Разработка метода расчета и улучшение динамических характеристик шестеренных насосов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Родионов, Леонид Валерьевич

• Родионов, Леонид Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Родионов, Леонид Валерьевич

Введение

1 Обзор работ в области виброакустики шестеренных насосов

1.1 Анализ мероприятий по снижению пульсационного и виброакустического состояния шестеренного насоса. Обзор исследований

1.2 Анализ существующих математических моделей гидродинамики шестеренного насоса

Выводы по главе

2 Математическое моделирование динамических процессов в шестеренном насосе

2.1 Разработка математической модели пульсаций расхода шестеренного насоса, учитывающей кинематику рабочего процесса, утечки и геометрию разгрузочных канавок

2.1.1 Разработка математической модели кинематики зацепления

2.1.2 Разработка математической модели утечек в шестеренном насосе

2.1.3 Разработка математической модели гидродинамики «запертого» объема в шестеренном насосе

2.2 Разработка уточненной методики расчета кавитационного запаса шестеренного насоса, учитывающей условие неразрывности рабочей среды при заполнении межзубовых полостей шестерен.

Выводы по главе

3 Экспериментальное исследование динамических процессов в насосном агрегате

3.1 Стендовая установка и средства измерения для исследования пульсационных процессов в гидромеханической системе с шестеренным насосом. Разработка гасителя колебаний.

3.2 Экспериментальное подтверждение адекватности разработанной математической модели кинематики зацепления

3.3 Экспериментальное подтверждение адекватности математической модели утечек в шестеренном насосе

3.4 Экспериментальное подтверждение адекватности математической модели гидродинамики «запертого» объема шестеренного насоса

3.5 Экспериментальное подтверждение адекватности уточненной методики расчета кавитационного запаса шестеренного насоса

3.6 Точность оценки характеристик динамических процессов

Выводы по главе

4 Мероприятия по снижению виброакустических нагрузок шестеренного насоса

4.1 Выявление закономерностей влияния геометрических параметров разгрузочных канавок на давление в «запертом» объеме

4.2 Разработка и экспериментальная проверка эффективности мероприятия по снижению динамических нагрузок в насосных агрегатах

4.3 Влияние предложенного профиля разгрузочных канавок на объемный КПД шестеренного насоса

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода расчета и улучшение динамических характеристик шестеренных насосов»

Широкое применение шестеренных насосов (ШН) в гидромеханических системах машин объясняется простотой и компактностью конструкции, надежностью, малой трудоемкостью изготовления, удобством обслуживания, а также, в отличие от других типов объемных насосов, возможностью непосредственного их соединения с приводными механизмами. Однако, наряду с большим количеством достоинств, ШН обладают рядом существенных недостатков:

• неравномерность подачи рабочей жидкости, которая вызывает пульсации давления, распространяющиеся по магистралям, и является одним из основных факторов, дестабилизирующих нормальную работу гидравлических систем;

• запирание (компрессия) жидкости, приводящее к значительным скачкам давления и, как следствие, разрушению деталей насоса;

• кавитационные процессы, вызывающие эрозионный износ шестерен.

Шестеренные насосы широко применяются в авиации, в качестве основного узла системы топливопитания. По данным ОАО «ОМСКАГРЕГАТ» (г. Омск), одного из ведущих предприятий РФ по производству ШН для авиационной техники, их ресурс в 2-3 раза ниже ресурса авиационного двигателя. Например, для двигателя Д-36 эксплутационный ресурс составляет 12 тыс. часов, а ресурс ШН, работающего в составе топливной системы двигателя, составляет 4 тыс. часов, т.е. общий ресурс такой сложной и дорогой системы, как система топливопитания авиационного двигателя, ограничивается ресурсом ШН, который конструктивно прост и сравнительно дешев. Анализ возвращенных на ОАО «ОМСКАГРЕГАТ» для ремонта дефектных насосов показывает, что наработка на отказ возвращенных агрегатов, изготовленных по одной и той же технологии, на одном и том же оборудовании, одним и тем же инструментом, эксплуатируемых в сопоставимых условиях, имеет разброс от 250 до 3250 часов, т.е. более чем в 10 раз.

