Компенсация гидродинамической осевой силы, действующей на золотник распределителяКомпенсация гидродинамической осевой силы, действующей на золотник распределителя

КОМПЕНСАЦИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОСЕВОЙ СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НА ЗОЛОТНИК РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ

В.В. Войшвилло, асп.

Восточноукраинский национальный университет им. Владимира Даля

Во многих отраслях используются гидравлические приводы, в которых перемещение золотника гидроусилителя осуществляется электромагнитами. Так, например, в гидроприводе агрегата продольной резки, применяемого в производстве стальных сварных труб среднего и малого диаметров, в отдельных контурах этого привода управление работой исполнительных механизмов осуществляется золотниками четырехлинейных гидрораспределителей, включаемыми в определенной последовательности электрическими сигналами. Это позволяет автоматизировать технологический процесс резки стальной ленты на полосы заданной ширины [1].

В дальнейшем эффективность работы привода может существенно повыситься за счет усовершенствования конструкции входящих в этот привод гидроаппаратов. Анализ работы гидрораспределителя на основе описанной в [2] математической модели показал, что конструкция его улучшается за счет уменьшения массы перемещающихся деталей и повышения быстродействия гидроаппарата. Это приведет к улучшению динамических характеристик привода, а следовательно, и улучшению качества продукции, получаемой в результате технологического процесса. В частности, также требуется уменьшить, скомпенсировать или вообще исключить гидродинамическую силу, на преодоление которой и направлено в большей степени усиление электромагнита.

Экспериментально найдено, что за исключением малых открытий, две силы - положительная (закрывающая) и отрицательная (открывающая)- могут быть сбалансированы практически для всех расходов и перепадов давления. Эффект радиального зазора дает положительную составляющую гидродинамической силы, но ее максимальное значение обычно составляет наибольшую часть общей гидродинамической силы [3].

Отрицательная гидродинамическая сила создается за счет изменения конфигурации проточной части подводящих и отводящих каналов путем профилирования проточек в теле плунжера гидрораспределителя [3,4]. Однако в этих работах не содержится точных рекомендаций по определению оптимальных размеров профилированной части и влиянию их на величину отрицательной составляющей гидродинамической силы.

В данной работе предлагается, в отличие от прежних решений, выполнять профилирование таким образом, что проточка в золотнике имеет форму, подобную турбинной лопатке (рис.1). В этом случае струя рабочей жидкости через входную щель попадает в камеру под углом , отражается от поверхности золотника около точки d под углом , и возникает отрицательная гидродинамическая сила, компенсирующая осевую силу, обусловленную перепадом давлений на торцах плунжера.

Результирующая гидродинамическая сила в общем случае для реального гидроусилителя зависит от большого числа параметров, и теоретически определить ее достаточно сложно, а подчас и невозможно.

В данном случае нами поставлена задача определения влияния перемещения золотника на величину гидродинамической силы.

Рисунок 1 - Конфигурация проточной части

Во многих конструкциях распределителей щель занимает только часть подводящей окружности, но даже в этом случае смещение золотника гораздо меньше длины щели, и поток может рассматриваться как двумерный. Когда входящий поток взаимодействует с золотником в районе точки d и отражается от него, это нарушает картину потока, представленную на рис.1. Действительный угол выхода имеет тенденцию к увеличению и становится больше, чем. Эксперименты показывают, что эта тенденция зависит от угла падения струи на поверхность золотника. Если, угол падения равен нулю и отрицательная гидродинамическая сила становится максимальной.

Экспериментально получено, что ступенчатая выемка а - b - с (рис.1) незначительно влияет на величину гидродинамической силы, если она не очень глубокая, а с точки зрения технологии изготовления золотника такие ступеньки даже желательны. Пренебрегая силами трения, результирующая осевая составляющая гидродинамической силы будет равна

,(1)

и гидродинамическая сила становится отрицательной, поскольку больше, чем .

Хотя действительную гидродинамическую силу теоретически определить не удается, то для данного профиля золотника величина силы изменяется в зависимости от перемещения золотника и перепада давления на щели следующим образом (см. рис.2).

Рисунок 2 - Зависимость отрицательной гидродинамической силы от перемещения золотника 1 - = 0,015 мм; Г = 0.0075мм; 3 - = 0,01 мм; Г = 0, 2; = 0,015 мм; Г = 0 4 - = 0; Г = 0

Из этого рисунка видно, что при малых перемещениях золотника реального распределителя положительная сила переходит через максимум и уменьшается до нуля. Для идеального распределителя выполняется линейная зависимость

(1)

Коэффициент К зависит от углов и (рис. 1).

