Моделирование предохранительного клапана
Лабораторная работа №4 по библиотеке "Гидравлические системы"
Введение
В работе представлена методика создания модели предохранительного клапана с использованием библиотек Гидравлические системы и Механика. Проведены исследования статических и динамических характеристик рассматриваемых систем на основе разработанных моделей.
Цель работы
- Ознакомиться с возможностями библиотеки Гидравлические системы на примере моделирования предохранительного клапана
Задачи работы
- Разработать модель предохранительного клапана на основе базовых блоков библиотеки
- Провести исследование статических и динамических характеристик модели
Разработка модели предохранительного клапана на основе базовых блоков библиотеки
Модель предохранительного клапана, применяемая в рассмотренных предыдущих лабораторных работах, не учитывает динамику при его срабатывании и используется исключительно в системном моделировании. В случаях, когда требуется провести подробное исследование самого клапана и учесть его динамику в составе системы, возникает необходимость в разработке его модели.
- 1 — бак
- 2 — насос
- 3 — емкость
- 4 — золотник
- 5 — пружина
- 6 — регулировочный винт
- 7 — предохранительный клапан
Функционирование представленной гидравлической системы осуществляется следующим образом. При отсутствии подачи жидкости от насоса 2 и нулевом давлении в емкости 3 золотник 4 поджат пружиной 5 и находится в крайнем левом положении. При этом дросселирующее сечение, представляющее собой площадь боковой поверхности цилиндра, равно нулю (проходной канал "Р-Т" закрыт, х = 0).
При включении насоса давление в емкости нарастает. Одновременно с ним увеличивается давление в линии "Р", действующее на торец золотника, стараясь сместить его вправо. Перемещение золотника не происходит, пока сила давления, действующая на площадь торца, не превысит усилие предварительной затяжки пружины, которое настраивается с помощью регулировочного винта 6. Когда это происходит, золотник начинает смещаться вправо, однако из-за положительного перекрытия, открытия пока не происходит (то есть при x > 0, хоткр = 0). После того, как перемещение золотника превышает величину перекрытия, происходит открытие клапана (проходной канал "Р-Т" открывается).
Перемещение золотника продолжается до тех пор, пока не наступает равновесие действующих на него сил. При этом при равновесном режиме расход через клапан соответствует расходу насосу, а давление в емкости отличается от настроечного давления (определяемого усилием предварительной затяжки пружины) на величину статической ошибки.
| Наименование | Обозначение | Значение |
|---|---|---|
| Подача насоса | Qн | 0...20 л/мин |
| Объем емкости | V | 1...50 л |
| Максимальный ход золотника | xmax | 2.5 мм |
| Диаметр золотника | dz | 10 мм |
| Жесткость пружины | J | 50 Н/мм |
| Вязкое демпфирование подвижной пары золотник-гильза | D | 1...200 Н∙с/м |
| Масса золотника | M | 15 г |
| Величина предварительной деформации пружины (определяет давление настройки) | dl | 5...50 бар |
| Величина перекрытия | xlap | 0 |
| Диаметр подводящего канала (линия "P") | d1 | 6 мм |
| Диаметр отводящего канала (линия "T") | d2 | 6 мм |
Разработка модели
Разработка модели гидравлической системы выполняется в новом проекте. Для этого необходимо в главном окне нажать кнопку Файл и выбрать в выпадающем меню Новый проект. После чего появится ещё одно выпадающее окно, в котором необходимо выбрать пункт Схема ГПС.
Далее необходимо сохранить проект под именем "Предохранительный клапан".
- Из вкладки "Операторы":
- 1 блок Усилитель. Данный блок предназначен для нормирования сигнала линии связи между выходным портом "S" блока Датчик поступательного движения и входным портом "x" блока Гидравлический регулируемый дроссель
- Из вкладки Вывод данных:
- 3 блока Временной график. Данные блоки предназначены для вывода информации в удобной форме по манометру, расходомеру и положению золотника
- Из вкладки Гидросистемы:
- 1 блок Гидравлический бак из подменю Базовые блоки. Данный блок предназначен для моделирования гидравлического бака, как граничного условия
- 2 блока Гидромеханический преобразователь поступательный из подменю Базовые блоки. Данный блок предназначен для моделирования связи между давлением, действующим на торцы золотника, и механической силой
- 1 блок Источник расхода жидкости из подменю Базовые блоки. Данный блок предназначен для моделирования подачи жидкости в емкость
- 1 блок Гидравлическая полость из подменю Базовые блоки. Данный блок предназначен для моделирования динамических процессов емкости
- 1 блок Манометр из подменю Устройства контроля и индикации Данный блок требуется для вывода информации по давлению в полости
- 1 блок Расходомер из подменю Устройства и контроля и индикации. Данный блок требуется для вывода информации по объемному расходу жидкости через дроссель
- 3 блока Гидравлический регулируемый дроссель из выпадающего списка Дроссели подменю Гидроаппараты. Данные блоки предназначены для моделирования расхода жидкости через входной и выходной каналы клапана (линии "P" и "T") и его дросселирующие сечение
- Из вкладки Механика:
- 1 блок Поступательная заделка из подменю Элементы поступательного движения. Данный блок предназначен для моделирования закрепления корпуса клапана
- 1 блок Масса из подменю Элементы поступательного движения. Данный блок предназначен для моделирования корпуса клапана
- 1 блок Поступательная пружина из подменю Элементы поступательного движения. Данный блок предназначен для моделирования силы пружины
- 1 блок Поступательное смещение из подменю Элементы поступательного движения. Данный блок предназначен для моделирования смещения золотника относительно корпуса
- 1 блок Датчик поступательного движения из подменю Механические датчики. Данный блок предназначен для измерения положения золотника
Для моделирования эффекта связи давления жидкости, действующей на торцы золотника, используются блоки Гидромеханический преобразователь поступательный. Данный блок имеет один гидравлический порт (выходной порт "А") и два механически порта (входные порты "R" и "С").
