Исследование и разработка гидравлических регулирующих устройств с плавающим диском для регуляторов прямого действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Юферев, Юрий Борисович

• Юферев, Юрий Борисович
• кандидат технических наук
• 1983

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юферев, Юрий Борисович

ВВЕДЕНИЕ. 5"

ГЛАВА ПЕРВАЯ. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ В КАЧЕСТВЕ РЕГУЛИРУЮЩЕГО ОРГАНА. W

1.1. Состояние вопроса

1.2. Обзор литературы. . . . '. ^

1.3. Постановка задачи.

ГЛАВА ВТОРАЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ С ПЛАВАЮЩИМ ДИСКОМ

2.1. Описание принципиальной схемы и принципа действия регулирующего устройства с плавающим диском

2.2. Экспериментальная установка

2.3. Испытания модели с поступательным перемещением диска.

2.4. Экспериментальные исследования модели^ с односторонним перемещением диска. Методика обработки результатов испытаний.

2.5. Определение коэффициента гидравлического сопротивления и коэффициента расхода регулирующего устройства.

2.6. Определение подъемной силы диска. б

2.7. Определение коэффициентов расхода зазора и дросселя 9Z

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯ СКОРОСТЕЙ И ДАВЛЕНИЙ ПОТОКА НА ПЛОСКОСТЯХ ДИСКА. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1. Цели и задачи исследования.

3.2. Сравнительный анализ известных численных методов

3.3. Основные положения методики расчета потока в проточной части регулирующего устройства . №

3.3.1. Задание граничных условий

3.3.2. Применение метода КЭ для расчета потенциального поля. Ю

3.4. Функции формы элемента.

3.5. Дискретизация на отдельные элементы. И

3.5.1. Вычисление компонентов матриц II Н II и (Ь)е . . . ^

3.6. Алгоритм расчета потока в проточной части регулирующего устройства.

3.7. Описание расчетов

ВЫВОДЫ. №

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА . М

4.1. Дифференциальное уравнение движения диска

4.2. Экспериментальное определение динамической характеристики диска.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА ПЯТАЯ. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И МЕТОДИКА

РАСЧЕТА РЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ. №

5.1. Общие замечания. . №

5.2. Определение основных параметров регулирующего устройства.

5.2.1. Гидравлический расчет

5.2.2. Определение основных размеров регулирующего устройства. 75*/

5.2.3. Расчет привода.

ГЛАВА ШЕСТАЯ. ВНЕДРЕНИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. /

6.1. Внедрение, экономическая эффективность применения и некоторые направления в развитии дисковых регулирующих устройств.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.176

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка гидравлических регулирующих устройств с плавающим диском для регуляторов прямого действия»

Интенсивное развитие комплекса отраслей, создающих техническую базу для автоматизации производства и управления, а также обострение проблемы экономии материальных и энергетических ресурсов обусловило возрастающую потребность в регулирующей и запорной арматуре для технологических линий и систем управления. Это вызвало быстрое развитие арматурной промышленности, которая, не успевая удовлетворять спрос народного хозяйства, ищет возможности создания новых регулирующих устройств, способных не только заменить старые, но и качественно превзойти их.

С увеличением удельного веса регулирующих устройств в оборудовании промышленных предприятий и с усложнением их функций изменяются требования, предъявляемые к этим устройствам со стороны потребителей. Особое внимание обращается на надежность, компактность, простоту обслуживания, стоимость и максимальную унификацию регулирующих устройств между собой.

Среди выпускаемой арматуры большой удельный вес имеют приборы и устройства, работающие без использования постороннего источника энергии. Высокая надежность, низкая стоимость, работа без высококвалифицированного обслуживания, простота наладки, монтажа и высокие метрологические характеристики таких регуляторов способствуют росту потребности в них в самых различных отраслях народного хозяйства. Среди этих приборов наиболее распространены устройства, осуществляющие непрерывные законы регулирования. Это регуляторы температуры, расхода, давления, уровня и т.д., которые стабилизируют регулируемые параметры путем дросселирования потока жидкости.