Одной из основных причин снижения ресурса насосного агрегата является высокая виброакустическая нагруженность его элементов. Поэтому актуальной является работа, направленная на теоретическое и экспериментальное исследование процессов возникновения динамических нагрузок и кавитации в насосных агрегатах и разработку мероприятий по снижению динамических нагрузок в них.

Существует 3 основных метода снижения виброакустической нагруженности агрегатов и систем:

• снижение виброакустической нагруженности в источнике;

• метод частотной отстройки;

• установка гасителя колебаний.

При использовании метода частотной отстройки сложно влиять на все резонансные частоты системы. Установка гасителя колебаний требует внесения изменений в конструкцию топливной системы. Первый метод не имеет указанных недостатков. Поэтому в диссертации проведено теоретическое и экспериментальное исследование динамических процессов в ШН.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана математическая модель шестеренного насоса, учитывающая кинематику зацепления, геометрию разгрузочных канавок и утечки рабочей жидкости, позволяющая определять пульсационное состояние шестеренного качающего узла для обеспечения повышенных эксплуатационных характеристик.

2. Создана математическая модель - гидродинамики «запертого» объема в шестеренном насосе, позволяющая выбирать профиль разгрузочных канавок, обеспечивающий требуемое давление в «запертом» объеме.

3. Выявлена закономерность наличия первой и второй зубцовых гармоник в спектре пульсаций давления шестеренного насоса, обусловленных процессами разгрузки «запертого» объема и вытеснения рабочей жидкости из межзубовых впадин. Определены закономерности влияния геометрических параметров разгрузочных канавок на давление в «запертом» объеме.

4. Уточнена методика расчета кавитационного запаса шестеренного насоса, позволяющая определить требуемое для бескавитационной работы насоса давление подкачки, учитывающая условие неразрывности рабочей среды в процессе заполнения межзубовых полостей шестерен на входе в шестеренный насос.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматические системы энергетических установок» Самарского государственного аэрокосмического 5 университета в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Родионов, Леонид Валерьевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена задача улучшения динамических характеристик шестеренных насосов на основе разработки конструктивных мероприятий с использованием нового метода расчета пульсационных процессов в качающем узле, имеющая существенное значение для области машиностроения.

Получены следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель шестеренного насоса, позволяющая определять пульсационное состояние шестеренного качающего узла. Адекватность разработанной модели подтверждена экспериментально.

2. Предложены подходы, позволяющие использовать разработанную математическую модель шестеренного насоса для расчета динамических характеристик шестеренных насосов с внешним, внутренним и косозубым зацеплением и для создания систем диагностики износа поверхностей зубьев шестерен.

3. Выявлена закономерность наличия первой и второй зубцовых гармоник в спектре пульсаций давления шестеренного насоса, обусловленных процессом вытеснения рабочей жидкости из межзубовых впадин и процессом разгрузки запертого объема. Определены зависимости давления в запертом объеме от геометрических параметров разгрузочных канавок, позволяющие выбирать рациональные схемы разгрузочных канавок.

4. Разработаны мероприятия по улучшению динамических характеристик шестеренного насоса за счет снижения пульсаций рабочей жидкости на 40.70%, что увеличивает ресурс качающего узла.

5. Уточнена методика расчета кавитационного запаса шестеренного насоса на 10.55% в зависимости от режима работы насоса, за счет учета условия неразрывности рабочей среды при заполнении межзубовых полостей шестерен. Адекватность предлагаемой методики подтверждена по критерию Фишера F.

6. Создана экспериментальная установка для исследования динамических процессов шестеренного насоса, позволяющая определять его виброакустические характеристики, а также для экспериментального подтверждения разработанной математической модели шестеренного насоса.

