Разработка и исследование электрогидравлического следящего привода для испытаний арматуры железобетонных конструкций и их элементов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.13, кандидат технических наук Чвялев, Дмитрий Станиславович

• Чвялев, Дмитрий Станиславович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чвялев, Дмитрий Станиславович

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Гидроприводы испытательных машин.

1.1. Обзор схем гидроприводов испытательных машин.

1.2. Оценка необходимости применения гидростатических опор на штоке поршня гидроцилиндра.

1.3. Выводы.

Глава 2. Математическое моделирование и расчет гидростатических опор для штока гидроцилиндра.

2.1. Принимаемые допущения при математическом моделировании гидростатической опоры.

2.2. Уравнение распределения давления в рабочем зазоре гидростатической опоры.

2.3. Толщина смазочного слоя в гидростатической опоре.

2.4. Составление уравнений сил и расходов жидкости в гидростатических опорах штока.

2.5. Определение интегральных характеристик гидростатической опоры.

2.6. Составление упрощенной модели гидростатической опоры. Определение статических характеристик.

2.7. Решение уравнений течения жидкости в гидростатической опоре в программном комплексе STAR CD.

2.7.1. Основные сведения о программном комплексе STAR CD.

2.7.2. Структура и комплектация STAR CD.

2.7.3. Составление сеточной модели гидростатической опоры.

2.7.4. Выбор метода решения уравнений гидродинамики для гидростатической опоры.

2.7.5. Интегральные характеристики гидростатической опоры.

2.7.6. Задание начальных и граничных условий.

2.8. Анализ результатов расчета характеристик гидростатической опоры.

2.9. Выводы.

Глава 3. Математическая модель гидропривода испытательной машины

3.1. Нелинейная математическая модель гидропривода.

3.2. Линейная математическая модель гидропривода.

3.3. Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования гидропривода испытательной машины.

4.1. Экспериментальная установка.

4.2. Гидросхема испытательной установки.

4.3. Расчет струйного насоса.

4.4. Экспериментальные исследования статических характеристик гидростатических опор.

4.4.1. Получение проливочных характеристик дросселей гидроопоры.

4.4.2. Порядок и методика проведения экспериментальных исследований гидростатических опор.

4.4.3. Результаты и обработка экспериментальных исследований

4.5. Экспериментальное исследование динамической характеристики гидропривода.

4.5.1, Порядок и методика проведения экспериментальных исследований гидропривода.

4.5.2. Результаты и обработка экспериментальных исследований

4.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование электрогидравлического следящего привода для испытаний арматуры железобетонных конструкций и их элементов»

В настоящее время, несмотря на значительные успехи в области методов расчета конструкций на прочность и определения механических свойств материалов, важной проблемой является проведения экспериментальных исследований, с помощью которых можно было бы определить несущую способность конструкций с учетом всего многообразия комплексного воздействия эксплутационных факторов. Основные данные о прочности материалов, полученные по результатам экспериментальных исследований в условиях, близких к эксплутационным, вносятся в расчеты элементов конструкций, которые затем проходят стадию экспериментальной проверки.

В связи с этим основная задача испытательной техники состоит в том, чтобы максимально приблизить условия испытаний к реальным условиям эксплуатации и количественно определить изменение в этих условиях основных свойств, функций и характеристик материалов и конструкций. При моделировании внешних воздействий как в процессе создания новых материалов конструкций, так и при оценке качества готовой продукции необходимо четко представлять основные факторы, воздействующие на элементы конструкции в процессе эксплуатации.

Виды воздействующих факторов и их значения в зависимости от условий эксплуатации материалов и изделий устанавливаются в стандартах и технических условиях, а для вновь создаваемых конструкций - в технических заданиях на их разработку. В общем случае основными воздействующими факторами являются механические, климатические, биологические, специальные среды, ионизирующие и электромагнитные излучения.

Испытательная техника охватывает обширный круг вопросов в различных областях науки и техники [15]. Особое место испытательной техники уделяется в авиационной, космической, автомобильной промышленности, в строительстве и других областях.

Строительство подразделяется на такие отрасли как промышленное, жилищное, транспортное строительство. Основным материалом для перечисленных отраслей является железобетон. Основным недостатком железобетона является низкая прочность при растяжении. Поэтому при разработке железобетонных конструкций важную роль занимает их расчет и процесс испытаний.

