Разработка методики расчёта и исследование рабочих процессов гидравлического привода широкополосного вибровозбудителя

Работа практически всех используемых человеком машин и механизмов сопровождается вибрацией. Причины её возникновения разнообразны. К основным из них можно отнести следующие:

• наличие неуравновешенных сил инерции, действующих на отдельные детали;

• пульсация расхода и давления в магистралях машин, использующих жидкие и газообразные среды, обусловленная спецификой их рабочих процессов;

• внешние возмущающие воздействия, такие как воздействие волн и ветра на корпуса судов или неровностей земной поверхности на колеса наземных транспортных средств.

Обычно вибрация является нежелательной, так как снижает ресурс машин, приводит к авариям, ухудшает качество обработки деталей, увеличивает износ инструмента. Однако в ряде случаев [10] вибрация используется целенаправленно при решении каких-либо задач, для её создания разрабатываются и строятся специальные машины.

Так, например, при выполнении строительных работ широко применяется вибрационное забивание свай и шпунтов, вибрационное уплотнение грунта и бетонных смесей.

В машиностроении благодаря применению вибрационного уплотнения литейных опок, литья в вибрирующие формы и обработке заготовок вибрирующим режущим инструментом удаётся существенно повысить производительность труда и качество изделий [1].

Широкое применение нашли методы вибрационной геологоразведки, используемые для поиска месторождений полезных ископаемых. Их суть заключается в создании направленного сейсмического излучения и обработке сведений о прохождении волн.

Отдельную область использования вибрации представляют собой вибрационные испытания. Машины, механизмы и приборы подвергаются в ходе таких испытаний вибрационным воздействиям с целью проверки их прочности и работоспособности при работе в реальных условиях, где аналогичные воздействия можно считать вредным фактором. Рассматривать виброиспытания отдельно следует по той причине, что к создаваемому вибрационному движению здесь предъявляется ряд дополнительных требований. Прежде всего, это касается диапазонов рабочих частот испытательных вибрационных установок. Они должны быть достаточно широки для качественной имитации реальных условий работы объекта испытаний.

Классифицировать способы вибрационного нагружения можно следующим образом [12]:

1) Гармоническое воздействие с фиксированной частотой. Реализация такого вибрационного движения испытуемого устройства наиболее проста, но выводы о работоспособности объекта в реальных условиях, сделанные на основе результатов таких испытаний, следует считать наименее надёжными.

2) Гармоническое воздействие с модуляцией частоты.

3) Широкополосные случайные вибрации. С их помощью возможно воспроизведение практически всех реально существующих нагрузок, но реализация такого способа достаточно сложна.

4) Узкополосная случайная вибрация.

5) Узкополосная случайная вибрация с девиацией средней частоты. По сравнению с широкополосной случайной вибрацией нуждается в применении менее сложного оборудования.

6) Воздействие ударами или импульсами.

Испытательные вибрационные установки [20] является сложными комплексами, включающими в себя оборудование различного назначения. Состав оборудования зависит от конкретных задач, решаемых при проведении испытаний. Однако в любом случае основой таких установок являются виброиспытательные стенды — устройства, обеспечивающие преобразование какого-либо вида энергии в энергию вибрации [9]. Основной элемент любого виброиспытательного стенда — вибровозбудитель — машина для получения вибрационного движения.

Вибровозбудители, применяемые в вибрационных устройствах различного назначения, делятся по принципу возбуждения колебаний на механические, пневматические, электрические и гидравлические. Требованиям, предъявляемым к вибровозбудителю, входящему в состав виброиспытательного стенда, удовлетворяют не все из них.

Конструкции механических вибровозбудителей позволяют успешно регулировать размах колебаний, но имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение в испытательной технике. Основным из них является сложность регулирования рабочей частоты, которое осуществляется обычно путем изменения скорости вращения приводного двигателя.

Регулирование частоты и размаха колебаний пневматических вибровозбудителей также является достаточно грубым и достигается изменением давления подводимого воздуха либо установкой упоров. Основным недостатком таких машин считается сложный характер работы, полностью исключающий возможность получения гармонических колебаний вибростола с закреплённым на нём объектом испытаний. Область их применения ограничивается испытательными вибрационными установками, предназначенными для имитации ударных или импульсных нагрузок.