146

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Родионов, Леонид Валерьевич, 2009 год

1. А. с. 1027429 СССР, МКИ F 04 С2 1/04. Шестеренная гидромашина Текст. / Жулинский Г.К., Яровой В.В. (СССР). 3428378/25-06; заяв. 25.02.82; опубл. 07.07.83., Бюл. № 25. - 2 с.

2. А. с. 1211457 СССР, МКИ F 04С 2/08. Шестеренная гидромашина Текст./ Павлов И.Д., Зуев В.В. (СССР). 3742991/25-06; заявл. 22.05.84; опубл. 15.02.86., Бюл. № 6. - 4с.

3. А. с. 1229430 СССР, МКИ F 04 С2/08, F 15 В 1/00. Блок питания гидравлической системы Текст./ Павлов И.Д., Зуев В.В. (СССР). 2845069/25-06; заявл. 28.11.79; опубл. 07.05.86., Бюл. № 17. - 2с.

4. А. с. 355383 СССР, МКИ F 04С 1/04. Шестеренный насос Текст./ Павлов И.Д., Зуев В.В. (СССР). 1431143/24-6; заявл. 28.04.70; опубл. 16.10.72., Бюл. № 31. -2с.

5. А.Н. Крючков, JT.B. Родионов, М.С. Гаспаров, Е.В. Шахматов. Исследование неравномерности подачи жидкости шестеренным качающим узлом Текст.: // Вестник СГАУ. 2007. - №1(12). - С. 187-195.

6. Аистов И.П. Транспортное и энергетическое машиностроение Описание математической модели шестеренного насоса для решения задач диагностирования Текст.: Машиностроение, 2002.- С. 49-55.

7. Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов Текст.: М.: Машиностроение, 1967. 495с.

8. Башта Т.М. Самолетные гидравлические приводы и агрегаты Текст.: М.: Оборонгиз, 1951.-640с.

9. Влияние закупоривания жидкости во впадинах между зубьями на шумность работы шестеренных насосов Текст.: / ТПП, БССР, Минское отделение, № 737/4, 1980.- 14 с.

10. Влияние рабочих параметров на пульсацию и уровень шума шестеренных гидронасосов Текст.: /ЦНИИТЭСТРОЙМАШ, № БП-82-14895, 1979.- 12 с.

11. Галеева Р.А., Сунарчин Р.А. Объемные гидромашины Текст.: Учебное пособие. Уфа: изд. Уфимского ордена Ленина авиационного института им. Серго Орджоникидзе, 1984. - 174с.

12. Гаспаров М.С. Гидродинамика и виброакустика авиационных комбинированных насосных агрегатов Текст.: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 2006. - 166 с.

13. Гимадиев А.Г., Крючков А.Н., Леныиин В.В., Прокофьев А.Б., Шахматов Е.В., Шестаков Г.В., Шорин В.П. Снижение виброакустических нагрузок в гидромеханических системах Текст.: СГАУ. - Самара, 1998. - 270 с.

14. Глазков М.М., Пилипенко С.В. Спектральный анализ кавитационных колебаний давления в шестеренных топливных насосах. Текст. ://Динамические процессы в силовых и энергетических установках летательных аппаратов. Самара, 1994. — С. 62-68.

15. Головин А. Н:, Шорин В. П. Снижение пульсационной напряженности в авиационных гидравлических системах гасителями колебаний // Авиационная промышленность, 1982. № 5. С. 35-36. ДСП.

16. Головин А.Н. Разработка гасителей колебаний жидкости для трубопроводных цепей двигателей и систем летательных аппаратов: Диссертация на соиск. учен.степ. канд. техн. наук. Куйбышев, 1983. - 164 с.

17. Головнн А.Н., Шестаков Г.В. Структура автоматизированного расчета гасителей колебаний давления // Динамические процессы в силовых и энергетических установках летательных аппаратов. Куйбышев, 1988. - С.20-25.

18. Иголкин А.А., Крючков А.Н., Макарьянц Г.М., Прокофьев А.Б., Прохоров С.П., Шахматов Е.В., Шорин В.П. Снижение колебаний и шума в пневмогидромеханических системах. Самара, СГАУ, 2005.- 314 с.

19. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям Текст.: М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.

20. Исследование кавитационного шума в насосах / ВНИИгидроуголь. № 1187, 1975. - 15с.

21. Исследование характеристик пульсаций нагнетаемого давления в шестеренных насосах Текст.: /ТПП СССР, Московское отделение. № 18341, 1984. -24 с.

22. Исследование явлений кавитации в объемных насосах с пульсацией подачи / ВНИИгидропривод. № 1001, 1969. - 27с.

23. Исследование явления запирания жидкости в шестеренном насосе Текст.: ТПП УССР. № Б-2172, 1987. - 18 с.

24. Копырин М.А. Гидравлика и гидравлические машины. Государственное издательство «Высшая школа» Текст.: Москва. 1961. -302 с.

25. Крючков А.Н. Снижение колебаний и шума в гидромеханических и газовых системах. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Текст.: -М.:2006. -297с.

26. Мануйлов П.А., Семенов Б.П., Косенок Б.Б. Инвариантность модульных векторных моделей // Математическое моделирование в машиностроении: Тез. докл. 1-ой всесоюзной школы-конференции. Тольятти, 1990. - С. 70-71.

27. Модель для расчета потерь от утечек в радиальном зазоре шестеренных насосов Текст.:/ ЩШИТЭСТРОЙМАШ. № БП-82-14544, 1981. - 11 с.

28. Некрасов Б.Б. Гидравлика. Военное издательство министерства оборона союза ССР. Текст.: Москва 1960. 262 с.

29. Никитин О.Ф., Холин К.М. Объемные гидравлические и пневматические приводы Текст.: Учеб. пособие для техникумов. — М.: Машиностроение, 1981. — 269 с.

30. Орлов Ю.М., Носов Л.И. К оценке пульсаций давления в насосах Текст.:// Авиационная промышленность. 1986. - №7. - С. 31-34.

31. Осипов А.Ф. Исследование вопросов обеспечения устойчивой работы шестеренных насосов на высоких давлениях рабочей жидкости Текст.: Дисс. канд. техн. наук. - М., 1953. - 170с.

32. Пат. 1613686 Российская федерация, МПК F 04 С 2/08. Шестеренная гидромашина Текст.: Иванов И.П., Иванов С.Л.; заявитель и патентообладатель

33. Ленинградский горный ин-т им. Г.В Плеханова. № 4498427/25-29; заявл. 26.10.88; опубл. 15.12.90, Бюл.№ 46. - 4с.

34. Пат. 1642071 Российская федерация, МПК F 04 С 2/04. Шестеренчатый насос Текст.: Барсов Н.А., Селиванова М. А.; заявитель и патентообладатель Ленинградский сельскохозяйственный ин-т. № 4680782/29; заявл. 13.04.89; опубл. 15.04.91, Бюл.№ 14. - 4с.

35. Предотвращение кавитации в шестеренных насосах Текст.:/ ЦНИИТЭСТРОЙМАШ. № БП-82-14552, 1980. 13 с.

36. Преимущества и характеристики шестеренных насосов типа TCP с внутренним зацеплением и малым уровнем шума Текст.:/ ВЦП. № В-27699, 1978. - С. 21.

37. Проблемы гидродинамики и их математические модели Текст.: Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. / «Наука», М., 1977. -408 с.

38. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. Текст.: Пер. с англ. Зайцева А.Л., Назаренко Э.Г. «Мир», Москва, 1978.

39. Раздолин М.В., Сурнов Д.Н. Агрегаты воздушно-реактивных двигателей Текст.: М., «Машиностроение», 1973. 352 с.

40. Рыбкин Е.А., Усов А.А. Шестеренные насосы для металлорежущих станков Текст.: М.: Машиностроение, 1960. - 187с.

41. Савченко В .Я., Савченко И.В., Проектирование систем автоматического регулирования газотурбинных двигателей Текст.: Машиностроение, 2001. — 203 с.

