Today, modern companies engaged in the hydraulic equipment production try to build close mutually beneficial rela-tionships with customers, regardless of their business scale. Based on this, it can be confidently stated that the num-ber of incoming requests is increasing and it is necessary to respond to requests quickly and professionally. One of the possible tools for rapid response can be automating the application-production stages. The aim of the article is to assess the automation of designing the verification of basic hydraulic circuits within the framework of enterprises that are engaged in producing and repairing volumetric hydraulic drives, as well as to improve the existing methods. To achieve this aim, it is necessary to evaluate the existing methods used at enterprises, as well as analyze the time spent on checks with using the automation and without applying it.
CAD, hydraulic station, volumetric hydraulic drive, basic hydraulic diagram, design automation
Введение
В настоящее время в России продолжается модернизация предприятий и переукомплектование имеющегося на них оборудования в связи с новыми обстоятельствами на мировом и внутреннем рынке, включая санкционные ограничения. Анализируя спрос, можно с уверенностью сказать, что большая часть предприятий в сфере машиностроения, нефтегазовой промышленности, сталелитейного производства, горношахтного оборудования и других в РФ нуждаются в замене, либо модернизации имеющегося на них гидравлического оборудования в короткие сроки и на условиях импортозамещения.
К главным критериям проектирования гидравлического оборудования можно отнести высокое качество продукции, низкую стоимость, сжатые сроки поставки и возможности по расширению функционала изделия [1].
Одной из категорий гидравлического оборудования являются гидравлические станции. Гидравлическая станция представляет собой сложную техническую систему, которая преобразует различные виды энергии в механическую энергию потока масла. Самая простейшая гидравлическая станция включает в себя порядка 10 различных компонентов, а проектирование ее начинается с разработки принципиальной гидравлической схемы.
Разработка принципиальных гидравлических схем достаточно сложная инженерная задача, требующая высокой квалификации проектировщика, которая на следующем этапе требует проверки правильности построения. Данный вид проверки можно назвать теоретической проверкой работоспособности принципиальной гидравлической схемы. Теоретическая проверка необходима для корректного проектирования и расчета основных параметров, но в исключительных случаях при проектировании сложных гидравлических станций, которые можно назвать специализированными, данная проверка отличается от реальных испытаний.
Постановка задачи
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач, а именно: проанализировать имеющиеся подходы проверки теоретической работоспособности принципиальных гидравлических схем, а также предложить их улучшения и сравнить их эффективность. Классический подход проверки теоретической работоспособности принципиальной гидравлической схемы базируется на знаниях и опыте проектировщика, что увеличивает время, затраченное на проверку. Существенное сокращение временных затрат на проверку можно добиться систематизировав опыт конкретного проектировщика в методики и алгоритмы, которые можно реализовать программно.
Методику теоретической проверки работоспособности принципиальной гидравлической схемы можно представить в виде имитационной модели, что позволяет тестировать уже существующую гидравлическую станцию и проводить с ней эксперименты для определения оптимальности всей конструкции. Данный подход позволит изучить устройство со всех сторон и проверить, как оно себя ведет при изменении входных параметров.
Описание автоматизации методики проверки теоретической работоспособности
Принципиальная гидравлическая схема проектируемой гидравлической станции не содержит информации о математическом представлении ее составных элементов. Учитывая важность графического представления проектируемой системы и необходимость оперирования не только с элементным составом, но и с физическим представлением элементов, введем еще одно понятие – представление гидравлической схемы в виде математической модели.
Большинство физических схем можно представить в виде цепи, состоящей из объединенных между собой через внешние узлы типовых компонент. На рис. 1 представлена простейшая гидравлическая схема объемного гидропривода. Для формирования матрицы отношений между элементами, целесообразно структуру разработанной принципиальной гидравлической схемы описать посредством идентификации элементов и нумерации узлов.
Для проверки работоспособности гидравлической схемы, представленной на рис. 1 необходимо преобразовать ее в математическую модель. Для простоты преобразования представим схему в виде графа, вершинами которого будут являться элементы схемы, а дугами отношения между этими элементами (рис. 2).
Преобразованная гидравлическая схема представляет собой множество элементов:
, (1)
где n – число элементов, используемых в гидравлической схеме.