Наилучшими, с точки зрения использования в виброиспытательных стендах, можно было бы признать электродинамические вибровозбудители. Они позволяют легко изменять частоту и размах колебаний, а также реализовать с высокой точностью требуемый закон перемещения вибростола. При использовании соответствующей системы управления на испытательном стенде, оснащенном такой машиной, может быть реализован любой из перечисленных выше способов имитации реальных нагрузок. Применение таких вибровозбудителей ограничивается сложностью создания машин большой мощности. При попытке создания мощных электродинамических вибровозбудителей их разработчики сталкиваются с рядом серьёзных препятствий, таких как резкий рост потерь энергии и значительные магнитные поля на уровне вибростола.

Выполнить основные требования, предъявляемые к виброиспытательным стендам большой и средней мощности, можно за счет применения в их конструкциях гидравлических вибровозбудителей. Анализ достоинств и недостатков гидравлических вибровозбудителей различных типов, приведенный в литературе [2, 4, 8], позволяет сделать вывод, что наиболее целесообразным при проведении вибрационных испытаний является использование следящих и пульсаторных гидравлических вибровозбудителей. Они позволяют проводить испытания тяжелых и крупногабаритных объектов в широком диапазоне изменения размаха и частоты виброперемещения.

Исполнительным органом гидравлического вибровозбудителя является гидравлический двигатель: гидроцилиндр или диафрагменный механизм — в случае возвратно-поступательного движения, неполноповоротный гидродвигатель (гидроквадрант) — при необходимости получения угловой вибрации. Отличие между гидравлическими вибровозбудителями разных типов заключается в способе управления исполнительным механизмом.

Следящим гидравлическим [2] называется вибровозбудитель с отрицательной обратной связью между исполнительным органом и управляющим им гидрораспределителем золотникового типа (золотником).

В зависимости от типа привода, обеспечивающего периодическое движение золотника, следящие гидравлические вибровозбудители подразделяются на две группы: А) гидромеханические — вибровозбудители с приводом золотника от двигателя вращательного движения через механический преобразователь (кривошипно-шатунный или кулачковый механизм);

Б) электрогидравлические — вибровозбудители с приводом золотника от электромеханического преобразователя (ЭМП).

Последние следует рассмотреть более подробно.

В электрогидравлическом вибровозбудителе первый (электрический) каскад — ЭМП — управляет работой второго (гидравлического) каскада. Возможность изменения в широком диапазоне по задаваемому закону любого из параметров вибрационного движения в сочетании с большой мощностью гидравлического привода делают такие вибровозбудители одними из наиболее часто применяемых в составе виброиспытательных стендов, несмотря на сложность самих машин и систем их управления.

Диапазон изменения рабочей частоты у большинства следящих гидравлических вибровозбудителей составляет 0 ч- 500 Гц. У гидромеханических вибровозбудителей (0 ч- 200 Гц) верхняя частота ограничивается резонансом деталей механического преобразователя. У электрогидравлических — ростом сил инерции, действующих на плунжер гидрораспределителя и, как следствие, необходимостью создания очень мощных ЭМП.

Частотные диапазоны виброиспытательных стендов можно значительно расширить за счет применения пульсаторных гидравлических вибровозбудителей, в которых колебания исполнительного органа возбуждается пульсирующим потоком рабочей жидкости.

Пульсация потока жидкости в таких вибровозбудителях достигается, как правило, преобразованием постоянного потока жидкости при помощи гидрораспределителя [8]. При этом в отличие от следящего гидравлического вибровозбудителя, создание пульсирующего потока в магистралях подвода жидкости к исполнительному механизму не связано каким-либо образом с положением последнего. Следствием этого является то, что вибровозбудитель пульсаторного типа практически всегда рассматривается как вибровозбудитель с подпружиненным (оснащенным упругим элементом) исполнительным механизмом. Упругий элемент позиционирует исполнительный орган, то есть вынуждает его совершать колебательные движения около некоторого среднего положения. В следящих гидравлических вибровозбудителях это обеспечивается за счет наличия обратной связи.

Вместе с тем на сегодняшний день разработаны пульсаторные гидравлические вибровозбудители, в конструкциях которых отсутствуют упругие элементы. Позиционирование исполнительного органа осуществляется при этом за счёт установки дополнительных гидравлических устройств. Гидравлическое позиционирование исполнительного органа в ряде случаев является предпочтительным по сравнению с применением упругого элемента.

В качестве гидрораспределителя в пульсаторном вибровозбудителе применяется вращающийся или совершающий возвратно-поступательное движение золотник с приводом от электроили гидродвигателя.

