Построение моделей гидросистем в PRADIS
В данном примере рассматривается построение трёх вариантов гидравлической системы, работающей от одного источника мощности.
Основная задача — показать, как поведение системы меняется в зависимости от структуры гидросхемы, количества исполнительных механизмов и способа подключения насосов.
В качестве источника энергии можно рассматривать, например, двигатель внутреннего сгорания, от которого производится отбор мощности на гидросистему.
Исполнительным механизмом выступает гидроцилиндр, а управление осуществляется через насос и распределительные клапаны.
Модель 1. Вариант с одиним гидроцилиндром
Построение схемы
Сначала собирается самая простая схема с одним гидроцилиндром.
Для этого в модель добавляются основные функциональные компоненты:
- источник момента;
- управляемый насос;
- четырехпортовый распределительный клапан HVF432O;
- гидроцилиндр;
- предохранительный клапан HV1SAF;
- сливная линия системы.
Источник момента моделирует отбор мощности от двигателя.
Насос воспринимает вращение вала и подает рабочую жидкость в гидросистему.
После выбора компонентов они соединяются между собой:
- источник момента соединяется с валом насоса;
- противоположная сторона вала фиксируется;
- выход насоса подключается к распределительному клапану;
- клапан соединяется с гидроцилиндром;
- сливная линия соединяется с общей линией слива;
- в слив устанавливается предохранительный клапан.
После этого задаётся механика гидроцилиндра:
- корпус цилиндра фиксируется;
- шток остаётся свободным для перемещения.
Управление системой
Далее добавляется управление системой.
Для источника момента используется сигнал Const со значением 1.
Это соответствует постоянному отбору мощности.
Для управления насосом используется трапецеидальный сигнал.
В начальный момент:
- рабочий объем насоса равен нулю.
Через одну секунду:
- насос выходит на максимальный рабочий объем;
- коэффициент VH становится равным 1.
Параметр HT устанавливается равным 1000 секунд, чтобы насос на протяжении всей симуляции работал в максимальном режиме.
Для управления распределительным клапаном также используется трапецеидальный сигнал.
Клапан имеет три логических состояния:
- «-1» — поток в одном направлении;
- «0» — режим байпаса;
- «1» — противоположное направление потока.
В начальный момент клапан находится в нейтральном состоянии.
Далее происходит циклическое переключение между состояниями «-1» и «1».
Задержка включения составляет 1 секунду:
- D = 1;
- нарастание — 1 секунда;
- удержание — 1 секунда;
- спад — 1 секунда.
Полный цикл управления составляет 4 секунды.
Добавление датчиков
Чтобы анализировать работу системы, в модель добавляются датчики.
RSNSRV1D
Используется для измерения угловой скорости вала насоса.
К датчику подключается сенсор:
- V → W1.
SNSRX1D1
Используется для измерения перемещения штока гидроцилиндра.
К сенсору подключается:
- V → X1.
SNSPG1
Используется для измерения давления в гидросистеме.
Датчик устанавливается:
- на выходе насоса;
- перед предохранительным клапаном.
К сенсору подключается:
- V → P1.
Вывод результатов
Для вывода информации используются объекты DISP.
В постпроцессор выводятся:
- скорость W1;
- давление P1;
- перемещение X1.
Настройка моделирования
Для задания параметров расчёта используется объект Dynamic.
Изменяется только:
- конечное время интегрирования — 10 секунд.
Рабочая жидкость
После этого задаются свойства рабочей жидкости.
На схему добавляется объект Fluid.
По умолчанию используется масло.
Ссылка на объект Fluid указывается:
- во всех гидравлических элементах;
- в насосе;
- в клапанах;
- в гидроцилиндре;
- в гидролиниях.
Для датчиков параметры жидкости не задаются, поскольку через них поток не проходит.
Добавление сопротивления системы
После первого расчёта становится видно, что в системе отсутствует гидравлическое сопротивление.
Чтобы смоделировать реальные потери давления, в систему добавляются дроссели DRG:
- в линию нагнетания;
- в сливную линию.
Для дросселей задаются:
- рабочая жидкость;
- коэффициент отвода 0.1.
Анализ результатов
После повторного расчёта анализируются графики работы системы.
На графике давления видно, что в начальный момент времени, когда клапан находится в режиме байпаса, давление в системе растёт.
После первой секунды начинается переключение клапана, и давление падает до рабочего уровня, близкого к 2 барам.
Согласно характеристике предохранительного клапана:
- начало открытия происходит при 2 барах;
- полное открытие — при 5 барах.
Это показывает, что система корректно сбрасывает давление через сливную линию.
Модель 2. Вариант с двумя гидроцилиндрами от одного насоса
После анализа первой модели рассматривается более сложный вариант — подключение двух гидроцилиндров к одному источнику мощности.
Для этого копируется участок схемы:
- распределительный клапан;
- гидроцилиндр;
- линии подключения.
Оба цилиндра подключаются:
- к одному насосу;
- к общей сливной линии.
Чтобы цилиндры работали со смещением, для второго клапана задаётся задержка управления:
- D = 2 секунды.
Поведение системы
После запуска расчёта становится видно, что работа системы изменилась.
Если в первой модели движение штока было равномерным, то теперь движение цилиндров становится неравномерным.
Это связано с тем, что нагрузка в общей гидролинии изменяется нелинейно.
Фактически оба цилиндра начинают влиять друг на друга через общий насос и общий поток жидкости.
Причина неравномерного движения
В такой схеме:
- расход между цилиндрами распределяется неравномерно;
- давление зависит от нагрузки каждого цилиндра;
- движение становится взаимозависимым.
Поэтому подключение двух цилиндров к одному насосу не гарантирует равномерного циклического движения.
Возможные инженерные решения
Чтобы обеспечить стабильную работу системы, инженер может:
- регулировать расходы через управляемые дроссели;
или - использовать распределительные клапаны со сложным профилированием.
Модель 3. Независимые насосы
Далее рассматривается третий вариант — полностью независимые гидравлические системы.
В этом случае:
- для второго цилиндра добавляется отдельный насос;
- дублируется гидравлическая схема;
- оба насоса подключаются к одному источнику момента.
Таким образом, цилиндры получают независимое питание.
Результаты расчёта
После расчёта видно, что:
- в первом цикле первый цилиндр не достигает полного выдвижения;
- в момент запуска происходит неравномерное распределение мощности;
- часть мощности уходит во второй контур.
Однако в последующих циклах:
- распределение мощности стабилизируется;
- цилиндры начинают работать равномерно;
- система становится устойчивой.
Анализ полученных решений
Полученные схемы имеют разную экономическую эффективность.
Полное дублирование системы обеспечивает более стабильную работу, однако значительно увеличивает стоимость оборудования.
Для простых систем с недорогими шестеренчатыми насосами установка двух насосов может оказаться проще и дешевле.
Для систем с мощными аксиально-поршневыми насосами чаще оказывается выгоднее использовать один насос с регулировкой расходов в линиях цилиндров, но это, в свою очередь, требует реализации более дорого и сложного управления, чем у управления системой с двумя независимыми моторами.
Практические выводы
Системное моделирование в PRADIS (ПРАДИС) позволяет заранее увидеть подобные особенности работы систем, заранее проанализировать их поведение и оценить не только технические, но и экономические качества различных инженерных решений ещё до этапа физического проектирования.