Основными потребителями регуляторов прямого действия являются газовая, нефтехимическая, нефтеперерабатывающая промышленности, дизелестроение, коммунальное хозяйство, строительство и др.

Увеличение добычи и транспортирования газа вызвало увеличение диаметров магистральных газопроводов, что, в свою очередь, вызвало потребность в регуляторах давления газа с большими диаметрами условного прохода. 35 % добываемого в стране твердого топлива расходуется в настоящее время на отопительные нужды. Для снижения потребления в отопительных установках твердых видов топлива и мазута, существенно загрязняющих атмосферу, рекомендовано увеличить подвод к городам и поселкам природного газа, увеличить количество и номенклатуру газовых аппаратов, что влечет за собой увеличение потребности в регуляторах среднего и низкого давления газа.

СССР занимает первое место в мире по масштабам развития теплофикации. Потребление тепла в СССР каждые 15 лет удваивается. Учитывая, что при установке регуляторов температуры в системах теплофикации расход тепловой энергии сокращается более, чем на 20 % [46] , Госстроем СССР намечено повсеместно автоматизировать абонентские вводы. Поэтому потребность в регуляторах температуры для абонентских вводов возрастает в десятки раз.

В связи с высокими темпами развития дизелестроения и автомобильной промышленности потребность в регуляторах прямого действия для этих отраслей возросла за последние 3 года в 2 раза [69] .

Придавая большое значение вопросам повышения эффективности использования, надежности и качества регуляторов ЦК КПСС и СМ СССР приняли Постановления № 302-104 от 14.04.75 г., включающее разработку новых видов регуляторов с повышенным ресурсом. Приказом № 0074 от 19 ноября 1979 г. ряд работ по созданию новых видов регуляторов включены в план важнейших работ Минприбора. Эти обстоятельства обуславливают актуальность научных работ, направленных на дальнейшее развитие регуляторов прямого действия и исполнительных механизмов к ним.

Исходя из прогнозов развития отраслей потребителей, намечены основные направления научно-технического развития средств автоматизации, работающих без использования постороннего источника энергии:

- построение приборов на основе унифицированных типовых узлов, обеспечивающих общую технологическую базу и взаимозаменяемость;

- модернизация устаревших конструкций;

- расширение области применения приборов (расширение диапазона регулирования, повышение рабочих давлений, температуры регулируемой и регулирующей сред, повышение надежности);

- исследование и создание принципиально новых приборов.

Эти повышенные требования к автоматическим регуляторам привели к необходимости тщательного анализа возможных путей их развития. Одним из таких перспективных направлений оказалось использование в качестве регулирующего элемента плавающего диска.

Известно, что изменение параметров технологической среды осуществляется регулирующим органом, в качестве которого используются заслонки, клапаны, шиберы, золотники и т.д. Ввиду больших гидродинамических сил, воздействующих на регулирующий орган со стороны технической среды, для его перемещения используется жестко связанный с ним привод, который является промежуточным звеном между чувствительным элементом и регулирующим органом. Причем, при увеличении гидродинамических сил, воздействующих на регулирующий орган со стороны технологической среды, увеличивается и необходимая для его перемещения мощность.

Наличие жестких связей между приводом и регулирующим органом ставит ряд технологических трудностей, связанных с наличием трущихся поверхностей в направляющих регулирующего органа, и требует дополнительных источников питания для привода.

Использование плавающего диска в качестве регулирующего ор гана позволяет изменить схему построения регулятора, исключить жесткие связи между приводом и регулирующим органом и осуществить управляющее воздействие привода на регулирующий орган через технологический поток.

В настоящей работе рассматриваются результаты исследований, проведенных автором в процессе создания гидравлических регулирующих устройств с плавающим диском для регуляторов прямого действия.

На основе экспериментальных исследований выявлен характер распределения давлений на плоскостях диска, найдены зависимости, определяющие его гидравлические характеристики, и определены оптимальные геометрические соотношения дискового устройства.

Теоретические исследования послужили основой для разработки методики расчета и проектирования устройств.

Весь объем работы распределен по главам следующим образом.

В главе I дан обзор и анализ состояния гидравлических регулирующих устройств с дифференциальными элементами в качестве регулирующего органа, которые послужили преообразом рассматриваемого устройства, а также дан обзор литературы по методам их расчета.