Блок Гидромеханический преобразователь поступательный, который не подключен к механической части системы, моделирует эффект связи "давление-сила" для торца золотника, на который действует давление слива (линия "Т").
Давление в линии "Т" приводит к отрицательному перемещению золотника, поэтому к блоку Масса подключается механический порт "С". Порт "R" при этом напрямую к заделке не подключается. Требуется добавить его смещение по отношению к правой стенке корпуса, что представляет собой максимальное расстояние, на которое перемещается золотник.
Блок Гидравлический регулируемый дроссель используется для моделирования расхода жидкости через дросселирующее сечение, которое образуется при перемещении золотника. При этом происходит соединение линий "P" и "Т".
- Из вкладки Источники:
- 1 блок Линейный источник
- 1 блок Ступенька
- 1 блок Константа
- Из вкладки Ключи:
- 1 блока Ключ-3
- Из вкладки Субструктуры:
- 1 блок Блок записи свойств. Данный блок используется для
записи значений в блоке Источник расхода жидкости (насос)
для свойства "Объемный расход, м3/с". Блоки
необходимо добавить на схему и соединить, как показано на рисунке
(Рисунок 9)
Рис. 9. Окно проекта с выделенными блоками, которые необходимо соединить.
- 1 блок Блок записи свойств. Данный блок используется для
записи значений в блоке Источник расхода жидкости (насос)
для свойства "Объемный расход, м3/с". Блоки
необходимо добавить на схему и соединить, как показано на рисунке
(Рисунок 9)
initialization
...
{Параметры возмущающего воздействия}
pupmode = 1; //вид нагружения: 0 - линейное нарастание подачи насоса (ramp),
//1 - ступенчатое изменение подачи насоса (step)
{Насосная станция}
{если выбран режим __STRING_1__}
Qramp = 20; //максимальный объемный расход насоса [л/мин]
{если выбран режим __STRING_0__}
Qstep = 10; //объемный рсход насоса [л/мин]
tstep = 0; //время включения насоса [с]
{Емкость}
V = 10; //объем [л]
{Предохранительный клапан}
M = 15; //масса золотника [г]
J = 50; //жесткость пружины [Н/мм]
dl = 10; //предварительное сжатие пружины [мм] - определяет давление открытия клапана
D = 50; //величина демпфирования клапана [Н*с/м]
dz = 10; //диаметр золотника [мм]
xmax = 2.5; //максимальный ход золотника [мм]
xlap = 0; //перекрытие проходного канала P-T [мм]
d1 = 6; //диаметр подводящего канала (линия Р) [мм]
d2 = 6; //диаметр отводящего канала (линия Т) [мм]
end; - В свойствах блока Линейный источник в поле "Формула" для свойства "Коэффициент при t" записать "Qramp/6e4/endtime". Значение свойства "Свободный член" оставить равным нулю
- В свойствах блока Константа в поле "Формула" для свойства "Значение" записать "pupmode"
- В свойствах блока Ступенька в поле "Формула" для свойства "Время срабатывания" записать "tstep", а для свойства "Конечное состояние" записать "Qstep/6e4"
- В свойствах блока Блока записи свойств в поле "Значение" для свойства "Имя свойства" записать "Q_src"
Далее необходимо ввести имена переменных в соответствие со скриптом для емкости, входного и выходного канала клапана, поступательного смещения, массы клапана и демпфирования (не забывая проверять соответствие между используемыми единицами измерений и добавлять при необходимости коэффициенты для перевода).
- "Относительная величина открытия" — "[0, xlap/xmax, 1]". Отношение "xlap/xmax" представляет собой величину перекрытия в относительном виде
- "Гидравлический диаметр, м" — "[0, 0, 2*hmax*1e-3]". Выражение "2*hmax*1e-3" определяет максимальный гидравлический диаметр
- "Площадь проходного сечения, м2" — "[0, 0, pi*dz*1e-3]". Выражение "pi*dz*1e-3*xmax*1e-3" представляет собой максимальную площадь открытия
- "Коэффициент расхода" и "Критическое число Re (200...800)" следует оставить без изменений
Ввиду того, что для интерполяции площади в блоке Гидравлический регулируемый дроссель" используется относительная величина открытия, на его управляющий вход требуется подавать перемещение золотника в безразмерном виде. Для этого в блоке Поступательно смещение в поле "Формула" свойства "Смещение, м" следует ввести значение "xmax/1000", а в блоке Усилитель в поле "Формула" свойства "Коэффициент усиления" необходимо ввести значение "1/(xmax*1e-3)".