Наибольшие значения рабочей частоты достигаются у пульсаторных гидравлических вибровозбудителей с вращающимся золотником. Это объясняется, прежде всего, отсутствием сил инерции при движении такого золотника с постоянной угловой скоростью.

Однако во многих случаях при проектировании широкополосных гидравлических вибровозбудителей возникает вопрос, связанный с влиянием гидравлических линий исполнительного механизма на его работу. В магистралях, по которым жидкость подводится непосредственно к гидравлическому двигателю, её движение всегда является неустановившимся. Причина этогоспецифика работы гидравлического исполнительного механизма (ГИМ) в составе вибровозбудителя.

Учёт неустановившегося характера движения рабочей жидкости, её вязкости и сжимаемости, а также перетечек между полостями гидродвигателя делает математическое описание рабочих процессов вибровозбудителя достаточно громоздким. Аналитическое решение уравнений такой математической модели, чаще всего, является возможным лишь при введении ряда допущений.

Используемые на сегодняшний день методы расчёта и проектирования гидравлических вибровозбудителей основаны, главным образом, на результатах аналитических исследований. При этом остаются открытыми вопросы о правомерности тех или иных допущений и о достоверности полученных результатов.

Этими обстоятельствами, а также постоянно возрастающими требованиями к вибрационным механизмам, объясняется насущная необходимость совершенствования теоретических методов исследования гидравлических вибровозбудителей.

Наиболее перспективным направлением работы в данной области является использование численных методов решения уравнений, описывающих динамические процессы в ГИМ. Применение вычислительной техники позволяет свести к минимуму число принимаемых допущений и, как следствие, повысить степень соответствия математических моделей описываемым ими вибровозбудителям.

Ввиду широкого применения вибровозбудителей проблема их разработки весьма актуальна. Однако, несмотря на многочисленные исследования по данной тематике, имеется ряд недостатков, ограничивающих развитие вибрационной техники. Одним из них является, названное выше, недостаточное развитие современных методов расчёта и проектирования вибровозбудителей.

В области создания виброиспытательных стендов актуальной является проблема разработки широкополосных гидравлических вибровозбудителей, обеспечивающих проведение испытаний приборов в условиях отсутствия значительных магнитных полей на уровне вибростола. Наиболее полно удовлетворяют данным требованиям гидравлические пульсаторные вибровозбудители с вращающимися золотниками и гидравлическим позиционированием исполнительного органа. Рекомендации по их проектированию на сегодняшний день отсутствуют.

Целью выполнения данной работы является решение следующих основных задач:

I. Исследование рабочих процессов гидравлических вибровозбудителей с вращающимися золотниками и механическим позиционированием исполнительного органа ГИМ.

II.Исследование особенностей работы гидравлического вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа ГИМ, как более перспективной конструкции, позволяющей расширить диапазон рабочих частот и обеспечить повышенные немагнитные свойства вибростенда.

Ш. Обоснование предложенных расчётных методик путём сравнения результатов экспериментальных исследований и математического моделирования пульсаторного гидравлического вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа ГИМ.

5.2. Выводы.

В целом экспериментальные и теоретические исследования пульсатор-ного гидравлического вибровозбудителя с вращающимся золотником и гидравлическим позиционированием исполнительного органа показали следующее:

1) Вибровозбудитель вполне работоспособен, верхняя граница его частотного диапазона определяется объёмом рабочей полости гидравлического двигателя и упругими свойствами рабочей жидкости.

2) Разработанная система гидравлического позиционирования исполнительного органа вибровозбудителя допускает наличие дрейфа, определяемого геометрическими размерами вспомогательного гидрораспределителя.

3) Несмотря на существование дрейфа система гидравлического позиционирования исключает возможность соударения поршня с крышками гидроцилиндра, благодаря чему вибровозбудитель может работать с частотами порядка нескольких герц без снижения давления подводимого потока рабочей жидкости.

4) При выполнении вращающегося золотника с нулевым начальным перекрытием рабочих кромок максимальные значения давления рабочей жидкости в полостях гидроцилиндра незначительно превышают давление в линии нагнетания.

5) Вибровозбудитель рекомендуется для использования в составе стендов, предназначенных для проведения вибрационных испытаний объектов путём их нагружения гармоническим воздействием с модуляцией частоты.

6) Аналитическое описание работы ГИМ подтверждается результатами эксперимента и может быть использовано при дальнейшем исследовании рабочих процессов и расчёте характеристик гидравлических пульсаторных вибровозбудителей с вращающимися золотниками.