7/21/2019 MRV syntesis http://slidepdf.com/reader/full/mrv-syntesis 1/32 1 ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯЕНЕРГОМАШИНОСТРОИТЕЛЕН ФАКУЛТЕТКатедра: “Хидроаеродинамика и хидравлични машини“ АВТОРЕФЕРАТна дисертационен труд за получаване на образователна и научна степен “Доктор”По докторска програма: „Хидравлични и пневматични задвижващи системи”Професионално направление: 5.1. Машинно инженерство.Тема: „СИНТЕЗ НА ПРЕДПАЗНО-ПРЕЛИВНИ КЛАПАНИ С НЕПРЯКО УПРАВЛЕНИE”маг.инж. Сашко С. ДимитровНаученръководител:проф. д.т.н.инж.Михаил ДимитровКомитовскиРецензенти: 1. проф. д-ринж.МилчоСтоянов Ангелов2. доц. д-ринж. ИлчоИванов АнгеловСофия 2013г.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
7/21/2019 MRV syntesis
http://slidepdf.com/reader/full/mrv-syntesis 1/32
1
ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯ ЕНЕРГОМАШИНОСТРОИТЕЛЕН ФАКУЛТЕТ
Катедра: “Хидроаеродинамика и хидравлични машини“
АВТОРЕФЕРАТ
на дисертационен труд за получаване на образователна и научнастепен “Доктор”
По докторска програма:„Хидравлични и пневматични задвижващи системи”
Научен ръководител: проф. д.т.н. инж. Михаил ДимитровКомитовски
Рецензенти:1. проф. д-ринж. Милчо Стоянов Ангелов
2. доц. д-р инж. Илчо Иванов Ангелов
София 2013г.
7/21/2019 MRV syntesis
http://slidepdf.com/reader/full/mrv-syntesis 2/32
2
Дисертационният труд е с обем 126 страници и съдържа увод, пет глави,заключение, приноси и литература. Включва 56 фигури и 2 таблици. Цитираниса 97 литературни източника.
Номерацията на главите, фигурите и таблиците в автореферата отговаряна тази в дисертацията.
Дисертационният труд е обсъден и насочен за публична защита назаседание на Катедрен съвет на катедра “Хидроаеродинамика и хидравличнимашини” на Енергомашиностроителен факултет на Технически университет – София, проведено на 03.10.2013 г.
Изследванията по дисертационния труд са извършени в Техническиуниверситет – София.
Защитата на дисертационният труд ще се състои на 21.01.2014 г. от 14:00часа в зала 2100А, блок 2 на Технически университет – София на откритозаседание на научното жури, определено със заповед №ОЖ–340/16.10.2013г.наРектора на ТУ – София.
Научно жури:
1. доц. д-р инж. Илчо Иванов Ангелов
2. проф. дтн инж. Михаил Димитров Комитовски 3. проф. д-р инж. Милчо Стоянов Ангелов 4. доц. д-р инж. Тодор Николов Чакъров 5. доц. д-р инж. Стефан Димитров Лазаров
Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се вканцеларията на “Енергомашиностроителен факултет”, на адрес: гр. София,бул. „Климент Охридски” №8, бл.2, ет.3, каб. 2344.
Автор: маг. инж. Сашко Станко Димитров Заглавие: „Синтез на предпазно-преливни клапани с непряко управление” Печатна база: Издателство на ТУ - София
7/21/2019 MRV syntesis
http://slidepdf.com/reader/full/mrv-syntesis 3/32
3
УВОД
Статичните и динамични характеристики на предпазно-преливните
клапани са от особено значение за качеството на хидравличните системи.
Грешката от статичната характеристика на тези устройства води до
повишение на енергийните загуби в системата. От друга страна динамичната
грешка повишава налягането при преходни процеси, което изисква системата
да бъде оразмерена за по-високи налягания над установената стойност,
определена от статичните характеристики.
Изследванията и последвалите ги изменения на конструкцията на
предпазно-преливните клапани е един процес, който вече продължава повече
от един век. Това се дължи на сравнително сложните характеристики на тези
устройства и влиянието на другите елементи на хидравличната система върху
работата им. До сега няма разработена единна методика за оптимизация на
предпазно-преливните клапани. Причината за това са различните изисквания
към характеристиките на тези устройства с промяна на вида на хидравличната
система. Например, в хидравличните системи на много металорежещи машини
се поставя изискването за малка статична грешка, като се допуска компромис с
динамичната грешка, предвид сравнително ниските налягания. При
хидравлични преси и повдигателни системи наляганията са високи и при
преходните процеси не трябва да се получават големи претоварвания.
