microbik.ru
1




ВВЕДЕНИЕ

У специалистов по гидросистемам существует тенденция использования объемного насоса только как средства перекачивания жидкости с передачей ей энергии, при этом необходимая функциональность гидросистемы, как правило, достигается введением в неё дополнительных средств управления потоками жидкости и давлением, воздействующих на различные участки гидросистемы или, в лучшем случае, - управлением непосредственно насоса, снабженного силовым механизмом регулирования длины хода вытеснителей.

Такой подход при предъявлении к гидросистеме сложных технических требований существенно усложняет ее структуру и практическую реализацию и часто не позволяет обеспечить требуемые надежность, точность и быстродействие процесса управления, а также – требуемые массо-габаритные и экономические характеристики.

В работе предлагается иной подход решения задачи о придании гидросистеме сложных характеристик действия – путь максимальной передачи насосу, как входному звену гидросистемы, функций по приведению гидросистемы и ее управлению, т.е. – путь обеспечения уже на самом нижнем уровне управления потоками жидкости и энергии требуемых характеристик движения и адаптационных свойств.

Практически такой подход к проектированию гидросистем возможен только при создании методологии системного построения и проектирования объемных насосных агрегатов с существенно более широкими и наперед заданными функциональными возможностями и характеристиками действия.

Как показал анализ современных гидросистем, решение этой проблемы позволяет: существенно сократить потребность в внешних системах управления, которые при этом могут уже применяться (в особенно сложных гидросистемах) на иерархически последующем уровне управления и только для коррекции поведения (движения) гидросистемы, предопределенного (заданного) характеристиками функционального объемного насосного агрегата (ФНА); получать технико-экономические показатели гидросистем, которые принципиально недостижимы при традиционном проектировании гидросистем.

Как показано в работе, объемные как технологические, так и приводные гидросистемы можно рассматривать как подобные по своим основным свойствам гидравлические механизмы с одной или несколькими степенями подвижности, рациональная структура и характеристики действия которых в первую очередь определяются функциональными свойствами их входного звена – одно- или многопоточного объемного приводного насосного агрегата.

В идеале, когда удается требуемые характеристики таких гидравлических механизмов (гидросистем) обеспечить только за счет придания насосному агрегату необходимых функциональных свойств, вся проектируемая техническая система в целом будет обладать простейшей структурой (поскольку все необходимые преобразования энергии и информации уже осуществлены во входном (первичном) звене механизма).

Когда требуемые функциональные свойства насосному агрегату - ФНА удается придать лишь приблизительно, то и в этом случае гидросистема будет иметь наилучшие возможности для коррекции и перенастройки в нужном направлении характеристик действия за счет внешнего управления, как всеми последующими кинематическими звеньями такого гидравлического механизма, так и самого его входного звена – насосного объемного агрегата.

Важно, что при этом с одной стороны указанные внешние управляющие воздействия могут быть минимальными по своим энергетическим и информационным воздействиям на гидравлический механизм в целом, а с другой – могут быть обеспечены рекордные ранее недостижимые тактико-технические и экономические показатели использующих такой механизм технических систем.

Действительно, как технологическая, так и приводная гидросистема выполняет передачу жидкости (рабочей материальной среды) между элементами технического объекта (устройства), в составе которого они работают, необходимое преобразование энергии, а также функции управления ее выходными (рабочими) параметрами, с целью обеспечения необходимого изменения состояния (движения) ее выходных звеньев, связанных с одним или несколькими объектами приведения и управления (ОПУ), например, с химическими реакторами, смесителями (для технологических систем) или рабочим оборудованием машин (для приводных систем).

Таким образом, в дальнейшем будем исходить из того, что гидросистема должна обеспечить необходимые характеристики действия и работоспособности выходных ее звеньев при заданных условиях функционирования и ограничениях как со стороны источника подводимой энергии, так и со стороны устройств, подключенных к ее выходным звеньям, при наиболее эффективной структуре системы и по возможности с минимальными затратами на средства дополнительной автоматизации, что достижимо, только если кинематическая цепь механизма содержит входное звено – функциональный насосный агрегат (ФНА), обладающий такими свойствами, что он «самостоятельно» в процессе взаимодействия с нагружающей его гидросистемой осуществляет необходимые преобразования потоков энергии и информации за счет заданных свойств его рабочего процесса.