В главе П изложены результаты экспериментального исследования гидравлических характеристик четырех вариантов моделей регулирующего устройства, выявлены параметры, влияющие на подъемную силу диска, и выведено уравнение статической характеристики устройства.

В главе Ш дан сравнительный анализ существующих численных методов расчета пространственных и плоских потоков жидкости в каналах са сложными криволинейными границами, выбран метод расчета и проведены теоретические исследования основных параметров дискового регулирующего устройства. Произведено сравнение экспериментальных и теоретических результатов.

В главе 1У приведен вывод дифференциального уравнения движения диска, определен вид переходного процесса и приведены результаты экспериментальных исследований динамических свойств дискового устройства.

В главе У приведены рекомендации по проектированию и методика инженерного расчета дисковых регулирующих устройств.

В главе У1 приведены данные о внедрении в производство и экономической эффективности результатов исследования.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Юферев, Юрий Борисович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе анализа и исследования предложен принципиально новый тип гидравлического регулирующих элемента в виде плавающего диска. Исполнительные механизмы, построенные на его базе, отличаются простотой, уменьшенными габаритами, большой надежностью и позволяют применять маломощные управляющие приводы.

2. Исследованы рабочие процессы формирования подъемной силы диска. Найдены оптимальные геометрические соотношения, обеспечивающие получение требуемых эксплуатационных характеристик.

3. Разработан метод расчета потока в проточной части дискового исполнительного механизма на основе метода конечных элементов. Метод реализован в виде комплекса ФОРТРАН-программ для ЭВМ серии ЕС и позволяет производить расчет потока практически для всех видов дисковых исполнительных механизмов. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными показало удовлетворительное совпадение характеристик потока.

4. Получено дифференциальное уравнение движения диска. Результаты расчета подтверждаются результатами эксперимента. При этом установлено, что дисковые исполнительные механизмы можно считать апериодическими звеньями первого порядка.

5. Рассмотрены наиболее важные для практики типы дисковых регуляторов температуры прямого действия. Дана методика их расчета и проектирования. 6. Результаты диссертационной работы использованы в НИИТехно-приборе при разработке ряда дисковых регуляторов температуры типа РТ-М-М по ТУ 25-10 (4С2.574.133)-81 взамен серийно выцускаемых Старорусским приборостроительным заводом регуляторов типа РТ-М, а также регуляторов типа РТ-2М взамен серийно выпускаемых Сафонов-' ским заводом "Теплоконтроль" регуляторов типа РТ. Регуляторы успешно прошли лабораторные, промышленные и междуведомственные испытания. Промышленное освоение регуляторов начато в 1982 г.

Ожидаемый экономический эффект составит не менее 1,5 млн.рублей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юферев, Юрий Борисович, 1983 год

1. АЛЬТШУЛЬ А.Д. Местные гидравлические сопротивления при движении вязких жидкостей. Гостехиздат, 1962.

2. АЛЬТШУЛЬ А.Д., АРЗУМАНОВ Э.С. Кавитационные характеристики промышленных регулирующих клапанов. "Энергомашиностроение", № 7, 1967, стр. 23-27.

3. АЛЬТШУЛЬ А.Д., КИСЕЛЕВ П.Г. Гидравлика и аэродинамика. Строй-издат, 1965.

4. АРОНОВИЧ В.В., СЛОБОДШН М.С. Арматура регулирующая и запорная. Машгиз, 1953.

5. АРЗУМАНОВ Э.С. Расчет и выбор регулирующих органов автоматических систем. "Энергия", М., 1971.

6. АРТОБОЛЕВСКИЙ И.И. Теория механизмов и машин. М., Наука, 1975.

7. БАЙ-ШИ-И Введение в теорию течения сжимаемой жидкости. М., ИЛ 1961.

8. БАШАРИН A.B. Расчет динамики и синтез нелинейных систем управления. Госэнергоиздат, М., i960.

9. БАШТА Т.М. Гидравлические следящие приводы. М., Машгиз, i960.