За намаляването на статичната грешка при предпазно-преливни клапани
се използва конструкция на Denison с компенсиращо бутало пред
управляващия клапан. Така се намалява разликата в наляганията на отваряне
на управляващия и основния клапани. Тази конструкция не е изследвана
теоретично и няма определени условия за устойчивост, при промяна на
компенсиращото бутало с цел постигането на максимално възможното
намаление на грешката. Не са изследвани също така и динамичните
характеристики на тези устройства.
Предпазно-преливните клапани с пряко управление са изследвани в
различни условия на работа. Определените симулиращи теоретични
характеристики, дават възможност да се определят динамичните
характеристики чрез използване на известни системи за решаване на
нелинейни диференциални уравнения. При изменение на параметрите на
7/21/2019 MRV syntesis
http://slidepdf.com/reader/full/mrv-syntesis 4/32
4
системата, като например обема течност на входа или размерите на връщащия
тръбопровод е необходимо да се използват друго решение на системата
уравнения. За практикуващите инженери няма разработена, макар и
приблизителна методика за бързо определяне на най-важните параметри на
динамичната характеристика, като най-високо налягане при преходния процес и
честотата на възникналите колебания.
Направеното проучване показа, че настоящото изследване на статичните
и динамичните характеристики на предпазно-преливните клапани трябва да
бъде насочено към показаните по-горе задачи.
ГЛАВА 1
1.1. ОБЗОР НА ПРОВЕДЕНИТЕ ИЗСЛЕДВАНИЯ
Статичните и динамичните характеристики на предпазно- преливните
клапани са изследвани от много автори.
Една от първите работи в областта на изследването на устойчивостта на
хидравличните управляващи устройства са изследванията на Blackburn,
Reethof иShearer [10].Те показват, че една от причините, предизвикващи
неустойчивост на предпазно-преливните клапани е реактивната сила на потока
на работната течност. Изследванията са показали, че неустойчивост на
клапаните се предизвиква от реактивната сила само в случай, когато
направлението на потока е противоположно на силата на пружината. В
устройствата използвани в промишлеността, обикновено реактивната сила е
насочена по направление на силата на пружината и увеличава твърдостта на
клапана и съответно грешката на клапана.
Намаляването на наклона на статичната характеристика на клапана може
да се постигне чрез насочване на хидродинамичната реактивна сила срещусилата на пружината.Такава компенсация се осъществява чрез конструктивна
модификация на затвора на клапана фиг.1.1. Frankenfield отRexroth [28]
експерименталное изследвал конфигурацията на затвора над седлото на
предпазно-преливния клапан с пряко управление за да се получи компенсация
на хидродинамичната реактивна сила.Установеное, че добра компенсация се
получава, ако над седлото има пръстен за завъртане на потока, при което се
получава най-малко претоварване от налягането в статичен и динамичен
режим, а също така се намалява шума.
7/21/2019 MRV syntesis
http://slidepdf.com/reader/full/mrv-syntesis 5/32
5
Влиянието на реактивната хидродинамична сила
върху статичнитеи динамичните характеристики на
предпазно-преливните клапани е показана и от Backe [9].
Той разглежда конструкция на фирматаVickers, при която
изтичането на потока е в обратна посока от отварянето на
клапана, фиг.1.2.
Фиг.1.3 Конструкция на ППК на фирмата VickersInc.
BackeиBrodowski изследват динамиката на
предпазно- преливните клапани с пряко управление. На фиг.1.4 е показана
примерна динамичната характеристика на предпазно-преливните клапани с
пряко управление, т.е. изменението на налягането пред клапана и
преместването на затвора на клапана във времето.
От фигурата се вижда, че с рязко
увеличение на входния параметър-
дебитаq, налягането pбързо нараства
докато клапанът все още е затворен. За
времеt 1налягането достига
установената стойност и в този момент
започва отварянето на клапана.За
времеt 2налягането нараства до
максимална стойност pmaxи
продължавада се променя във времето
с периодT и се стабилизира на установената стойност p0. Те показват,че
динамичната характеристика на предпазно-преливен клапан с пряко
управление представлява колебателно звено.Характерно за изходния сигнал
на предпазно-преливните клапани с пряко управление е максималната
стойност на налягането pmax, времето на достигането на максималната стойност,
като и честотата на пулсациите на налягането в времето.
Фиг.1.1 Изменение
на посоката нахидродинамичната
сила
t, s
p, bar
x, mm T
p 0
x 0
налягане p, bar
преместване x, mm
p max
x max
t 1 t 2
Фиг.1.4 Динамична характеристикана ППК с пряко управление
7/21/2019 MRV syntesis
http://slidepdf.com/reader/full/mrv-syntesis 6/32
6
Освен хидродинамичната сила, неустойчивост на клапаните може да се
предизвика и от обема на входа пред клапана. Още в петдесетите години на
миналия век Ainsworth [1] е показал, че акустичният резонанс на работна
течност в тръбопровода пред клапана може да предизвика неустойчивост в
системата клапан и тръбопровод. Той извежда две предавателни функции и
използва честотния метод на Nyquist за определяне на устойчивостта.
