СТЕНД ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ РУКАВОВ ГИДРОСИСТЕМ

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к стендам для динамических испытаний рукавов высокого давления гидросистем различного назначения.
Известен стенд для испытания гидрошлангов (RU №2243521, МПК F15B 19/00, опубликовано 27.12.2004), содержащий гидросистему, включающую гидробак, нагнетательную и сливную линии, насос для подачи рабочей жидкости из гидробака по нагнетательной линии к испытуемому гидрошлангу, средства для подключения указанного гидрошланга к нагнетательной линии, спускной клапан и датчик давления, подключенный к нагнетательной линии. Стенд снабжен дополнительным насосом низкого давления, подключенным к нагнетательной линии для быстрого заполнения гидросистемы рабочей жидкостью, основной насос выполнен в виде насоса плунжерного типа, а средства для подключения гидрошланга к нагнетательной линии содержат быстросъемные муфты, барабан для намотки на него гидрошланга в процессе испытаний.
Общими признаками заявляемой полезной модели с рассмотренным аналогом являются гидросистема, насос, испытуемый гидрошланг (рукав высокого давления) и датчик давления.
Указанный стенд для испытания гидрошлангов обладает следующим недостатком: он не обеспечивает динамического нагружения давлением рабочей жидкости испытуемого гидрошланга (рукава высокого давления - в дальнейшем РВД), при котором импульсы динамического давления следуют с заданной частотой. Следовательно, он не создает условий экстремального нагружения испытуемого РВД за счет регулируемых импульсов динамического давления и, следовательно, скрытые при изготовлении дефекты могут не проявиться и гидрошланг (РВД) окажется недоиспытанным.
Известен гидропривод стенда для динамических испытаний рукавов высокого давления (SU №1474347, МПК F15B 19/00, опубликовано 23.04.1989), содержащий насос, испытуемый рукав высокого давления (РВД), предохранительный клапан, клапан давления, отсечной золотник, подключенный между линиями управления, регулируемый дроссель и емкость, причем клапан давления выполнен со второй камерой управления, в линию которой включены регулируемые дроссель и емкость.
Общими признаками заявляемой полезной модели с рассмотренным аналогом являются насос, испытуемый рукав высокого давления и золотник (гидрораспределитель).
Рассмотренный аналог обладает следующими недостатками: скорость повышения давления в испытуемом рукаве определяется подачей насоса и хотя цикличность нагружения рукава давлением обеспечивается, количество циклов нагружения невелико, так как скорость повышения давления в испытуемом рукаве определяется подачей насоса. При таких испытаниях длительность испытаний будет весьма значительной. Кроме того, в реальных условиях РВД работают не только при циклично изменяющемся давлении, но и при постоянных перегибаниях, а этого аналог не предусматривает. Следовательно, он не создает условий экстремального нагружения испытуемого РВД за счет регулируемых импульсов динамического давления, скрытые при изготовлении дефекты могут не проявиться и РВД окажется недоиспытанным.
За прототип принят стенд для динамических испытаний рукавов гидросистем (SU №1724997, МПК F16L 11/00, опубликовано 07.04.1992), содержащий основной и вспомогательный насосы, нагрузочный гидроцилиндр, гидромотор, электрогидрораспределитель, трубопроводы, основание, дополнительный гидроцилиндр, установленный шарнирно на основании и подключенный к вспомогательному насосу через электрогидрораспределитель, основной насос через эксцентриковый вал соединен с гидромотором, нагрузочный цилиндр снабжен наборными массами и пружинами, испытуемый рукав жестко соединен одним концом с основанием и подключен этим концом к основному насосу, а другим концом подключен к вентилю и присоединен шарнирно к штоку дополнительного гидроцилиндра. Стенд содержит два концевых выключателя, установленные симметрично по сторонам испытуемого рукава и подключенные к электрогидрораспределителю.