Так как множество элементов является конечным, то любое бинарное отношение на 
можно задать списком упорядоченных пар, содержащихся в этом бинарном отношении. Пусть и 
– бинарное отношение на . Тогда матрицей отношений называется квадратная матрица размера 
, состоящая из нулей и единиц, такая, что в пересечении i-й строки и j-го столбца стоит 1 тогда и только тогда, когда:
, (2)
где - бинарное отношение на .
Рис. 1. Гидравлическая схема
Fig. 1. Hydraulic circuit
Рис. 2. Гидравлическая схема, представленная графом
Fig. 2. Hydraulic circuit represented by a graph
На множестве элементов , матрица отношений имеет вид:
По матрице отношений можно однозначно определить взаимосвязь элементов друг с другом, расположение элемента в гидравлической схеме и точку перехода между напорной и сливной линией. Задав необходимые свойства каждого элемента и зная его расположение в гидравлической схеме, можно проводить проверку на работоспособность гидравлической схемы.
Автоматизация расчета основных параметров объемного гидропривода
Для корректного функционирования автоматизированной проверки теоретической работоспособности принципиальных гидравлических схем, необходимо произвести расчет основных подсистем объемного гидропривода: энергообеспечивающей, направляющей и исполнительной. При расчете подсистем энергообеспечивающей и направляющей будем руководствоваться методиками, описанными в источниках [2 – 4], а для исполнительной подсистемы воспользуемся упрощенной методикой расчета описанной В.А. Муратовым [5].
Используя данные автоматизированные методики расчета, пользователю достаточно внести несколько значений для системы: подача насоса, частота вращения двигателя, давление в системе, диаметр поршня, диаметр штока и ход исполнительного механизма. Остальные параметры будут рассчитываться в автоматизированном режиме. Пример расчета основных параметров объемного гидропривода приведен в табл. 1 и табл. 2.
Таблица 1
Основные параметры энергообеспечивающей и направляющей подсистем
Table 1
Basic parameters of the energy supply and guidance subsystems
|
Подача насоса |
Q |
4,5 |
Л/мин |
0,00007500 |
м3/с |
|
Частота вращения двигателя |
n |
1500 |
об/мин |
Мощность развиваемая насосом |
|
|
Мощность двигателя |
N |
3,15 |
кВт |
2,12 |
кВт |
|
Рабочий объем насоса |
q |
0,00000323 |
м3/об |
3,2258 |
см3/об |
|
Давление в системе |
P |
24 |
Мпа |
240 |
бар(атм) |
|
Диаметр поршня |
D1 |
180 |
мм |
||
|
Площадь поршня |
A1 |
25446,90 |
мм2 |
0,02545 |
м2 |
|
Диаметр штока |
d2 |
90 |
мм |
90 |
|
|
Площадь штокового кольца |
A2 |
19085,18 |
мм2 |
0,01909 |
м2 |
|
Скорость выдвижения |
v1 |
0,00295 |
м/с |
2,947 |
мм/с |
|
Скорость обратного хода |
v2 |
0,00393 |
м/с |
3,930 |
мм/с |
|
Усилие давления |
F1 |
61,07 |
т |
598917,35 |
Н |
|
Тяговое усилие |
F2 |
45,80 |
т |
449188,02 |
Н |
|
Объем бака |
v_б |
0,01425 |
м3 |
14,25 |
л |
|
Диаметр условного прохода |
dy |
4,36 |
мм |
||
|
Количество тепла получаем в сек. |
Q_t |
5,93 |
Дж/с |
||
|
Температура жидкости |
t_ж |
53,01 |
град. |
Станция |
|
Таблица 2
Основные параметры исполнительной подсистемы
Table 2
Basic parameters of the executive subsystem
|
гидроцилиндры |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
D1,мм |
180 |
60 |
120 |
140 |
130 |
40 |
80 |
|
м2 |
0,0254 |
0,0028 |
0,0113 |
0,0154 |
0,0133 |
0,0013 |
0,0050 |
|
d2,мм |
90,00 |
40,00 |
70,00 |
80,00 |
70,00 |
28,00 |
50,00 |
|
м2 |
0,0191 |
0,0016 |
0,0075 |
0,0104 |
0,0094 |
0,0006 |
0,0031 |
|
l1,мм |
1500 |
150 |
800 |
600 |
350 |
100 |
150 |
|
Скорость выдвижения, мм/с |
2,95 |
26,53 |
6,63 |
4,87 |
5,65 |
59,68 |
14,92 |
|
Время выдвижения, с |
508,94 |
5,65 |
120,64 |
123,15 |
61,94 |
1,68 |
10,05 |
|
Скорость задвижения, мм/с |
3,93 |
47,75 |
10,05 |
7,23 |
7,96 |
117,03 |
24,49 |
|
Время задвижения, с |
381,70 |
3,14 |
79,59 |
82,94 |
43,98 |
0,85 |
6,13 |
|
Скорость выдвижения всех цилиндров |
0,001006 м/с |
1,01 мм/с |
|||||
|
Скорость задвижения всех цилиндров |
0,001453 м/с |
1,45 мм/с |
|||||
|
Время выдвижения всех цилиндров |
1490,69 c |
24,8 мин |
|||||
|
1032,26 c |
17,2 мин |
||||||
|
Объем цилиндров: |
62,40 л |
||||||
Руководствуясь данными параметрами расчета, происходит подбор рациональных компонентов, которые будут применять при разработке специализированных гидравлических станций.