Изследване на коефициента на дебита в седловите клапани, както и в
дроселите може да се намери в работата на McCloy [49]. В графичен вид е
показана стойността на коефициента на дебита в зависимост от диаметъра на
седлото, ъгъла на затвора и Рейнолдсовото число.
Както показват проведените изследвания, предпазно-преливният клапан с
пряко управление показва сравнително голяма стойност на динамичното
претоварване на хидравличната система. Много автори са работили за
получаване на конструкция на предпазно-преливен клапан с по-малко
претоварване. В [72] Wattonпоказва резултатите от изследването на предпазно-
преливен клапан с линейно демпфериране.
Изчерпателен анализ и синтез на характеристиките на предпазно-
преливните клапани е направена в работите [96],[91], [92], [94] от Комитовски.Изследва се клапан с обем работна течност във входния тръбопровод и
съпротивление в тръбопровода на изхода. С линеаризация на математичния
модел е получена предавателната функция на клапана. Характеристичното
уравнение на клапана е от втори ред. От гледна точка на устойчивостта на
клапаните, той дефинира термините[86]: собствена устойчивост, потенциална
устойчивост и абсолютна устойчивост.
От досега показното относно статичните и динамичните характеристики напредпазно-преливните клапани с пряко управление може да се заключи, че при
увеличение на дебита през клапана, наклонът на статичната характеристика на
клапана се увеличава, а с това и грешката в ограничаването на налягането.
Това налага предпазно-преливните клапани с пряко управление да се
използват в системи с по-малък дебит и по-ниско налягане.
В статичната характеристика на предпазно-преливен клапан с непряко
управление са изразени две зони: първата за входен дебит от0 доq yи втората завходен дебит отq yдо установен максимален дебит q0.
7/21/2019 MRV syntesis
http://slidepdf.com/reader/full/mrv-syntesis 7/32
7
В стационарен режим на работа, при увеличение на налягането на
стойност p2сеотваря управляващият клапан и през него започва да протича
малък управляващ дебит, докато основният клапан все още е затворен.
Резултантната сила от налягането и пружината на основния клапан все още е в
посока на затваряне на основния клапан. Увеличението на налягането в
зависимост от входният дебит в първата зона е по парабола докато налягането
не получи стойност p3, а дебитът стойностq y.В този момент резултантната сила
от налягането и пружината на основния клапан е в посока на отваряне и
основният клапан отваря. От статичната характеристика се вижда разликата
във наляганията между отварянето на управляващият p3и основния клапан p2.
Във втората зона налягането линейно расте от стойност p3до стойност p0в
зависимост от протичащият дебит през клапана, до максимална стойност на
дебитаq0.Общата грешка на клапана в стационарен режим е съвкупност от
грешката на управляващия клапан и от грешката от основния
клапан , т.е. .
Статичната характеристика на предпазно-преливните клапани с непряко
управление показва относително голяма разлика в наляганията на отваряне
между управляващия и основния клапан, т.е. получава се грешка в началото на
отваряне на клапана. Като следствие на тази разлика се увеличава загубата на
енергия, която се превръща в топлина, което увеличава работната температура
на течността и намалява коефициента на полезно действие на системата,
където е вграден клапана.
Относно преходните процеси на предпазно-преливните клапани с непряко
управление, в работата [86]се дава решението на нелинейния математичен
модел на клапана и за първи път е показано, че в процеса на отваряне на
клапана първо отваря основния клапан, а след това управляващия, т.е. в
обратна последователност на статичните режими. Това е показано на фиг.1.13.
При бързо повишаване на налягането на входа като следствие на
скокообразното изменение на входния дебит, поради съпротивлението ,
нарастването на налягането закъснява, т.е. получава се голям пад на
налягането , който отваря основния клапан. Това обяснява голямото
бързодействие на предпазно-преливните клапани с непряко управление,
независимо от характеристиките на управляващия клапан. В работата обаче не
7/21/2019 MRV syntesis
http://slidepdf.com/reader/full/mrv-syntesis 8/32
8
се дават експериментални динамични характеристики. В настоящата работа за
първи път експериментално е показан преходният процес на предпазно-
преливен клапан с непряко управление с отварянето на основния и
управляващия клапан.
Фиг.1.13 Преходен процес на ППК с непряко управление [86]
1.2. Цел и задачи на дисертационния труд
От направеното проучване на досегашните изследвания на
предпазно-преливните клапани, могат да се определят следните цели и
задачи на настоящата работа:
1. Проектиране и изработване на хидравличен стенд за определяне на
статични и динамични характеристики на хидравлични устройства.