Далее под однопоточным ФНА(Ri) будем понимать насосный агрегат, реализующий с заданной разработчиком точностью функциональную связь его объемной (или массной) подачи Qj c заданным рабочим параметром Ri рассматриваемого гидравлического механизма (здесь Ri - давление на входе или выходе насоса, потребляемая мощность, температура или плотность перекачиваемой жидкости, перемещение входного или выходного звена механизма, программно заданный параметр и т.д.).

Под многопоточным ФНА будем понимать синхронизированную определенным образом между собой совокупность однопоточных ФНА, задающих требуемое движение (функционирование) гидравлического механизма с двумя и более степеням подвижности посредством задания соответственно двух или более потоков жидкости.

Можно выделить два граничных типа однопоточных ФНА(Pi ) с характеристиками давления интегрального типа:

А) Средняя подача на выходе ФНА постоянна и не зависит от давления в гидросистеме на входе и/или выходе ФНА, т.е Q = var при Pi = var - режим «источника расхода».

Б) Давление на выходе (входе) ФНА постоянно и не зависит от расхода потребляемого гидросистемой от ФНА, т.е. Q = var при Pi = const - режим «источника давления».

В первом случае ФНА является идеальным средством программирования работы (закона движения или изменения состояния) гидросистемы и ОПУ. Естественно, что эта задача решается при условии, когда величины подач задаются и известны с достаточной для решения практической задачи точностью. Такие насосные агрегаты образуют класс дозирующих ФНА.

В ряде случаев применения от дозирующих ФНА требуется обеспечение некоторых оптимальных для работы гидросистемы и/или самого ФНА ряда временных характеристик – законов мгновенной подачи жидкости в выходное звено гидросистемы или, например, законов заполнения рабочих камер ФНА для минимизации ускорений во всасывающей магистрали при заданной частоте рабочих циклов и т.п., что накладывает дополнительные условия на проектирование приводов самих ФНА.

Во втором случае ФНА является идеальным средством стабилизации и ограничения нагрузки как на выходных звеньях гидравлического механизма, так и на всех его кинематических звеньях независимо от скорости движения механизма.

Для оптимального решения встречающихся на практике задач требуются ФНА и с другими более сложными и комбинированными внешними характеристиками, реализация которых позволяет существенно упростить гидросистему, а часто, - и придать ей новые положительные свойства, не достижимые при использовании только внешних регуляторов для управления рабочими параметрами перенастраиваемых звеньев гидросистемы, что особенно важно при проектировании сложной специальной техники и обеспечения на современном рынке конкурентноспособности технических объектов, использующих автоматизированные технологические и приводные гидросистемы.

Объемные насосы систем гидропривода в настоящее время выполняются с различными функциональными характеристиками , получаемыми за счет применения функциональных механизмов (ФИМ), перенастраивающих механизм регулирования подачи (МР) насоса по давлению в напорной гидролинии за счет перемещения выходного регулирующего элемента (ВРЭ) этого МР, и достаточно широко применяются в промышленности.

Но и в насосах гидропривода, снабженных ФИМ, в недостаточной мере решены вопросы повышения быстродействия, точности автоматического управления, получения сложных внешних характеристик по таким параметрам гидросистемы как: давление на входе насоса, перепад давления на заданном звене гидросистемы, объем прошедшей через насос жидкости, перемещение входного или выходного звена гидросистемы, а также - не разработаны высокоточные дозирующие приводные насосы, синхродозировочные многопоточные агрегаты и системы их управления, что не позволяет в должной мере создавать программируемые гироприводные механизмы со сложными функциональными свойствами и новыми возможностями построения и применения, см. функциональные дозирующие гидравлические механизмы (ФДГМ), описанные в главе 2.

В технологических объемных приводных насосах, большинство которых выполняется с одной или двумя рабочими камерами, задача получения от них требуемых функциональных свойств значительно усложняется поскольку приводной механизм здесь конструктивно отделен от гидроблока, имеет относительно большие массы и существенно переменные по рабочему циклу нагрузки выходного звена механизма регулирования , управление которым возможно только с использованием дополнительных источников энергии (например специального гидропривода) и систем косвенного автоматического управления посредством датчиков рабочих параметров технологического процесса.

Применение пневматического или гидравлического привода в объемных технологических насосах со встроенными функциональными механизмами регулирования цикловой подачи (ФМР) дополнительно расширяет возможности построения ФНА этого типа (особенно при использовании дискретных систем управлении технологическим процессом в рамках АСУ ТП), позволяя, как будет показано в работе, создавать высокоэффективные многопоточные гидросистемы со сложными многофункциональными свойствами.