Общими признаками заявляемой полезной модели с прототипом являются основной насос с эксцентриковым валом, вспомогательный насос, нагрузочный гидроцилиндр с наборными массами и пружинами, гидромотор, электрогидрораспределитель, трубопроводы, дополнительный гидроцилиндр, вентиль и концевые выключатели.
Рассмотренный прототип обладает следующими недостатками.
Амплитуда переменной подачи основного насоса с эксцентриковым валом определяется величиной эксцентриситета и площадью поршня основного насоса. Эта переменная подача возбуждает колебания нагрузочного гидроцилиндра. Когда частота колебаний поршня основного насоса, задаваемая гидромотором, станет равной собственной частоте нагрузочного гидроцилиндра, определяемой наборными массами, пружинами и объемной упругостью испытуемого рукава, начинается резонансный режим работы стенда, при котором возникают импульсы динамического давления, следующие с частотой, равной частоте колебаний поршня основного гидроцилиндра. Именно они создают динамическое нагружение испытуемого рукава. Но если испытаниям подвергается другой типоразмер рукава, например, большего диаметра, требуется увеличение амплитуды переменной подачи основного насоса, чтобы усилить резонанс в соответствии с новым типоразмером рукава. Но этой возможности рассматриваемый стенд для динамических испытаний рукавов гидросистем не обеспечивает. Кроме того, чтобы испытуемый рукав был испытан в максимально экстремальном режиме, необходимо, чтобы его изгибание происходило по предельно допустимому минимальному радиусу с поворотом рукава на 180°. Если изгибание происходит не по указанному радиусу (в прототипе это никак не регламентировано) и без поворота на 180°, то рукав окажется недоиспытанным.
Задача заявляемой полезной модели заключается в повышении эффективности испытаний РВД различных типоразмеров за счет их экстремального нагружения путем управления амплитудой переменной подачи, регулирования импульсов динамического давления в резонансном режиме и изгибания по заданному радиусу с поворотом на 180°.
Технический результат полезной модели заключается в экстремальном нагружении испытуемых РВД, повышающем эффективность их испытаний за счет регулирования импульсов динамического давления в резонансном режиме путем управления амплитудой переменной подачи и амплитудой колебаний и путем изгибания РВД по заданному радиусу с поворотом на 180°.
Указанный технический результат достигается тем, что стенд для динамических испытаний рукавов гидросистем, содержащий основной насос с эксцентриковым валом, соединенным с гидромотором, вспомогательный насос, нагрузочный гидроцилиндр с наборными массами и пружинами, электрогидрораспределитель и трубопроводы, дополнительный гидроцилиндр, испытуемый рукав, подключенный первым концом к основному насосу, а вторым концом к вентилю, и концевые выключатели, установленные симметрично относительно испытуемого рукава и подключенные к катушкам электрогидрораспределителя, согласно полезной модели дополнительный гидроцилиндр выполнен поворотным, имеет кривошип и ползун, размещенный на кривошипе, ползун выполнен заодно с шаровым шарниром, соединенным со вторым концом испытуемого рукава; первый конец испытуемого рукава расположен между двумя полуобечайками с радиусами, равными минимально допустимому радиусу перегиба испытуемого рукава; эксцентриковый вал основного насоса содержит дополнительный эксцентрик, посаженный на него с возможностью поворота относительно первого эксцентрика, при этом поршни основного насоса сопряжены с поверхностями эксцентриков.
Благодаря поворотному гидроцилиндру с кривошипом и ползуном и полуобечайкам при срабатывании концевых выключателей электрогидрораспределитель циклически реверсирует поток жидкости от вспомогательного насоса и кривошип поворотного гидроцилиндра, совершая качающие движения, через ползун и шаровой шарнир изгибает испытуемый рукав по поверхности полуобечаек в каждую сторону от исходного положения на 180°.