Пример работы модуля проверки теоретической работоспособности
Необходимо произвести модернизацию гидравлического станка для производства бетонных изделий: тротуарная плитка и бордюры. Данная задача возникла в связи с несоответствием паспортных данных на оборудования с реальными условиями его работы. На первом этапе необходимо внести в программный модуль, принципиальную гидравлическую схему оборудования, данная процедура производится вручную (рис. 3).
Рис. 3. Гидравлическая схема станка
Fig. 3. Hydraulic diagram of the machine
Результаты работы модуля предоставляются пользователю в виде отчета основных параметров объемного гидропривода, а также номенклатуры гидравлических компонентов, рационально подобранных под данные расчета. Обрабатывая полученную информацию и сравнивая ее с использующимися компонентами станка, было выявлено несколько отклонений от расчета, которые могли влиять на работу оборудования.
Для устранения данных проблем необходимо было переделать исполнительный механизм станка – гидроцилиндр, а также увеличить условный проход на монтажной плите. Если переделка гидроцилиндра не заняла много времени, то при изменении условного прохода возникла проблема, что данное устройство не рассчитано для данной модернизации, в результате чего изделие было испорчено. Для дальнейшей работы станка необходимо было спроектировать и изготовить новый гидроблок (рис. 4).
|
|
|
Рис. 4. Монтажная плита станка
Fig. 4. Mounting plate of the machine
Изготовленная монтажная плита имеет размеры 180х160х610 мм и вес 98 кг, при ее изготовлении учитывались компоненты, которые были подобраны модулем автоматической проверки работоспособности, которые, в свою очередь, являются взаимозаменяемыми в отличие от тех, которые были раньше.
Результаты модернизации станка
В течение месяца происходило тестирование оборудования на производстве, в результате которого можно сделать следующие выводы:
1) изменив исполнительный механизм станка, уменьшился цикл изготовления на 2 минуты, что повлияло на увеличение производительности на 25 % в смену;
2) изготовив новую монтажную плиту с подходящим диаметров условного прохода, удалось получить плавность хода исполнительного механизма, что, в свою очередь, позволило сократить брак на 25 %, на сегодняшний день он составляет 5 % в смену;
3) за счет правильной работы подающего механизма, сухая смесь равномерно поступала в пресс формы, что позволило получить более хорошую поверхность изделия.
Заключение
Проведенный анализ по применения автоматизированной системы теоретической проверки работоспособности принципиальных гидравлических схем показал, что модернизация имеющегося оборудования является актуальной задачей. Применяя автоматизацию на предприятиях, которые занимаются производством и модернизацией оборудования можно существенно сократить сроки и повысить качество результатов.
1. Goydo M.E. Design of Volumetric Hydraulic Drives. Moscow: Mashinostroenie; 2009.
2. Azirov A.G., Ragimov A.M., Azirov M.G. Design of Hydraulic and Pneumatic Systems. Baku: AGN A; 2004.
3. Bazhin II, Berengard YuE, Gaitsgori MM, et al. Automated Design of Mechanical Engineering Hydraulic Drive. Ermakov SA, editor. Moscow: Mashinostroenie; 1988.
4. Vasilchenko V.A. Hydraulic Equipment of Mo-bile Machines. Moscow: Mashinostroenie; 1983.
5. Marutov V.A., Pavlovsky S.A. Hydraulic Cylin-ders. Moscow: Mashinostroenie; 1966.