На протяжении многих лет во всем мире накапливался опыт испытаний и эксплуатации железобетонных конструкций. Было найдено, что при металлической арматуре бетон хоть и не разрушается при растяжении, но трескается. Это отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах железобетонных конструкций и сооружений. Однако важнейшим достижением, в результате накопленного опыта, является получение технологии так называемого преднапряженного железобетона. Суть этой технологии заключается в создании на стадии изготовления или строительства железобетонной конструкции напряженного состояния в ней, при котором предварительный знак напряжения в бетоне противоположен знаку напряжения от эксплуатационной нагрузки. Такая технология позволяет наиболее эффективно использовать повышенную прочность бетона при сжатии.

С развитием технологии преднапряженного железобетона она стала завоевывать все большие области в строительстве. На сегодняшний день эта технология во всем мире используется при сооружении зданий, пролетных строений и опор мостов, железобетонных свай, труб, опор ЛЭП, мачт освещения, телебашен, различных морских сооружений и многого другого.

В России технология преднапряженного железобетона получила наиболее широкое применение в мостостроении. При строительстве мостов, по такой технологии, напрягаемой арматурой являются прядевые пучки высокопрочных канатов марки К7 [11], которые изготавливаются и поставляются канатными заводами. В настоящее время, как поставщик, так и заказчик проводят испытания канатов на растяжение до разрыва [10, 13, 66]. Поставщику эти испытания необходимы для текущего контроля и составления сертификата на готовые пряди, а заказчику, - с одной стороны, для проверки соответствия действительных характеристик их величинам, установленными техническими условиями или ГОСТом на пряди, и, с другой стороны, - для технологических целей, связанных с процессом изготовления и испытания предварительно напряженных железобетонных конструкций. Однако такие испытания не удовлетворяют реальным режимам работы каната при эксплуатации моста. Так как в реальных условиях канат испытывает сложный закон нагружения, который условно можно разбить на две составляющие: статическое и динамическое нагружение. Статическое нагружение возникает от действия постоянных нагрузок - предварительного натяжения каната, восприятия им массы моста и т.п. Динамическое нагружение возникает от действия знакопеременных нагрузок - движения транспорта, порывов ветра и т.п. Российские испытательные машины, позволяющие проводить испытания образцов при динамических нагружениях, не способны моделировать работу каната в реальных условиях. За рубежом существуют испытательные машины, позволяющие проводить испытания канатов при учете динамической составляющей нагрузки, максимально приближенной к реальной. Такие стенды разработаны фирмами ЗсИепск, МТ8, ¡тйгоп и др. На основе таких испытаний были получены европейские стандарты характеристик канатов при динамических испытаниях [72]. Сравнение испытательных машин показывает, что зарубежные аналоги значительно дороже российских при этом они не позволяют проводить испытания в широком спектре законов нагружения.

Поэтому появилась необходимость в создании испытательной машины, параметры которой удовлетворяли бы реальным условиям работы каната.

Основываясь на опытных данных строительства и эксплуатации мостов, закон нагружения каната можно представить графиком, показанном на рисунке В.

Рн,кН

160 150 140 t, с

Рис. В. График закона нагружения испытуемого каната:

Р - усилие, нагружающее канат; t - время; Т - период колебаний; / -н частота колебаний в Гц

В этом случае статическая нагрузка составляет 150 кН, при такой нагрузке канат подвергается динамическому воздействию с амплитудой по усилию 10 кН и частотой 0-100 Гц. Диапазон частот обеспечивает варьирование режимов динамического нагружения каната, а также сокращение времени испытаний.

Кроме того, испытательная машина должна создавать широкий спектр законов нагружения на выходном звене, например синусоидальный, пилообразный, случайный закон. и

Указанные требования можно удовлетворить с помощью электрогидравлического следящего привода. Его основные преимущества перед механическим, электрическим и пневматическим приводами - это большая энергоемкость, высокое быстродействие и способность регулировать выходную величину по желаемому закону.

Однако при создании такого гидропривода испытательной машины заводские лаборатории сталкиваются со значительными техническими трудностями. Режимы работы гидропривода на базе промышленных гидроагрегатов осуществить достаточно сложно, а обеспечить режим динамического нагружения по требуемым законам практически невозможно.

Разработка гидропривода с точным воспроизведением реального закона нагружения каната требует исследования всех процессов, протекающих как в отдельных элементах, так и во всем гидроприводе в целом.

Одним из основных факторов, ограничивающих точность динамического закона нагружения, а также частоту колебаний, являются контактные уплотнения гидроцилиндра. При сложной форме моделируемого закона нагружения, силы сухого трения на контактных уплотнениях существенно искажают форму процесса. В тоже время контактное давление уплотнения на зеркало цилиндра при большой скорости относительного перемещения пар трения приводит к высокотемпературному режиму работы материала уплотнений, что сокращает ресурс работы установки.