10. БЕРЕНДС Т.К., ЕФРЕМОВА Т.К., ТАГАЕВСКАЯ A.A. Элементы и схемы пневмоавтоматики. М., Машиностроение, 1968.

11. БЕРЕЗОВЩ Г.Т., МАЛЫЙ А.Я., НАДЖАР0В Э.М. Приборы пневматической агрегатной унифицированной системы и их использование для автоматизации производственных процессов. М., Гостоптех, 1962.

12. БЛАГОВ Э.Е., ИВАНИЦКИЙ Б.Я. Дроссельно -регулирующая арматура в энергетике. "Энергия", М., 1974.

13. БОГАЧЕВА A.B. Пневматические элементы систем автоматического управления. М., Машиностроение, 1966.

14. БОЙД, РАЙС. Ламинарное течение мевду вращающимися дисками при подводе несжимаемой жидкости с периферии. Прикладная механика, "Мир", № 2, 1968.

15. ВАЙСЕР И.В., КАСИМОВ А.М. Система модулей струйной техники. СМСТ-2 "Приборы и системы управления" № 5, 1970.

16. ВИДИНЕЕВ Ю.Д. Автоматическое непрерывное дозирование жидкостей. "Энергия", М., 1967.

17. ВИЛЬНЕР Я.М., КОВАЛЕВ Я.Т., НЕКРАСОВ Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. "Вышейшая школа',' Минск, 1976.

18. ГАВРИЛЕНКО Б.А., МИНИН В.А., РОЖДЕСТВЕНСКИЙ Гидравлический привод. "Машиностроение", 1968.

19. ГИЛЬМАН Л.М., СПРУДЭ И.К. Регулятор давления прямого действия, а.с. № 175753, кл. 42^/10.

20. ГИЛЬМАН Л.М., СПРУДЭ И.К. Шаровой регулятор расхода жидкости. А.с. № 185646, кл. 47^, 13.

21. ГИНЗБУРГ И.П. Прикладная гидрогазодинамика. ЛГУ, 1958.

22. ГОЛЬДИН А.В. К расчету осесимметричного потока в гидротурбине. Энергомашиностроение, № 12, 1971.

23. ГОЛЬДСТАЙН, РИЧАРДСОН. Теоретические основы инженерных расчетов. Труды американского общества инженеров-механиков. Мир,2, 1968.

24. ГУРЕВИЧ М.И. Теория струй идеальной жидкости. М., "Наука", 1979.

25. ГУРЕВИЧ Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. "Машиностроение", Л., 1969.

26. ГУРЬЕВ В.П., П0Г0РЕЛ0В В.И. Гидравлические объемные передачи. Государственное издательство научно-технической литературы, М.-Л., 1964.

27. ГУХМАН A.A. Теория подобия, ее сущность, методы и реальные возможности. "Химическая промышленность", № 7, 1965.

28. ДОРФМАН Л.А. Численные методы в газодинамике турбомашин.Л., Энергия, 1974.

29. ДУДНИКОВ Е.Г. Основы автоматического регулирования тепловых процессов. Госэнергоиздат, 1956.

30. ЗАХАРОВ Ю.Е., БАРАНОВ В.Н. и ШМЛО Я. Определение коэффициента расхода и гидродинамической силы на золотниках гидравлических сервомеханизмов. "Станки и инструмент", № 3, 1962, стр. 16-21.

31. ЗЕНКЕВИЧ 0., ЧАНГ И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. "Недра", М., 1974,

32. ЗЕНКЕВИЧ 0. Метод конечных элементов в технике. М.,Мир,1975.

33. ИДЕЛЬЧИК И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.-Л. Госэнергоиздат, i960.

34. ИДЕЛЬЧИК И.Е. Гидравлические сопротивления. Госэнергоиздат, 1954.

35. КАРЕВ В.И. Потери напора при внезапном сужении и влияние местных сопротивлений на нарушение потока. "Нефтяное хозяйство", № 8, 1958.

36. КЛАЙН С.Д}К. Подобие и приближенные методы. Перевод, Мир, М., 1968.

37. КОННОР ДЖ., БРЕБИА К. Метод конечных элементов в механике жидкости. Л., Судостроение, 1979.40,4L