таких ЭГУ предлагается исключить первую ступень усилителя, применив пропорциональное управление золотником непосредственной от электромеханического преобразователя (ЭМП). Для этого случая построены  3D модели золотникового распределителя (рис. 1),а также получены модели потока РЖ (рис. 2), при отсутствии облитерации зазоров между золотником и втулкой .

       Предварительно был сделан выбор размеров элементов гидропривода и вычислены указанные ниже  исходные  данные для расчета гидродинамической нагрузки на золотник с пропорциональным управлением при помощи ЭМП   .

Наружный диаметр золотника , диаметр шейки золотника , расстоянии между поясками; , , давление подводимой РЖ , давления на сливе РЖ из золотника , РЖ масло АМГ-10 , коэффициент расхода золотника  .

Максимальное смещение золотника

Ширина окна в гильзе в, число окон в гильзе , каждый поясок золотника имеет положительные перекрытия 20 мкм.

Максимальный расхода РЖ

       Затем в 3D была представлена модель золотника вместе с гильзой (рис. 1)  и построены модели потока РЖ, подводимым в центре и по кроям золотникового распределителя (рис. 2)   

 

 

 

Рис.1.  3D модели и продольные разрезы золотников  с подводом РЖ в центре золотника  (а) и по краям золотника (б)

 

(а)                                                                        (б)

Рис. 2. 3D модели распределения потока  РЖ в полостях золотника при подводе РЖ в центре золотника «а» и по краям золотника «б»

      Расчётная сетка 3D модели потока РЖ для каждой полости золотника содержит 132538 элементов и 27125 узлов, (рис. 3).

 

 

Рис .3. 3D модель расчётной сетки распределения РЖ

 

       После расчета гидродинамических осевых и радиальных сил, действующих на  золотник, для каждой полости при нескольких смещениях золотника построены графики, представленные на рисунке 4 (а). Эти графики  показывают зависимости радиальных(Y.Z) и осевых(X) сил, возникающих в каждый полсти  от смещения золотника диаметром 6 мм, при отсутствии разности давлений в выходных каналах золотникового распределителя. При разности давлений равных   в выходных каналах золотникового распределителя, указанные  зависимости радиальных(Y.Z) и осевых(X) сил от смещения золотника даны на рисунке  4 (б). Суммарная гидродинамическая сила, приложенная к золотнику получена сложении сил, действующих на золотник в полостях 1 и 2 (рис 7)

 

 (а)

 (б)

Рис. 4. Графики зависимостей проекций радиальных(Y.Z) и осевых(X) сил от смещения золотника при отсутствии разности давлений в выходных каналах золотникового распределителя - (а)  и при  разности давлений в выходных каналах золотникового распределителя - (б)

      С помощью МКЭ было определено распределение давлений на поверхности золотника диаметрам 6 мм  в полости-1 и в полости-2,  показано на рис. 5 . Кроме того, получено распределение осевых гидродинамических сил, действующих на золотник в полости-1 и в  полости-2 при смещении золотника на максимальное значение, равное  0,6 мм (рис. 6).

Вследствие увеличения скоростей движения среды в области открытых окон, давление около кромок поясков будет пониженным по сравнению с давлением, действующим на центральную часть этих поясков и на всю торцовую поверхность противоположных поясков и возникает отрицательные значения давлений и осевых гидродинамических сил на кромок поясков близки окон щели.

 

полость-1                                                полость-2

 

Рис. 5. Распределение давления на поверхности золотника в полостях 1 и 2 при смещении золотника 0,6 мм

 

полости-1                                                    полости-2

Рис. 6. Распределение осевых гидродинамических сил, действующих на золотник в полостях 1 и 2,  при смещении золотника 0,6 мм

       Для сравнения значений гидродинамических сил, вычисленных с помощью МКЭ и аналитическим методом  , построены графики, приведенные на рисунке 7.

 

Рис. 7. Графики гидродинамических сил, полученных с помощью МКЭ и аналитическим методом,   

 

       Верификация  расчёта гидродинамических сил с помощью МКЭ выполнена по результатам экспериментов, опубликованных в работе . Графики расчетных и экспериментальных гидродинамических сил приведены на рисунке 8. 

 

Рис. 8.Сравнение значений  гидродинамической осевой силы, вычислены по МКЭ и экспериментальные данные для золотника  

 

     На рис. 9. представлены виды потоков РЖ в полостях золотника  при управлении течением на входе и на выходе распределителя, полученным  с помощью МКЭ. Вид потоков аналогичен потокам, приведенным в работе  .

Рис.9. Виды потоков РЖ в полостях золотника при управлении течением на выходе (а) и на входе (б) распределителя (1-золотник. 2-гильза)

 

        Для исследования влияния условий эксплуатации золотникового распределителя, вычислены значения осевой гидродинамической силы, действующей на золотник диаметрам  , при разных температурах РЖ. В результате компьютерного моделирования, получены значения осевых гидродинамических сил при температурах -40 °С. и  +50 °С (рис. 10).

Графики показывают, что при низких температурах, гидродинамическая сила уменьшается на 87 % по сравнению сгидродинамической силой при температуры +50 °С.

 

Рис.10. Гидродинамические осевые силы, действующие на золотник   при температурах РЖ : +50 °С и  -40 °С;   

 

Заключение и выводы

·       Результаты компьютерного моделирования и аналитического расчета различаются не более, чем на 2 % при смещении золотника 0,6 мм.

·       Расхождение результатов компьютерного моделирования и экспериментальных данных не превышает 5 %.

·       Температура РЖ существенно влияет на осевую гидродинамическую силу.

 

 

Список литературы

 

1.     Литвин-Седой М.З. Гидравлический привод в системах автоматики. М.: Машгиз, 1956. 312 с.

2.     Попов Д.Н. О силах сопротивления, возникающих в золотниковых устройствах // Вестник машиностроения. 1958. № 2. С. 26-28.

3.     Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. М.: Машиностроение, 1987. 464 с.

4.     Шадрина Е.М., Волкова Г.В. Определение теплофизических свойств газов, жидкостей и водных растворов веществ. Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т., 2009. 80 с.

5.     Целищева К. А. Исследование течения жидкости в проточной части рулевого привода летательного аппарата // Всероссийская научно-техническая конференция  студентов и аспирантов  «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика»: сб. докл. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. С. 237-241.   

6.     Смельницкий С.Г., Калашников A.A., Миндрин В.И. Исследование гидродинамических усилий на золотниках систем регулирования // Теплоэнергетика. 1972. Вып. 1. С. 68 -72.

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2024 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)