2. Допълнение къмматематичните модели за определяне на статичните
и динамичните характеристики на предпазно-преливните клапани с
пряко и непряко управление.
3. Експериментално определяне на статичните и динамичните
характеристики на предпазно-преливните клапани с пряко управление.
Разработка на изрази за бързо определяне на честота на пулсации и
максималната стойност на налягането в преходния процес.
4. Експериментално определяне на статичните и динамичните
характеристики на предпазно-преливен клапан с непряко управление.
5. Изследване на влиянието на компенсационно бутало в
управляващата верига върху статичните и динамичните
характеристики на клапана. Синтез на геометричните параметри на
7/21/2019 MRV syntesis
http://slidepdf.com/reader/full/mrv-syntesis 9/32
9
компенсационното бутало с цел минимизация на грешката в
статичната характеристика, при запазване на устойчивостта.
ГЛАВА2
2. СТАТИЧНИ И ДИНАМИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ПРЕДПАЗНО-ПРЕЛИВНИ КЛАПАНИ С ПРЯКО УПРАВЛЕНИЕ
Статичните и динамичните характеристики на предпазно-преливните
клапани с пряко управление са изследвани от много автори. Показано е, че
главна особеност на статичната характеристика е статизмът – фиг.1.2, т.е.
наклонът на статичната характеристика в зависимост от минаващия през
клапана дебит. Това се дължи на хидродинамичната сила и на допълнителното
свиване на пружината.Относно динамичните характеристики теоретично е
показано високо претоварване от налягането при внезапно изменение на
протичащия дебит през клапана при малък обем на входа на клапанът.
В настоящата работа е ползван математичният модел от работа [86] за
теоретично определяне на преходният процес. За определяне на коефициента
на хидродинамичната сила са ползвани експерименталните статични
характеристики. Експериментално са определени преходните процеси на
изследвания клапан при различни режими на работа и различен обем работна
течност на входа на клапана, а с това е потвърдена точността на ползваният
математичен модел. За предварително определяне на качеството на
преходния процес – претоварването на хидравличната система от налягането и
честота на пулсациитее направено опростяване на нелинейния математичен
модел чрез линеаризация. За първи път, в настоящата работа теоретично са
определени и експериментално потвърдени изрази за бързо пресмятане на
качеството на преходния режим на предпазно-преливните клапани с пряко
управление, както претоварването от налягането и честота на пулсациите на
налягането в преходния процес.
2.1. СТАТИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ПРЕДПАЗНО-ПРЕЛИВНИКЛАПАНИ С ПРЯКО УПРАВЛЕНИЕ
Статичните характеристики на предпазно-преливните клапани определят
изменението на пада на налягането , съответно грешката на
регулируемата величина, в зависимост от протичащиядебит през клапана вустановен режим на работа.
1. Dimitrov, S. Static characteristics of pilot operated pressure relief valves with
compensating control piston. Scientific Conference EMF2011, Sozopol, Bulgaria,
2011
2. Komitovski, M., Dimitrov, S. Transient response process in hydraulic systems with
direct operated pressure relief valve. XVII National scientific conference. Sozopol,
2012.
3. Dimitrov, S. Investigation of static characteristics of pilot operated pressure relief
valves. Annals ofFaculty Engineering Hunedoara – International Journal Of
Engineering, Tome XI, Year 2013.
4. Dimitrov, S., Komitovski, M. Static and dynamic characteristics of direct operated
pressure relief valves. Machine Design, Novi Sad, 2013
5. Komitovski, M., Dimitrov, S. Transient response of a pilot operated pressure relief
valve. National XVIII Scientific Conference. Sozopol, 2013.
6. Dimitrov, S. Synthesis of dynamic characteristics of a pilot operated pressure relief
valve with compensating control piston. National XVIII Scientific Conference.
Sozopol, 2013.
7. Dimitrov, S. Transient response of a pilot operated pressure relief valve with
compensating control piston. Annals ofFaculty Engineering Hunedoara –
International Journal Of Engineering, Tome XIII, Year 2014 (под печат).
Sinthesis of pilot operated pressure relief valves
The dissertation studies the investigation of static end dynamic characteristics of
the pressure relief valves. Theoretical and experimental static and dynamic
characteristics of a direct operated pressure relief valves have been obtained and the
expression for the overshooting and the frequency of oscilation of the pressure have
been presented. Theoretical and experimental static and dynamic characteristics of a
pilot operated pressure relief valves with and without compensating control piston have
been obtained. With linearization of the non-linear mathematical model, the transfer
function of the dynamic system volume of oli – valve – outlet pipeline has been
presented and, analyzing the location of the roots of the characteristic equation of thesystem synthesis of the diameter of the compensating control piston has been done