Для преодоления указанного недостатка контактных уплотнений, непосредственно в гидроприводах испытательной машины, передовые фирмы применяют гидростатические опоры, методы расчета и проектирования которых не приводят.

В связи с перечисленными выше особенностями применения гидропривода в испытательных машинах, необходимо: разработать методику расчета гидростатических опор гидроцилиндра;

- исследовать режимы работы гидропривода испытательной машины, имитирующей динамические воздействия на канат, и создать математическую модель такой гидромеханической системы;

- подтвердить адекватность математической модели реальной системе.

Диссертация посвящена решению этих задач.

Заключение диссертации по теме «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты», Чвялев, Дмитрий Станиславович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Ниже представлены основные результаты и выводы диссертационной работы.

1. Разработан и апробирован метод решения пространственной задачи для течения жидкости в зазоре гидростатической опоры, определяющий поле давления в слое смазки и ее основных характеристик. Новизна метода заключается в следующем: а) впервые уравнения гидродинамики для тонкого слоя смазки в гидростатической опоре решались в полной постановке с применением программного комплекса STAR CD; б) впервые задача гидродинамики для течения жидкости в зазоре гидроопоры решалась с учетом перекоса штока в цапфе гидроопоры под действием внешней радиальной нагрузки, что приводило к клиновидной форме зазора.

2. Рассчитаны и представлены интегральные характеристики гидростатической опоры (несущая способность и расход жидкости).

3. Составлена и апробирована математическая модель гидропривода для динамических испытаний канатов, учитывающая влияние гидродинамических процессов в гидроопорах на динамику гидропривода.

4. Рассчитаны и представлены динамические характеристики гидропривода для всего диапазона рабочих частот.

5. Создан экспериментальный стенд для испытания гидропривода и проведены испытания, подтвердившие основные теоретические положения диссертации. Результаты испытаний следующие: а) получены значения несущей способности и расхода жидкости через гидростатическую опору. Расхождение расчета с экспериментом для концентрического положения штока в цапфе гидроопоры не более 6%, для случая с перекосом штока не более 14%; б) получена логарифмическая амплитудная характеристика для всего гидропривода. Выявлена частота пропускания входного сигнала без существенного искажения выходного сигнала, которая составляет 70 Гц. При этом логарифмическая амплитудная характеристика падает на 2,5 дБ, что составляет 3% падения амплитуды выходного сигнала.

6. Основываясь на международных нормах для динамических испытаний канатов, которые накладывают условия испытаний до 2 млн. циклов, можно сделать вывод, что при 70 Гц время испытания канатов будет составлять около 8 часов непрерывной работы, что значительно меньше времени, при котором необходимо проводить испытания на существующих отечественных установках.

7. Результаты диссертационной работы применены при проведении динамических испытаний в лаборатории при ООО "Фирма "Следящие тест-системы". Кроме того, ведется подготовка результатов экспериментов и методики проведения испытаний для сертификации стенда.

154

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чвялев, Дмитрий Станиславович, 2006 год

1. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода / Под ред. С.А. Ермакова. М.: Машиностроение, 1988. -312 с.

2. Алифов A.A., Фролов К.В. Взаимодействие нелинейных колебательных систем с источником энергии. М.: Наука, 1985. - 237 с.

3. A.c. 1698500 AI (СССР). Гидравлический вибратор /В.И. Седнев, И.И. Лапин, Ю.Ф. Кучумов. //Б.И. 1991. -№46.

4. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы. М.: Машиностроение, 1977. -326 с.

5. Воскресенский В.А., Дьяков В.И., Зале А.З. Расчет и проектирование опор жидкостного трения: Справочник. М.: Машиностроение, 1983. -232 с.

6. Гамынин Н.С. Гидравлический привод систем управления. М.: Машиностроение, 1972. -376 с.

7. Гатиев М.К., Гергая P.C. Гидростатический подшипник для гидравлических пульсаторов // Вестник машиностроения. 1993. - №7. -С. 24.

8. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. М.: Машиностроение, 1982. - 432 с.

9. Голубев А.И., Кукин P.M., Лазарев Г.Е. Контактные уплотнения вращающихся валов. М.: Машиностроение, 1976. - 264 с.

10. ГОСТ 12004-81. Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение. М., 1986. - 15 с.

11. ГОСТ 13840-68. Канаты стальные арматурные 1x7. Технические условия. -М., 1995. 7 с.

12. Григорьев Б.С., Смирнов Д.Б. Расчет газостатических подшипников методом конечных разностей // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2002. - №4. - С. 35-42.