В настоящее время в России и ближнем зарубежье разработаны дозировочные приводные насосы с возможностью перенастройки их подачи без остановки двигателя насосного агрегата. Управление подачей осуществляется, как правило, вручную (воздействием на выходной регулирующий элемент (ВРЭ) механизма изменения длины хода поршня), поскольку трудности создания систем дистанционного и автоматического управления насосами этого типа еще окончательно не преодолены. В этой связи для решения задач автоматического управления технологическим процессом используются или частотные электропреобразователи, позволяющие изменять регулированием оборотов двигателя подачу насосного агрегата до 30% от максимальной, или в основном по импорту закупается насосное оборудование с весьма сложными и дорогостоящими системами автоматического регулирования приводными механизмами насосов, которые, как правило, обладают быстродействием часто недостаточным для качественного ведения сложных технологических процессов.

Как будет показано, существенное повышение качества ведения технологических процессов и управления движением и свойствами гидроприводных механизмов возможно только при использовании ФНА, преимущественно базируемых на гидравлических механизмах регулирования цикловой подачи, позволяющих на один-два порядка снизить мощность исполнительных механизмов внешних систем управления, существенно упростить конструкции систем автоматического, дистанционного и программного управления, а также - включать в структуру энергосиловой кинематической цепи приводного механизма насоса необходимые для получения требуемых характеристик действия функциональные звенья (ФЗ), обеспечивая, тем самым, возможность построения многофункциональных насосных агрегатов для самых разнообразных современных гидросистем.
Итак, в диссертации разрабатывается совокупность научно-технических положений, направленная на получение полного знания о возможных путях и способах построения одно- и многопоточных объемных насосных агрегатов с заданными функциональными свойствами; создание основ их применения, исследования, построения и проектирования (включая разработку новых рациональных конструкторских решений) для автоматизированных, программируемых и/или адаптирующихся необходимым образом к внешней нагрузке и возмущающим воздействиям приводных и технологических гидросистем, а также - и самих гидросистем с целью придания им посредством ФНА новых возможностей для решения сложных задач современой техники.
Таким образом, с целью создания основ, необходимых для проектирования и внедрения в промышленность одно- и многопоточных ФНА с заданными функциональными свойствами, а также и базирующихся на них новых типах прогрессивных гидросистем, в данной работе выполнено комплексное и системное исследование, имеющее следующую логически обусловленную поставленной задачей структуру:
В разделе А (главы 1 и 2) формируется концепция функционального источника питания (ФИП) гидросистемы, выполняется систематизация функциональных гидромашинных источников питания, анализируются известные и выявляются новые возможности их практического использования для управления гидросистемами, выделяется множество функциональных насосных агрегатов (ФНА), определяются и уточняются области рационального применения одно- и многопоточных ФНА с жесткими и нежесткими характеристиками в современных технологических и приводных гидросистемах, выявляется подобие этих гидросистем относительно используемых структур ФНА, рабочих характеристик, алгоритмов и способов управления.

Показывается возможность построения новых типов силовых гидроприводов на базе созданного нового класса голономных функциональных дозирующих механизмов (ФДГМ), позволяющих посредством внутренней программы (без посредства замкнутых САР) задавать требуемые законы движения выходных звеньев, траектории движения и скорость движения по траектории, например, по закону постоянства подводимой мощности.

Разрабатывается полная система алгоритмов формирования тарированных потоков жидкости посредством одно-и многопоточных дозирующих ФНА с различными типами их приводных механизмов, дающая полное представление о возможных способах построения устройств гидромашинного пропорционального дозирования с дискретным управлением потоками жидкости и тем самым, позволяющая выявить принципиально новые пути построения высокоэффективных СДА для технологических и приводных ОПУ.

Выявляется возможность создания резонансных машин – автоматов на базе многопоточных ФДГМ, минимизирующих затраты энергии при выполнении сложных рабочих циклов, а также самонастраивающихся по нагрузке ФДГМ при сохранении заданной траектории движения за счет комбинированного совместного использования СДА и ФНА с нежесткими характеристиками Q - Pi , задающими необходимые адаптационные свойства ОПУ.

С целью минимизации погрешностей положения и перемещения выходных звеньев разрабатываются и систематизируются способы повышения точности ФДГМ при наличии возмущающих воздействий, а также и способы совмещения ФДГМ с непрерывными и дискретными замкнутыми системами коррекции траектории движения гидравлического механизма в пространстве его обобщенных координат.