Эксцентриковый вал основного насоса содержит второй дополнительный эксцентрик, посаженный на него с возможностью поворота относительно первого эксцентрика, при этом поршни основного насоса, в зависимости от относительного расположения эксцентриков, могут совершать возвратно-поступательное движение синфазно, когда оба одновременно двигаются в одну сторону, так и антифазно, двигаясь одновременно в противоположные стороны. При синфазном движении амплитуда переменной подачи основного насоса максимальна и такой режим работы используется при испытаниях рукавов максимального типоразмера. При антифазном движении амплитуда переменой подачи равна нулю и такой режим работы не используется. Все промежуточные относительные положения эксцентриков обеспечивают амплитуду переменной подачи в интервале от нуля до максимума. При таких амплитудах испытываются различные другие типоразмеры РВД.
Благодаря второму дополнительному эксцентрику, посаженному на эксцентриковый вал основного насоса с возможностью поворота относительно первого эксцентрика, достигается регулирование импульсов динамического давления в резонансном режиме работы стенда.
В совокупности новые отличительные признаки обеспечивают повышение эффективности динамических испытаний рукавов гидросистем за счет управления амплитудой переменной подачи и, как следствие, регулирования импульсов динамического давления в резонансном режиме и за счет изгибания испытуемых рукавов по заданному радиусу с поворотом на 180° в процессе их динамического нагружения импульсами давления.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются выполненный поворотным гидроцилиндр с кривошипом и ползуном, размещенным на кривошипе и снабженным шаровым шарниром, две полуобечайки с радиусами, равными минимальному радиусу испытуемого рукава, закрепление одного из концов испытуемого рукава между обечайками и второй дополнительный эксцентрик основного насоса, посаженный на его эксцентриковый вал с возможностью поворота относительно первого эксцентрика.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 показана схема стенда для динамических испытаний рукавов гидросистем.
На фиг. 2 показана частичная схема стенда для динамических испытаний рукавов гидросистем, поясняющая устройство поворотного гидроцилиндра с кривошипом и ползуном, снабженным шаровым шарниром.
На фиг. 3 показан экспериментальный график зависимости давления в полости рукава от объема деформации его полости.
На фиг. 4 показана амплитудно-частотная характеристика стенда для динамических испытаний рукавов гидросистем.
На фиг. 5 показаны графики изменения вытесняемого объема, колебаний нагрузочного гидроцилиндра и давления в полости испытуемого рукава.
Стенд для динамических испытаний рукавов гидросистем, показанный на фиг. 1 и 2, содержит основной насос с эксцентриковым валом 1, соединенным с гидромотором 2, вспомогательный насос 3, нагрузочный гидроцилиндр 4 с наборными массами 5 и пружинами 6, электрогидрораспределитель 7, трубопроводы 8 и 9, дополнительный поворотный гидроцилиндр 10, подключенный к вспомогательному насосу 3 через электрогидрораспределитель 7 и трубопроводы 8 и 9, и испытуемый рукав 11, подключенный первым (левым) концом к основному насосу, а вторым концом к вентилю 12. Гидромотор 2 и вспомогательный насос 3 подключены к гидросистеме стенда (на фиг. 1 и 2 не показана). Концевые выключатели 13 установлены симметрично относительно испытуемого рукава 11 и подключены к катушкам электрогидрораспределителя 7. Дополнительный поворотный гидроцилиндр 10 имеет кривошип 14, ползун 15, размещенный на кривошипе 14. На ползуне 15 закреплен шаровой шарнир 16, соединенный через разъемное соединение 17 со вторым (правым) концом испытуемого рукава 11. Первый (левый) конец испытуемого рукава 11 расположен между двумя полуобечайками 18, выполненными с радиусами, равными минимальному радиусу испытуемого рукава 11. При этом полуобечайки 18 являются сменными: их заменяют на другой типоразмер с радиусом, равным минимальному радиусу другого типоразмера испытуемого рукава 11, устанавливаемого на стенд для испытаний.