13. Зацаринный В.П., Шилов В.А. К вопросу о методике испытания прядевой арматуры // Предварительно напряженные конструкции с прядевой арматурой / Под ред. А.И. Семенова. Махачкала: Дагкнигиздат, 1970. - 160 с.

14. Инженерные исследования гидроприводов летательных аппаратов / Д.Н. Попов, С.А. Ермаков, И.Н. Лобода и др.; Под ред. Д.Н. Попова. -М.: Машиностроение, 1978. 142 с.

15. Испытательная техника для исследования механических свойств материалов / А.П. Волошенко, М.М. Алексюк и др. Киев: Наукова думка, 1984.-319 с.

16. Испытательная техника: Справочник; В 2-х кн. / Под ред. В.В. Клюева. -М.: Машиностроение, 1982. -Кн.1. -528 с.

17. Квитницкий Е.И., Киркач Н.Ф., Паставский Ю.Д. Расчет опорных подшипников скольжения: Справочник. М.: Машиностроение, 1979.-70 с.

18. Кирилловский Ю.Л., Подвидз Л.Г. Баланс энергии и основы расчета струйных насосов // Труды ВИГМ (М). 1960. - Вып. 26, - С. 57-78.

19. Ковалев В.Д. Численный метод расчета опор жидкостного трения // СТИН. 1999. - №10. - С. 12-16.

20. Коровчинский М.В. Теоретические основы работы подшипников скольжения. М.: Машгиз, 1969. - 403 с.

21. Гидрообъемный генератор полигармонических колебаний / П.Я. Краунып, А.Н. Гаврилин, С.А. Смайлов, Б.С. Климов //Машиноведение. 1991. -№4. - С. 14-17.

22. Левит Г.А. Основы конструирования и расчета элементов машин из условия обеспечения жидкостного трения. М.: Машиностроение, 1968.-91 с.

23. Мукосеев Б.В. О нелинейных эффектах в динамике программного гидравлического вибростенда // Машиноведение. 1968. -№3. - С. 18-22.

24. Пасынков P.M., Посвянский B.C. Численное решение уравнения Рейнольдса с учетом переменной вязкости жидкости (в приложении к торцовым распределителям, уплотнениям и упорным подшипникам скольжения) // Вестник машиностроения. 1993. - №9. - С. 26-29.

25. Пешти Ю.В. Газовая смазка: Учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ, 1993.-381 с.

26. Подвидз Л.Г., Кирилловский Ю.Л. Рабочий процесс и основы расчета струйных насосов // Труды ВИГМ (М). 1960. - Вып. 26, - С. 127156.

27. Подвидз Л.Г., Кирилловский Ю.Л. Расчет оптимального струйного насоса для работы на разнородных и однородных жидкостях // Труды ВИГМ (М).- 1963.-Вып. 32,-С. 114-128.

28. Подвидз Л.Г., Кирилловский Ю.Л. Расчет струйных насосов и установок // Труды ВИГМ (М). 1965. - Вып. 36, - С. 44-96.

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

30. Попов Д.Н., Панаиотти С.С., Рябинин М.В. Гидромеханика: Учебник для вузов / Под ред. Д.Н. Попова. М.: МГТУ, 2002. - 384 с.

31. Попов Д.Н., Чвялев Д.С. Численное исследование течения вязкой жидкости в гидростатической опоре штока // Вестник МГТУ. Машиностроение. 2006. - №3. - С. 15-24.

32. Попов Е.П. Прикладная теория процессов управления в нелинейных системах. -М.: Наука, 1973. 584 с.

33. Проектирование гидростатических подшипников: Пер. с англ. / Под ред. Г. Риппел М.: Машиностроение, 1967. - 135 с.

34. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник; В 3-х т. / Под ред. A.C. Проникова. М.: Машиностроение, 1995. (Т. 2. Ч. 1. Расчет и конструирование узлов и элементов станков). - 371 с.

35. Пуш A.B. Шпиндельные узлы: Качество и надежность. М.: Машиностроение, 1992. -288 с.

36. Русаков А.И. Разработка метода расчета радиальных сегментных газовых подшипников турбомашин установок для получения холода: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1998.-228 с.

37. Самарский A.A. Теория разностных схем. М.: Наука, 1989. - 616с.

38. Ситников C.JI. Разработка и исследование самонастраивающегося гидропривода для моделирования динамических воздействий на конструкции и грунтовые основания: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1989. - 209 с.

39. Скляревский А.Н., Тумаркин М.М., Савченко Ю.В. Некоторые особенности построения электрогидравлических следящих приводов испытательных машин // Вестник машиностроения. 1991. - №3. - С. 2326.

