УДК 339.54.012

Оптимизация формы каналов пропорционального регулирования поршня гидрораспределителя по результатам моделирования в SOLIDWORKS

Заев Владимир Валерьевич – преподаватель кафедры Технологической информатики и информационных систем Тихоокеанского государственного университета

Заев Артем Владимирович – магистрант Тихоокеанского государственного университета

Аннотация: В статье рассматривается проблема разрушения гидрораспределителей на тяжелой карьерной технике на приисках в Магаданской области. Разборка и дефектовка гидрораспределителя выявила разрушение поршня гидрораспределителя. Анализ детали показал, что происходит разрушение дна канала пропорционального регулирования потока гидравлической жидкостью вследствие кавитации. Дальнейший анализ проводился в среде SOLIDWORKS Flow Simulation. В статье приведены результаты математического моделирования процесса. Выявлены места с высокой вероятностью возникновения процесса кавитации. Для предотвращения этих процессов было предложено изменить форму канала пропорционального регулирования потока. Проведенная симуляция в программной среде показала, что условий для возникновения кавитации не возникает, как следствие не нарушается работоспособность поршня. Из этого делаем вывод, что изменение формы каналов благоприятно повлияет на надежность работы гидрораспределителя.

Ключевые слова: гидрораспределитель, кавитация, кавитационное разрушение, математическое моделирование.

Статистика поломок, в гидравлической системе, тяжелой карьерной техники, на приисках в Магаданской области, показала высокую долю выхода из строя узла гидрораспределителя [1] (рисунок 1).

Рисунок 1. Конструкция и принципиальная схема гидрораспределителя. 1 – редукционный клапан в сборе, 2 – регулировочный клапан в сборе, 3 – поршень, 4 – крышка управления, 5 – клапан управления, 6 – канал управления.

Деффектовка узла выявила, что основной причиной является разрушение тела поршня гидрораспределителя (рисунок 2)//...

Рисунок 2. Поврежденный поршень гидравлической системы.

Анализируя тип разрушения можно сделать вывод о том, что основной причиной является кавитация [2], возникающая в канале пропорционального регулирования.

В результате разрушения происходит изменение геометрии канала и засорение смазочного материала частичками материала поршня разной крупности. Процесс носит кумулятивный характер и развивается по экспоненциальному закону. Вследствие дальнейшего разрушения нарушается целостность центрального возвратного канала. Это приводит остановку гидравлических исполнительных механизмов в аварийных положениях.

Для имитации процесса кавитации в полости гидрораспределителя создадим электронный образ поршня. Ниже приведена 3D модель поршня гидрораспределителя с разрезом отображающем, положение каналов пропорционального управления потоком гидравлической жидкости (рисунок 3).

Рисунок 3. 3D модель поршня гидрораспределителя.

Моделирование гидродинамических процессов проводим в программной среде SOLIDWORKS Flow Simulation [3]. Исходными данными для моделирования служат рабочие параметры гидрораспределителей приведенные в таблице 1

Таблица 1. Параметры гидрораспределителей.

Составляем расчетную схему и задаем граничные условия [4]. Модель с исходными данными приведена на рисунке 4. Исходными данными являются параметры гидравлической среды, начальное и конечное давление.

Рисунок 4. Модель узла гидрораспределителя с исходными данными.

Рисунок 5. Распределение давления по объему гидрораспределителя.

Анализируя распределение давления по внутреннему объему распределителя можно (рисунок 5) выделить зоны с большим градиентом перепада давления и «рваной» формы [5]. Такой перепад давления является первым признаком зоны возникновения кавитации а «рваная» форма изолиний свидетельствует о турбулентном течении жидкости.

На рисунке 6 приведено распределение объемной концентрации пара. Выделены места с наибольшими значениями, которые соответствую зонам возникновения кавитации.

Рисунок 6. Объемная концентрация пара в каналах в сечении гидрораспределителя.

Рисунок 7. Разбиение внутренней полости узла на конечно элементную сетку и распределение скорости потока по объему гидрораспределителя.

Анализируя выше приведенные схемы и повреждение штока гидрораспределителя можно отметить полное соответствие мест разрушения на математической модели и реальной детали. Это свидетельствует о полной корреляции модели реальным процессам, протекающим в гидрораспрелелителе.

На основании моделирования процесса кавитации в гидрораспределителе рассмотренном выше проводим модернизацию формы каналов пропорционального управления с целью исключения факторов приводящих к возникновению эффекта кавитации. Форму каналов принимаем радиусной формы для устранения мест резкого изменения направления потока гидравлической жидкости [5] (рисунок 8).

Форма сечения и начальная точка сохраняется как на исходной детали с целью сохранения характеристик гидрораспределителя, и сохранения принципа пропорционального регулирования потока.

Рисунок 8. Модель уза модернизированного гидрораспределителя с исходными данными.

Проводим моделирование и получаем следующие результаты по распределению давления в полости гидрораспределителя.

Рисунок 9. Распределение давления в полости гидрораспределителя.

Проводя анализ результатов моделирования распределения давления по объему гидрораспределителя можно отметить устранение мест с большим перепадом давления, а форма изолиний приобрела плавность. Это является свидетельством о ламинарном течении гидравлической жидкости.

На рисунке 10 отображена объемная концентрация пара. Моделирование объемной концентрации пара показывает исчезающее малое его значение, что свидетельствует об отсутствии условий возникновения кавитации.

Рисунок 10. Объемная концентрация пара.

Моделирование распределение скорости гидравлической жидкости отражено на рисунке 11. Анализ показывает что максимальная скорость потока снизилась на 30,6 м/с, уменьшился градиент скорости между слоями в поперечном сечении потока.

Рисунок 11. Разбиение внутренней полости узла на конечно элементную сетку и распределение скорости потока по объему гидрораспределителя.

Выводы

Проведенные данные свидетельствуют о систематическом разрушении штока гидрораспределителя кавитационными процессами, вызванными конструкцией канала пропорционального регулирования потока. Предлагаемая модернизация формы канала устраняет этот недостаток, что подтверждается результатами моделирования. Это устраняет предпосылки к разрушение тела поршня гидрораспределителя и существенно снижает риск остановки гидравлических исполнительных механизмов в аварийных положениях.

Список литературы

1. Башта Т. М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. М., «Машиностроение», 1972, 320 с.
2. Пирсол И. Кавитация. Пер. с англ. Ю. Ф. Журавлева. М., «Мир», 1975, 95 с.
3. Алямовский А. А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. М.: ДМК Пресс, 2010, 464 с., ил.
4. Алямовский А.А. SOLIDWORKS Simulation и FloEFD, Практика, Методология, Идеология М.: ДМК Пресс, 2020, 658 с., ил.
5. Арзуманов Э.С. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях М., Энергия, 1978, 304 с.