Эксцентриковый вал 1 основного насоса содержит два эксцентрика 19 и 20. Первый эксцентрик 19 посажен на вал 1 жестко. Второй эксцентрик 20 посажен на эксцентриковый вал 1 с возможностью поворота относительно первого эксцентрика 19, например за счет шлицевого соединения. Поршни основного насоса 21 и 22 находятся в сопряжении с поверхностями эксцентриков 19 и 20, на которых для снижения трения в сопряжении могут быть установлены подшипники качения.
3
Стенд для динамических испытаний рукавов гидросистем, показанный на фиг. 1 и 2, работает следующим образом. Гидромотор 2 вращает эксцентриковый вал 1. Благодаря эксцентрикам 19 и 20 поршни 21 и 22 основного насоса совершают возвратно-поступательное движение с одинаковой частотой ω, вытесняя переменный объем жидкости w, м, в полость нагрузочного гидроцилиндра 4 и полость испытуемого рукава 11. В зависимости от относительного положения эксцентриков 19 и 20, поршни 21 и 22 могут совершать возвратно-поступательное движение как синфазно, когда оба одновременно двигаются то в одну, то в другую сторону, так и антифазно, когда оба двигаются в противоположные стороны.
При синфазном движении амплитуда вытесняемого объема W максимальна и равна
2
где 2 - количество поршней, A - амплитуда возвратно-поступательного движения поршней 21 и 22, м (амплитуда A у каждого поршня одна и та же, так как эксцентриситеты эксцентриков 19 и 20 равны), ƒ - площадь каждого из поршней 21 и 22, м.
При антифазном движении амплитуда вытесняемого объема W равна нулю. Таким образом, амплитуда вытесняемого объема W может изменяться от нуля до максимального значения, определяемого выражением (1).
Переменный объем w изменяется по гармоническому закону:
,
причем численное значение W будет изменяться в зависимости от угла ϕ относительного положения эксцентриков 19 и 20 в интервале от 0 (синфазное движение поршней 21 и 22) до π (антифазное движение поршней 21 и 22).
об
0
2
Пусть ϕ находится в интервале между его крайними значениями. Тогда вытесняемый объем w будет частично поступать в полость нагрузочного гидроцилиндра 4 и в полость испытуемого рукава 11, возбуждая колебательное движение нагрузочного гидроцилиндра 4 с наборными массами 5. Колебательная система стенда образована нагрузочным гидроцилиндром 4 с присоединенными массами 5 и общей жесткостью, сформированной суммарной жесткостью c (н/м) пружин 6 и приведенной объемной жесткостью cF испытуемого рукава 11, н/м. При этом собственная частота колебательной системы ω будет определяться выражением (рад/с):
,
2
5
об
где F - площадь нагрузочного цилиндра 4, м, c - объемная жесткость испытуемого рукава 11, н/м.
2
3
Объемная жесткость испытуемого рукава определяется зависимостью давления P, н/м, в его полости при подаче в полость некоторого объема ΔW, м. Например, фиг. 1, если зафиксировать от перемещения плунжер нагрузочного цилиндра 4 и начать перемещать поршни 21 и 22 вверх, подавая жидкость в полость испытуемого рукава 11, то чем больше будет поданный объем ΔW, тем больше будет давление в полости испытуемого рукава 11. На фиг. 3 показан экспериментальный график зависимости давления P от объема деформации полости испытуемого рукава 11 или, что то же самое, от величины поданного в него объема ΔW. График получен на примере рукава высокого давления с внутренним диаметром d=20 мм и длиной резиновой части L=245 мм. Представленный график можно с высокой точностью описать эмпирическим выражением
1
2
1
2
10
5
16
8
где k и k - эмпирические коэффициенты для рукава высокого давления с параметрами d=20 мм и L=245 мм, равные k=62,6⋅10 (н/м) и k=63,9⋅10 (н/м). Объемная жесткость испытуемого рукава 11 определится дифференцированием выражения (2):
5
2
1
2
0
Полученная формула имеет размерность н/м. Будучи приведенной к площади нагрузочного цилиндра 4, жесткость испытуемого рукава 11 будет равна ƒ(k+2kΔW) и при этом иметь размерность н/м, что соответствует размерности жесткости обычной пружины. Тогда собственная частота колебательной системы ωопределится выражением (рад/с):
.