С целью показа возможности практической реализации предложенных ФДГМ разрабатываются соответствующие схемно-конструкторские технические решения ФДГМ с разнообразными характеристиками действия.

Таким образом в разделе А вскрывается весь спектр возможностей применения одно- и многопоточных ФНА в современных автоматизированных гидросистемах, а на базе системного анализа выявляются принципиально новые пути создания программируемых и/или адаптирующихся гидросистем с заданными фукциональными свойствами, разрабатываются основы их проектирования, уточняются задачи дальнейшего исследования.
В разделе Б (главы 2 и 3) решается задача выявления возможных путей построения одно и - многопоточных объемных гидромашин с регулируемой подачей.

Необходимо отметить, что существовавший к началу данной работы уровень знаний в области систематизации объемных насосов (гидромашин) из-за огромного их многообразия (несколько тысяч описаний в патентной литературе) по существу не давал научно обоснованной базы для построения объемных насосов с заданными функциональными свойствами. В патентной и технической литературе эпизодически, только как отдельные изобретения, появлялись регулируемые объемные гидромашины, обладающие теми или иными, но весьма ограниченными по типу, напорно-расходными характеристиками.

В общепринятых классификациях объемных гидромашин по ГОСТ 17398, 17752 по существу использованы исторически сложившиеся признаки деления, характеризующие разработанные к тому времени конструкции гидромашин, которые не отражали как особенности рабочих процессов, обеспечивающих передачу энергии от разнообразных типов рабочих органов жидкости (для режима насоса) или от жидкости рабочим органам (режим гидродвигателя), так и возможные способы конструктивной реализации рабочих процессов. На одном уровне деления используется более одного существенного признака, причем различным образом влияющих на характер протекания рабочего процесса ОГМ.

В целом указанные выше классификации, как и многие другие, не являются полными и не дают поэтому обобщенного представления о возможных в принципе технических решениях объемных нерегулируемых гидромашин и тем более - о возможностях регулирования их подачи за счет встраиваемых в них механизмов изменения подачи.

Поскольку разработчики и исследователи регулируемых объемных гидромашин не имели необходимой научной базы для систематизации своих разработок, попытки создания классификаций регулируемых объемных гидромашин так и оставались незавершенными. В связи с этим отсутствовала научная основа, которая бы позволила осуществлять направленную разработку регулируемых объемных насосов с требуемыми функциональными свойствами.

В этой связи необходимой задачей данного исследования было создание научно обоснованной методологии системного построения объемных регулируемых насосных агрегатов с наперед заданными гарантированными с определенной точностью внешними характеристиками, позволяющей осуществить переход от эвристических «находок» отдельных конструкций к направленному синтезу объемного регулируемого насосного агрегата, обеспечивающего получение требуемых функциональных свойств гидросистемы, приводимой данным насосным агрегатом.

Естественно, что такой подход к решению задач проектирования объемных насосных агрегатов с наперед заданными характеристиками действия на первом этапе потребовал разработки полной классификации объемных (нерегулируемых) гидромашин, охватывающей все возможные в природе их типы (классы), и дающей при этом четкое и конкретное представление о возможных путях построения технических решений гидромашин в рамках каждого типа (класса).

Как будет следовать из дальнейшего, только разработка такой классификации, причем базирующейся на особенностях реализации рабочих процессов, и позволила выявить возможные способы и конструктивные пути воздействия на рабочий процесс объемной гидромашины, с целью придания ей необходимых функциональных свойств, и затем - осуществить на этой основе систематизацию регулируемых объемных гидромашин с целью разработки их полной классификации, которая только и могла вскрыть ряд неизвестных ранее путей создания регулируемых ОГМ и выявить потенциальные возможности проектирования ОГМ со сложными типами характеристик.

Полученные результаты по систематизации однопоточных объемных нерегулируемых и регулируемых гидромашин послужили основой для выявления возможных способов обеспечения пропорционального гидромашинного дозирования жидкостей посредством многопоточных ОГМ и формирования СДА как нового класса машин.

На базе анализа способов регулирования ОГМ и возможных в принципе алгоритмов пропорционального управления в этом разделе проводится исследование направленное на разработку новых способов синхронизации НД и их программирования для обеспечения возможности их совместной работы в составе СДА.