42. Саенко В.П. Исследование зависимостей радиальных нагрузок, объемных и механических потерь от характера распределения давления жидкости в шестеренных насосах Текст.: Дисс. канд. техн. наук. - Харьков, 1978. - 188с.

43. Селивановский Ю.М., Чуешко К.Е., Поповский С.Ш. Виброакустические характеристики шестеренных насосов основного типа и их использование для анализа рабочего процесса Текст.: Труды Николаевского кораблестроительного института, вып. 77, 1973. - С. 17-20.

44. Семенов Б.П. Аналитика элементарных векторных модулей. Текст.: Методическое пособие. М.: Изд-во МАИ, 1989. - 40 с.

45. Семенов Б.П. Элементарные модули векторных моделей. Текст.: / Самара: СНЦ РАН, 2000. 99 с.

46. Семенов Б.П., Тихонов А.Н., Косенок Б.Б. Модульное моделирование механизмов Текст.: Самара: СГАУ, 1996. 98 с.

47. Чуешко К.Е., Поповский С.Ш. Выбор и расчет сливных канавок для разгрузки защемленного объема в шестеренных насосах Текст.: Труды Николаевского кораблестроительного института, вып. 69, 1973. - С. 87-93.

48. Шахматов Е.В. Методы и средства коррекции параметров динамических процессов в гидромеханических и топливных системах двигателей летательных

49. Шахматов Е.В. Методы и средства коррекции параметров динамических процессов в гидромеханических и топливных системах двигателей летательных аппаратов Текст.: Дисс. докт. техн. наук. — Самара, 1993. 333 с.

50. Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод Текст.: Учебное пособие. 4.1. Основы механики жидкости и газа. 4-е изд., стереотипное. М.: МГИУ, 2005. — 192 с.

51. Шестеренные насосы высокого давления Текст.: / ВЦП. № Б-31523, 1978. -2 с.

52. Шорин В.П., Гимадиев А.Г., Шахматов Е.В. Проектирование гасителей колебаний для гидравлических систем управления Текст.: Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1987. С. 127-133.

53. Шум пути подхода к проблеме со стороны производителей насосов Текст.:/ ТПП УССР, Харьковское отделение. - № 13242/10, 1975. - С.16.

54. Юдин Е.М. Шестеренные насосы Текст.: М.: Машиностроение, 1964. -232с.

55. D. Manring, В. Kasaragadda. Theoretical flow ripple of an external gear pump Текст.: ASME journal of dynamic system, measurement and control, vol. 125 September 2003. P. 396-404.

56. Fitzgibbon Т.Е., Spur Gear Rotary Pump Design Текст.: "Product Engineering", V. 1, No. 3, 1951.-P. 124-132.

57. Henke R. W., Internal Leakage in Gear Pumps Текст.: "Applied Hydraulics", V. 8, No. 12, 1955.-P. 57-68.

58. K.A.Edge, B.R. Lipscombe. The reduction of gear pump pressure ripple. Текст.: Proc.IMechE Vol. 201 No B2. 1987. P. 99-106.

59. Kojima E., Shinada M. Characteristics of fluidborne noise generated by fluidpower pump Текст.:// Bulierin of JSME.- 1984.- Vol.27,N 232.- P.2188-2195.

60. P. Casoli, A. Vacca, G. Franzioni. A numerical model for the simulation of external gear pumps Текст.: The six JFPS international symposium on fluid power, Tsukuba, Japan 2005.-P. 151-160.

61. P. Casoli, A. Vacca, G.L. Berta. A numerical model for the simulation of flow in hydraulic external gear machines Текст.: Power Transmission and Motion Control. 2006.-P. 147-165.

62. Theoretical study on a new type of hydraulic pump the involutes circular arc gear pump. He Jianing Yuan Zirong Wu Zhangyong, ICFP2001 ,China, 2001. P. 51-54.

63. Unna H. L., Innere Verluste in Zahnradpumpen Текст.: "Hydraulik und Pneumatik Technik", Nr. 4, 1957. P. 68-75.