1
2
Из формулы видно, что собственная частота колебательной системы стенда, образованной нагрузочным цилиндром 4 с наборными массами 5, пружинами 6 и самим испытуемым рукавом 11, зависит от типоразмера испытуемого рукава, так как коэффициенты k и k для каждого другого типоразмера РВД будут другими.
0
При вращении эксцентрикового вала 1 с угловой частотой ω, близкой к собственной частоте колебательной системы ω, начинается резонанс, сопровождающийся многократным увеличением амплитуды колебаний A(x) нагрузочного гидроцилиндра 4. Величина амплитуды зависит от того, на каком участке амплитудно-частотной характеристики находится рабочая точка системы (фиг. 4), определяемая значением ω. Изменяя значение ω, можно увеличивать или уменьшать амплитуду колебаний A(x) и регулировать величину импульсов динамического давления в полости испытуемого рукава 11, то есть настраивать стенд на требуемый режим испытаний. На фиг. 5 показаны, полученные экспериментально, график изменения вытесняемого объема w, график колебаний x нагрузочного цилиндра 4 и график импульсов давления в полости испытуемого рукава 11 (t - время).
Но амплитудой колебаний A(x) нагрузочного цилиндра 4 можно дополнительно управлять и за счет амплитуды W вытесняемого объема w, изменяя угол ϕ относительного положения эксцентриков 19 и 20. К этому управлению прибегают, когда испытаниям подвергается другой типоразмер РВД.
Благодаря нелинейной характеристике объемной жесткости испытуемого рукава 11 (формула 3) колебания x нагрузочного гидроцилиндра 4 с наборными массами 5 имеют несимметричный характер. Это приводит к тому, что в полости испытуемого рукава 11 изменение давления ΔP происходит импульсно с падением давления до нуля, фиг. 5. Регулирование величины импульсов давления до требуемого значения обеспечивает экстремальное нагружение испытуемого рукава 11 внутренним давлением.
В процессе испытаний, фиг.1  и 2, вспомогательный насос 3 подает жидкость из гидросистемы через электрогидрораспределитель 7 и трубопроводы 8 и 9 в дополнительный поворотный гидроцилиндр 10. Кривошип 14 упомянутого гидроцилиндра, через ползун 15 и шаровой шарнир 16, поворачивает испытуемый рукав 11 на 180°, удерживаемый разъемным соединением 17, и перегибает его по поверхности полуобечайки 18, выполненной с радиусом, равным минимальному допустимому радиусу испытуемого рукава 11. В момент контакта испытуемого рукава 11 с конечным выключателем 13 срабатывает катушка электрогидрораспределителя 7 и поток жидкости из вспомогательного насоса 3 в трубопроводах 9, ведущих к дополнительному поворотному гидроцилиндру, 10 реверсируется. Испытуемый рукав 11 перегибается по поверхности второй полуобечайки 18. Частота перегибов может регулироваться расходом жидкости, подаваемой из гидросистемы во вспомогательный насос 3.
Регулирование частоты перегибов при одновременном нагружении внутренним импульсным давлением создает экстремальные условия нагружения испытуемого рукава 11.
Так достигается технический результат полезной модели, который заключается в экстремальном нагружении испытуемых РВД, повышающем эффективность их испытаний за счет регулирования импульсов динамического давления в резонансном режиме путем управления амплитудой переменной подачи и амплитудой колебаний и путем изгибания РВД по заданному радиусу с поворотом на 180°.