40. Скляревский А.Н., Тумаркин М.М., Стах Е.П. Динамика гидропульсаторного привода // Транспортное и энергетическое машиностроение. 1995. - №3. - С. 24-29.

41. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин. Киев: Наукова думка, 1979. 188 с.

42. Соколов Ю.Н., Гордеев А.Ф. Шпиндельные гидростатические подшипники. Расчет и проектирование. -М.: ЭНИМС, 1969. 70 с.

43. Справочник по производственному контролю в машиностроении / Под ред. А.К. Кутая. М.: Машиностроение, 1974. - 357 с.

44. Стрункин Ю.Е. Высокоскоростные следящие гидроприводы // Станки и инструменты. 1998. - №4. - С. 14-18.

45. Темнов В.К., Спиридонов Е.К. Расчет и проектирование жидкостных эжекторов: Учебное пособие. Челябинск, 1984. - 44 с.

46. Уплотнения и опоры из полимерных и композиционных материалов для гидроцилиндров и валов гидромашин: Каталог. ЭЛКОНТ, 1998.-42 с.

47. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев и др. М.: Машиностроение, 1994.-448 с.

48. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1970.544с.

49. Физическое моделирование гидродинамических процессов при проектировании специального электрогидравлического привода испытательной машины / Г.Ж. Сахвадзе, С.Л. Ситников, И.В. Викторова,

50. Д.С. Чвялев // Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса: Труды Московской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. -М., 2003. С. 40-51.

51. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х т. -М.: Мир, 1991.-Т.1.-504 с.

52. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х т. -М.: Мир, 1991.-Т.2.-552 с.

53. Фомичев В.М. Дросселирующий гидропривод супер-класса // Приводная техника. 1998. - №8/9. - С. 43-46.

54. Шатохин С.Н., Зайцев В.П., Ярошенко С.А. Проектирование адаптивных гидростатических подшипников // Вестник машиностроения. 1992.-№6-7.-С. 25-28.

55. Шатохин С.Н., Коднянко В.А., Зайцев В.П. Функциональные возможности радиальной активной гидростатической опоры // Машиноведение. 1986. - №4. - С. 85-91.

56. Шенк. Продольные цилиндры Гидропульс серии PL: Проспект. -Дармштадт: Карл Шенк АГ, Р2701/Зч, 1987. 15 с.

57. Шенк. Стандартные машины Гидропульс серии PSB: Проспект. -Дармштадт: Карл Шенк АГ, Р2802/Зч, 1988. 18 с.

58. Шиманович М.А. Разработка и применение гидростатических опор в металлорежущих станках: Обзор. М.: НИИМаш, 1972. - 92 с.

59. Шихватов A.M. Исследование устойчивости подшипников на газовой смазке с наддувом методом Бубнова-Галеркина // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2002. - №4. - С. 27-34.

60. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 712с.

61. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений. М.: Наука, 1969.-344с.

62. Ausgewählte Beispiele, Heraugegeben von Gerhard J. Werkstoff und bauteilprüfung sowie betriebslasten simulation. - Karlsruhe: Werstofftechnische Verlagsgesellschaft m.b.H., 1981.-261 s.

63. Bannister S.L. Characteristics of strand prestressing tendons. W.C. Struct. Eng. March 1959. 24 p.

64. Crawshaw A.H., Robinson A.D. The Calibration of Force Transducers on the Fly. W.C. Center for Mechanical and Acoustical Metrology National Physical Laboratory, 2002. 21 p.

65. Laurenson I.I. The design of sell-centring seal-less hydraulic pistons //Proc.Inst.Mech.Eng.- 1985.- Vol. 199. №1.-P. 59-65.

66. Lee S. R., Srinivasan K. Self-Tuning control application to closed-loop servohydraulic material testing // Transactions of the ASME C. -1990.-Vol. 112.-P. 680-689.

67. Pizon A. Experimentelle und theoretische Utersuchungen eines elektrohydraulischen Schwingungssystems mit einem Proportionalregelventil // Maschinenbautechnik. Berlin. - 1991. - №5. - S. 222-224.

68. P. 4212630 AI (Deutsch). Hydrostatisches Radial-Taschenlager für einen Servozylinder / R. Kuhnen, P. Wacker. 1992.

69. European standard. PrEN 10 138-1. Prestressing steels. W.C. 1998.17p.

70. Stabler J. New Servo-Hydraulic Testing Machin for the Institut Massivbau and Baustoftechnologie // LACER. 1997. - №2. - P. 65-75.

71. Warsi Z.V.A. Conservation form of the Navier-Stokes equations in general nonsteady coordinates // AIAA Jornal. 1981. - №19. -P. 240-242.161