После завершения настройки блоков и задания их свойств, необходимо перейти в параметры проекта: параметр "Учитывать газосодержание" по умолчанию оставить включенным, а параметр "Учитывать изменение температуры" следует оставить выключенным.
Исследование статических и динамических характеристик
- Давление в емкости (параметр "Давление, МПа" блока Гидравлическая полость)
- Объемный расход через дросселирующее сечение клапана (параметр "Объемный расход, л/мин" блока Гидравлический регулируемый дроссель
- Перемещение золотника (параметр "Положение, м" блока Датчик поступательного движения
Для проведения анализа следует открыть графиков блоков Временной график с подписями: "Давление в емкости", "Расход в дросселе", Положение золотника.
- Для временного графика изменения давления в полости:
- В появившемся окне на вкладке "Графики и оси" в колонке "Ось Y" в поле "Название и оси" задать значение "Давление, МПа"
- Во вкладке "Общие" требуется в строке "Заголовок" поменять значение по умолчанию на "График изменения давления на входе/выходе насос-мотора"
- Во вкладке "Общие" требуется отключить свойство "Показывать легенду"
- Для временного графика изменения объемного расхода:
- В появившемся окне на вкладке "Графики и оси" в колонке "Ось Y" в поле "Название и оси" задать значение "Объемный расход, л/мин"
- Во вкладке "Общие" требуется в строке "Заголовок" поменять значение по умолчанию на "График изменения объемного расхода в дросселе"
- Во вкладке "Общие" требуется отключить свойство "Показывать легенду"
- Для временного графика изменения положения золотника:
- В появившемся окне на вкладке "Графики и оси" в колонке "Ось Y" в поле "Название и оси" задать значение "Перемещение, мм"
- Во вкладке "Общие" требуется в строке "Заголовок" поменять значение по умолчанию на "График изменения положения золотника"
- Во вкладке "Общие" требуется отключить свойство "Показывать легенду"
В окне Параметры проекта необходимо задать значение параметра "Конечное время расчёта" равным "4.8".
После5 этого необходимо запустить проект на расчет нажатием на кнопку Пуск. Дождаться окончания расчета.
- Переходный процесс изменения давления в емкости (Рисунок 13):
Рис. 13. Переходный процесс изменения давления в полости. - Переходный процесс изменения объемного расхода через дросселирующее сечение
клапана (Рисунок 14):
Рис. 14. Переходный процесс изменения объемного расхода через дроссель. - Переходный процесс изменения перемещения золотника клапана (Рисунок 15):
Рис. 15. Переходный процесс изменения перемещения золотника клапана.
Из анализа полученных результатов следует, что после подачи возмущающего воздействия в виде увеличения расхода жидкости от насоса давление в емкости начинает нарастать.
Это нарастание происходит до момента, пока сила давления, действующая на торец золотника в линии "Р", не превысит усилие затяжки пружины, определяемое ее предварительной деформацией. После этого золотник начинает перемещаться в сторону увеличения площади проходного сечения – возникает расход через клапан. Увеличение открытия продолжается до тех пор, пока не наступит баланс сил, действующих на золотник.
Теперь необходимо сделать статистическую характеристику клапана, полученную при линейном изменении расхода на входе в емкость от 0 до 20 л/мин за 10с.
Для этого в Менеджер данных необходимо добавить Фазовый портрет, что будет показывать зависимость изменения давления в полости от объемного расхода через дроссель. Построение возможно при добавлении в фазовый портрет двух параметров со следующими аргументами: в качестве имени блока указать "TimeGraphic_X" (где "X" – номер в имени блока Временной график) и именем параметра "allU".
- Во вкладке Графики и оси:
- В колонке "Ось X" в поле "Название оси" изменить значение по умолчанию на "Объемный расход, л/мин"
- В колонке "Ось Y" отключить функцию "Автомасштаб"
- В колонке "Ось Y" в поле "Минимум" установить значение "6"
- В колонке "Ось Y" в поле "Максимум" установить значение "7.5"
- В колонке "Ось Y" в поле "Название оси" изменить значение по умолчанию на "Давление, МПа"
- Во вкладке Общие:
- В поле "Заголовок" изменить значение по умолчанию на "График зависимости давления в полости от объемного расхода через дроссель"
- Отключить функцию "Показывать легенду"
Данная характеристика представляет собой зависимость давления, которое регулирует клапан, от пропускаемого расхода. Для ее получения в параметрах расчета необходимо задать время интегрирования 10 с, а в скрипте проекта для переменной "pumpmode" задать значение "0".
Из анализа полученных результатов следует, что при увеличении расхода через клапан происходит возрастание давления в емкости из-за статической ошибки (при увеличении расхода клапану необходимо открываться на большую величину, при этом пружина сжимается сильнее, следовательно, давление в емкости должно увеличиваться, чтобы сохранялось равновесие).