Поскольку идеальный распределитель изготовить практически невозможно, компенсация осевой гидродинамической силы не будет полной и будет зависеть от ошибки изготовления, в частности, от величины радиального зазора и радиуса скругления острых кромок.

Возможны следующие случаи:

При постоянном перепаде давлений зависимость от перемещения представлена на рис. 2. Для очень малых перемещений сила положительна, переходит через максимум и уменьшается до нуля, когда. Это расстояние прямо пропорционально неизбежной ошибке изготовления золотника, т.е. и г. На него также до некоторой степени влияет форма распределителя. Объяснить появление положительной гидродинамической силы можно тем же эффектом, что и ранее, т.е. когда х мало, мал и угол 1, и проекция на ось х количества движения максимальна. Кроме того, в результате взаимодействия струи с вихрем угол падения струи увеличивается, увеличивается 2 , что уменьшает отрицательную гидродинамическую силу. Дополнительное расширение уменьшает скорость сливного потока, что также сказывается на величине этой силы. Если и г можно сделать нулевыми, то угол 1 не зависел бы от х, и положительні значения гидродинамической силы исчезли бы (пунктирная линия на рис. 2).

Если х значительно больше, чем и г, FCD прямо пропорциональна для всех значений х, т.е. для идеального распределителя выполняется линейная зависимость между этими величинами. Это дает возможность получить следующее выражение для расчета силы:

,(2)

где К1 - константа для идеального распределителя и является функцией х/ и х/г для реального. Напомним, что модифицированный распределитель с профилем a - b - c - d - e (рис. 1) дает практически идентичные результаты с профилем a -c - d - e, если угол е - а - с равен или несколько больше 690 .

Коэффициент К1 зависит от углов 2 и 3 (рис.1). По технологическим причинам более просто варьируется угол 2 , поэтому именно он рассчитывается при проектировании распределителя. До некоторой степени величина коэффициента К1 зависит от размеров f, g и h. Для максимальной компенсации f должно быть как можно больше, а h - как можно меньше.

Поскольку в идеальном четырехлинейном распределителе имеется две идентичные щели и одинаковы f и hдля обеих щелей, то

(3)

Или

.(4)

Так как К1 зависит от большого числа геометрических параметров, необходимо при изготовлении стремиться к уменьшению технологических погрешностей, чтобы можно было пользоваться формулой (4).

Однако, как отмечено выше, идеальный распределитель изготовить невозможно, компенсация гидродинамической силы не будет полной и будет зависеть от ошибки изготовления, в частности, от величины радиального зазора и радиуса скругления острых кромок. Экспериментальные данные , полученные на распределителе с диаметром золотника 6,5 мм, приведены на рис.3, где пунктирной линией показана зависимость для идеального распределителя без компенсации.

Чтобы расширить зону применения однокаскадных распределителей, нужно уменьшить, скомпенсировать или вообще исключить гидродинамическую силу, на преодоление которой и направлено в большей степени усилие электромагнита.

Из рисунка видно, что гидродинамическая сила для определенного предельного давления в распределителе с компенсацией меньше во всем диапазоне изменения перемещения и вместо линейного роста, как у идеального распределителя, сила достигает небольшого максимума (по крайней мере, для больших перепадов давления) и затем немного уменьшается.

Проведенные исследования показали, что изменяя конфигурацию подводящего и отводящего каналов в соответствии с рекомендациями данной работы, можно создать гидрораспределитель, разгруженный от осевой гидродинамической силы, и это существенно повысит эффективность указанного гидроаппарата.

Рисунок 3 - Характеристики распределителя с компенсацией гидродинамической силы

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Войшвилло В.В. Математическая модель гидрораспределителя с пропорциональным управлением/ Вестник НТУ ХПИ, - 2001. - Вып. 129.- Ч. 2.- 408 с.

Машины и агрегаты металлургических заводов: Учебник для вузов. / А.И.Целиков , П.И.Полухин, В.М.Гребник и др. - М.: Металлургия,1988.-680с.

Никитин Г.А., Комаров А.А. Распределительные и регулирующие устройства гидросистем. - М.: Машиностроение, 1965. - 183 с.

Хохлов В.А. Электрогидравлический следящий привод. - М.: Наука, 1964.