В результате была разработана полная классификация СДА и проведена схемно-техническая и конструкторская разработка новых перспективных типов одно- и двухпараметрических СДА, в том числе, как показано в работе, - наиболее приспособленных для использования в объемном гидроприводе и сложных технологических объектах, регулируемых с применением как непрерывных, так и дискретных систем программного и/или следящего управления их движением (изменением состояния).
В разделе В (главы 5 и 6) исследуются вопросы повышения точности и решается задача синтеза высокоточных и эталонных дозирующих ФНА и насосных секций СДА.

Здесь последовательно решаются вопросы: обоснования и выбора критериев оценки точности насосного дозирования; сравнительного анализа факторов, влияющих на отклонение действительной подачи от заданной по шкале, для различных типов механизмов регулирования и рабочих процессов.

На основе этого анализа проводится систематизация способов повышения точности дозирования, направленная на поиск и разработку новых эффективных путей проектирования высокоточных дозирующих ФНА, в том числе - эталонных, инвариантных к основным возмущающим воздействиям.

По результатам проведенного исследования выполнена схемно-техническая и конструкторская проработка дозирующих ФНА с различной структурой ФМР и приводных механизмов, позволившая определить наиболее рациональные пути конструирования одно- и многопоточных дозирующих гидромашин с заданной высокой точностью и наилучшим образом приспособленных для непрерывного и дискретного управления потоками жидкости посредством исполнительных механизмов малой мощности.
Раздел Г (главы 7 и 8) посвящен разработке прямого метода построения ФНА с заданными функциональными свойствами (характеристиками).

Систематизация регулируемых насосов, проведенная в главе 3, позволила выделить набор элементарных функциональных звеньев (ФЗ), различные комбинации последовательно-параллельного включения которых в энергосиловую кинематическую цепь насоса, позволяют получать требуемые типы как всасывающих, так и нагнетательных рабочих характеристик. На базе этого анализа разрабатывается метод синтеза ФМР, обеспечивающий придание насосу характеристик Q - Рi заданного типа.

Поскольку, как было выявлено, тот или иной тип характеристики может быть получен при различных структурах ФМР (различным набором элементарных ФЗ), то по предложенным критериям оценки экономичности и нагрузки привода ФНА разрабатывается методика, направленная на обеспечение в рабочем диапазоне регулирования подачи максимального общего КПД насосного агрегата.

В разделе разрабатываются способы придания насосу сложных функциональных свойств, которые, как считалось ранее, невозможно совместить.

Автором проведена схемно-техническая и конструкторская проработка многофункциональных насосных агрегатов (МФНА) для использования в сложных технологических процессах, медицине, космической технике, глубоководных аппаратах, биотехнологии, энергетике, химии и т.п., часть которых нашла практическое применение в вышеуказанных гидросистемах.

На этой основе созданы для систем жизнеобеспечения космических станций и медицины МФНА, не имеющие аналогов в мировой практике, обеспечивающие значительное улучшение тактико-техничесих и эксплуатационных свойств сложных автоматизированных гидросистем, практически недостижимое при использовании ранее известной элементной базы в области гидромашин.

Обосновывается, в том числе на примерах конкретных новых технических решений, что дальнейшее усложнение функциональных свойств и характеристик действия возможно только посредством комбинированого применения ФМР и внешних систем автоматической перенастройки параметров ФЗ посредством ФИМ, т.е. путем одновременного (совместного) применения прямых и косвенных методов построения ФНА.
В целом, выполненные в разделах А, Б, В, Г исследования (с учетом исследований, вынесенных в приложения: главы 9(П), 10(П), 11(П), 12(П)) привели к формированию полного систематизированного знания о возможностях применения и построения одно-и многопоточных функциональных объемных насосных агрегатов в технологических и гидроприводных системах.
Полученные результаты по способам создания ФНА и ФДГМ доводятся в работе до рациональных схемно-конструкторских и конструкторских решений, показывающих и доказывающих возможность и рациональность их практической реализации в составе гидросистем.
Таким образом, в диссертации разрабатывается совокупность научно-технических положений, направленная на получение полного знания о возможных путях и способах построения одно- и многопоточных объемных насосных агрегатов с разнообразными заданными функциональными свойствами и создание основ их применения, исследования, построения и проектирования (включая разработку новых рациональных технических решений и конструкций) для автоматизированных, программируемых и/или адаптирующихся необходимым образом к внешней нагрузке и возмущающим воздействиям приводных и технологических гидросистем, а также - и самих гидросистем, с целью придания им посредством ФНА новых возможностей для решения сложных задач современной техники.