Исследование динамических характеристик самоочищающейся системы

12. Таиров Э.А., Чистяков В.Ф., Караулова И.В. Применение сетевой модели к расчету потокораспределения в трактах энергоустановок // Известия РАН. Энергетика. 2003. №3. С. 105-113.

13. Керниган Б., Пайк Р. Практика программирования; пер. с англ. М.: ИД «Вильямс», 2004.

14. Таиров Э.А., Запов В.В. Организация взаимодействия компонентов в моделирующей программе динамики энергоблоков ТЭС на основе механизма асинхронных сообщений // Научно-технические ведомости. 2008. №1. С.49-53.

УДК 621.43.001.5

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК САМООЧИЩАЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЫ

Ю.Д .Шевцов1, С.А. Кобзева2, Р.А. Дьяченко3, Н.Д. Чигликова4

Кубанский государственный технологический университет, 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2.

Предложена схема самоочищающейся системы смазки, полученная в результате синтеза существующих систем, параметры основного потока которой независимы (инвариантны) от параметров работы регенерирующего устройства. Получена схема замещения и математическая модель предложенной системы. Для определения возможных границ применения данной системы в системах смазки двигателей резервных ДЭС, получения различных соотношений гидравлических параметров ее элементов при различной степени загрязнения фильтров и величины подачи регенерирующего устройства, исследованы статические и динамические характеристики системы. Представлены результаты исследования ее динамических характеристик, которые оценивают поведение системы при переходных режимах работы, а также влияние изменения динамических составляющих гидравлических сопротивлений фильтров на процесс их загрязнения и регенерации. Ил. 3.

Ключевые слова: система смазки; самоочищающиеся системы; поток.

STUDY OF THE DYNAMIC CHARACTERISTICS OF A SELF-CLEANING SYSTEM Yu.D. Shevtsov, S.A. Kobzeva, R.A. Dyachenko, N.D. Chiglikova

Kuban State Technological University, 2, Moskovskaya St., Krasnodar, 350072.

The article proposes a circuit of a self-cleaning lubrication system, whose parameters of the basic flow are independent (invariant) from the working parameters of the regenerating device, that results from the synthesis of the existing systems. The authors obtained an equivalent circuit and a mathematical model of the proposed system. They studied static and dynamic characteristics of the system in order to determine its possible application limits in the engine lubrication systems of backup diesel electric power stations and obtain various ratios of hydraulic parameters of its elements with different degrees of filter pollution and the amount of advance of the regenerating device. The article presents the study results of its dynamic characteristics, which evaluate the system behavior under transient operation modes, as well as the impact of changes in the dynamic components of the filter hydraulic resistances on the process of their contamination and regeneration. 3 figures.

Key words: lubrication system; self-cleaning systems; flow.

В настоящее время актуальной является задача увеличения ресурса необслуживаемой работы двигателей дизельных электростанций, что позволит эффективно организовать их эксплуатацию и ремонт. Один из способов решения этой задачи - использование в качестве полнопоточного масляного фильтра самоочищающихся систем. Предложена схема само-

очищающейся системы смазки, полученная в результате синтеза существующих систем, параметры основного потока которой независимы (инвариантны) от параметров работы регенерирующего устройства (рис.1).

Она представляет собой систему, состоящую из двух параллельных ветвей, содержащих по два по-

1Шевцов Юрий Дмитриевич, профессор кафедры информатики, тел. (928) 0385870. Shevtsov Yury, Professor of the Department of Computer Science, tel. (928) 0385870.

2Кобзева Светлана Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры материаловедения и автосервиса, тел.: (861) 2558516.

Kobzeva Svetlana, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Material Science and Maintenance, tel.: (861) 2558516.

3Дьяченко Роман Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики, тел.: (928) 4220661. Dyachenko Roman, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Computer Science, tel.: (928) 4220661.

4Чигликова Надежда Дмитриевна, кандидат технических наук, доцент кафедры информатики.

Chiglikova Nadezhda, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Computer Science.

Рис. 1. