3016

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Пример статистических данных для анализа работы грузовой станции приведен на рис. 3. В случае превышения среднего размера очереди клиентов относительно выбранного предела в Z заявок, и загрузки транспортной системы, как в данном примере (каждая третья заявка (0,313) в течение моделируемого времени простаивает в ожидании обработки с занятием выставочных путей в среднем 0,137 ч), то необходимо учесть возможность изменения количества доступных объектов инфраструктуры (технической оснащенности) станции примыкания и пункта погрузки-выгрузки, либо технологического процесса работы грузовой станции, либо пути необщего пользования, и выполнить новый эксперимент.

Рис. 3. Столбиковые диаграммы модели

Функционирование системы перевозок по построенной модели поможет выявить существенные затруднения в эксплуатационной деятельности грузовой станции и примыкающих к ней путей необщего пользования и составит оптимизационные эксперименты для исключения обнаруженных лимитирующих элементов. Эффективное моделирование работы предприятия в направлении совершенствования технологии обслуживания клиентов позволит реализовывать большие объемы грузовой работы, что благоприятно скажется на развитии предприятий железнодорожного транспорта.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. Е.Д. Псеровская

91

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Ф.А. Касмолеев

(факультет «Управление транспортно-технологическими комплексами»)

Моделирование тепловых процессов при испытаниях гидромашинына стенде в динамических режимах

В работе предложено использование виртуальной модели в среде Automation Studio для изучения тепловых процессов в динамических режимах при испытаниях объемных гидромашин.

Стенды для испытаний гидромоторов и насосов – это в настоящее время основные инструменты изучения реакций объектов (гидромоторов и насосов, далее гидромашин) на специфические условия и различные значения нагрузок.

Важной задачей при изучении взаимодействия гидромашины с нагрузочным и (или) приводным устройством в динамических режимах работы на испытательном стенде является обеспечение допускаемой температуры гидравлического масла.

Выявлено, что наиболее «чувствительными» элементами к приращению температуры являются расходомеры стенда. Например, допускаемая относительная погрешность измерения расхода масла турбинным расходомером обеспечивается только при изменении температуры масла не более чем на 1–2 С.

Объем и трудоемкость экспериментальных исследований можно уменьшить при использовании виртуальной модели стенда.

С использованием программного комплекса AutomationStudio создана виртуальная модель экспериментального стенда для испытаний гидромашин в динамических режимах.

Цель работы: создать виртуальную модель стенда в среде AutomationStudio для изучения тепловых процессов при испытаниях гидромашин в динамических режимах.

Задачи работы:

1.Аналитическим путем (по разработанному алгоритму расчета) и с использованием виртуальной модели стенда определить время разгона tр и торможения tТ вала испытываемой гидромашины.

2.Получить зависимости угловой частоты вала гидромашины

М f (t) и температуры гидравлического масла T = f(t) в баке от времени при разгоне и торможении испытываемой гидромашины с использованием виртульной модели.

92

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

3. Аналитическим путем (по разработанному алгоритму расчета) и с использованием виртуальной модели стенда определить параметры тепловых процессов при испытаниях гидромашинына стенде в динамических режимах: потерянную энергию при разгоне ЕР, торможении ЕТ, общую потерянную энергиюЕпот, приращение

температуры за разгон и торможение T, количество разгонов и торможений N, при котором масло нагреется на 1 С.

Условия расчета:

–начальная температура масла 20 С;

–атмосферное давление 101800 Па. Исходные данные:

–параметры нагрузочно-приводного устройства (момент инер-

ции J = 137,4 10-3 кг м2);

–параметры испытываемой гидромашины (рабочий объем q = 11,6 10-6 м; частота вращения вала n = 0…40 об/с);

–параметры гидросистемы стенда (длины трубопроводов на

участках Н-М, М-Б соответственно равны lН-М = 2 м, lМ-Б = 2 м; внутренний диаметр трубопроводов d = 0,0127 м; теплоемкость металлических деталей сд = 480 Дж/(кг·ºС); масса металлических деталей mд = 120 кг) (рис. 1);

Рис. 1. Окна управления данными проекта

– параметры масла (плотность м = 900 кг/м; удельная теплоемкость см = 2000 Дж/(кг·ºС); масса гидравлического масла mм = 75 кг; кинематическая вязкость = 15,5 10-6 мм2/с) (рис. 2).

93

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 2. Окна управления свойствами рабочей среды

На рис. 3 представлена циклограмма работы стенда.

Рис. 3. Циклограмма работы стенда:

P – теряемая мощность в замкнутом контуре, Вт; Т – продолжительность испытания гидромашины, с;

Σti – продолжительность работы электрооборудования стенда, с;

NЦ – число циклов нагружения; t1 – время на монтаж гидромашины на стенде, с; t2 – время разгона гидромашины, с; t6 – продолжительность перерыва

в работе стенда, с; t7 – время торможения гидромашины, с; t8 – время на демонтаж со стенда испытанной гидромашины, с

Принципиальная схема стенда представлена на рис. 4. Испытания гидромашины 19 в режиме гидромотора произво-

дят следующим образом. При включении насоса 1 возрастающий поток рабочей жидкости из бака 5, проходит через фильтр 6, насос 1, обратный клапан 8, гидрораспределитель 18, датчики расхода 13 и давления жидкости 12, гидромашину 19, датчики давления 14 и расхода жидкости 15, убывающийчерез обратно-предохранитель- ный клапан 21, а маховик 9, приводимый во вращение испытываемой гидромашиной 19, разгоняется.

94

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Рис. 4. Принципиальная схема стенда

По окончании разгона маховика 9 и гидромашины 19 гидрораспределитель 18 через вычислительное устройство 17 и управляющий модуль вывода команд 20 переводится нейтральную позицию. Маховик 9, запасший энергию во время разгона, приводит во вращение гидромашину 19 (для ее испытания в режиме насоса), при этом жидкость проходит по замкнутому контуру через об- ратно-предохранительный клапан 21, датчики расхода 13 и давления жидкости 12, гидромашину 19, датчики давления 14 и расхода жидкости 15, обратно-предохранительный клапан 22, выполняющий роль нагрузочного дросселя.

На схеме обозначено: ξi – коэффициент местного сопротивления; J – момент инерции нагрузочного-приводного устройства, кг·м2; ω – угловая скорость вала гидромашины, рад/с; q – рабочий объем гидромашины, м3; η – КПД гидромашины;

На основе принципиальной схемы и циклограммы работы стенда была разработана виртуальная модель в среде AutomationStudio. Схема виртуальной модели приведена на рис. 5.

95

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Рис. 5. Виртуальная модель стенда в среде AutomationStudio:

а – в статике; б – в работе

Тепловой расчет с использованием виртуальной модели стенда произведен при условии, что начальная температура масла и атмосферное давление равны 20 С и 101325 Па соответственно. Результаты моделирования в программе AutomationStudio приведены на рис. 6 и в табл. 1.

Рис. 6. Зависимости угловой частоты вала гидромашины М f (t)

итемпературы гидравлического масла T = f(t) в баке от времени:

а– при разгоне; б – за цикл

96

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Таблица 1

Результаты расчетов

Для сравнения, был произведен предварительный тепловой расчет стенда без использования виртуальной модели.

Рис. 7. Зависимости потерянной энергии от времени, построенные по результатам предварительного расчета и с использованием виртуальной модели стенда в среде AutomationStudio

На рис. обозначено: потерянная энергия при разгоне ЕPAS и тор-

можении ЕTAS , время разгона tPAS и торможения tTAS вала гидромашины, определенные с использованием виртуальной модели стенда

97

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

в среде AutomationStudio; потерянная энергия при разгоне и торможении, время разгона и торможения вала гидромашины, определенные аналитическим путем (по разработанному алгоритму расчета).

Потерянная энергия при разгоне ЕР с учетом того, что часть расхода идет через предохранительный клапан в бак:

где Е – энергия на выходе системы (Е = Јω2/2); ηН – КПД насоса (ηН = 0,9); ηМ – КПД гидромотора (ηМ = 0,9); ηУ – коэффициент, учитывающий потери энергии на ОПК (ηН = 0,5); ηН-М-Б – коэффициент, учитывающий потери энергии на участке Н-М-Б (ηН-М-Б = 0,95).

При торможении кинетическая энергия вращающихся масс ЕТ перейдет в тепло:

где nМ – установившиеся частота вращения вала гидромотора (nМ

=40 об/с); ηМГМ – гидромеханический КПД гидромотора (ηМГМ =

=0,97); pМвх – давление на входе в гидромотор ( pМвх = 20 МПа); pМвых – давление на выходе гидромотора ( pМвх = 0,1 МПа).

98

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Продолжительность торможения tТ [1]:

где nН – частота вращения вала гидромотора в режиме «насос» (nН =

гидромоторав режиме «насос» ( pНвс = 0,1 МПа).

Результаты расчетов по формулам (1)–(6) приведены в табл. 1. В работе определено число разгонов и торможений испытываемой гидромашины, за которое масло нагреется на 1 С с использованием виртуальной модели в среде AutomationStudioпри проведении испытаний на экспериментальном стенде, неоснащенном теп-

лообменным аппаратом.

После проведения исследований на экспериментальном стенде и внесения корректив в виртуальную модель для повышения точности результатов теплового расчета, последняя будет использована при проектировании реальных испытательных стендов и для оптимизации параметров тепловой защиты гидроприводов путевых машин.

Библиографический список

1. Маслов Н.А. Анализ механических неисправностей пластинчатых гидромашин путевой техники // Вестник СГУПС, 2015. № 2. С. 53–59.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. Н.А. Маслов

Д.А. Коновалова, Е.А. Перстенева

(факультет «Промышленное и гражданское строительство»)

Исследование истечения жидкости через водослив с тонкой стенкой при малых напорах

При истечении через водослив с тонкой стенкой, расход воды вычисляется по формуле:

99

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

где m0 – коэффициент расхода водослива; ω = – площадь живого сечения потока изливающегося через водослив; H – пьезометрический напор на водосливе; b – ширина водосливного отверстия.

Для вычисления коэффициента расхода в настоящее время по-

лучено значительное количество формул. Приведем наиболее часто употребляемые из них: Базена 0 = 0,405 + 0,0027, и Р.Р. Чу-

гаева

Формула Базена имеет в числителе второго члена размерное число – напор (м). Более удачной является безразмерная формула Р.Р. Чугаева.

Но все существующие, в том числе и приведенные выше, формулы для коэффициента расхода водослива с тонкой стенкой дают приемлемые результаты при напорах более 10 см.

Это значит, что при проведении лабораторных работ, эти формулы использовать нельзя, так как при напоре более 10 см, на

учебной установке нарушается критерий Сабанеева > 6. При

меньших напорах они дают ошибку более 20 %.

Все сказанное выше требует проведения специальных исследований с целью получения контрольных значений коэффициентов расхода водослива с тонкой стенкой при напорах менее 10 см.

Для выполнения поставленной задачи была составлена программа исследований работы водосливов с тонкой стенкой.

Опыты, проводившиеся в большом лотке шириной 38 см и на малой комплексной установке, состояли в следующем:

В лоток устанавливается водослив с тонкой стенкой. Затем задвижкой устанавливается расход воды Q. После стабилизации режима проводились измерения расхода воды по напору на мерном водосливе, высоты порога и глубины в верхнем бьефе. Затем вычислялся напор на гребне = − , и по формуле (1) коэффициент расхода водослива. В опытах варьировались расход воды и высота водослива. Всего было проведено 45 опытов в большом лотке и 6 контрольных опытов на комплексной установке.

Результаты опытов приведены в табл. 1.

100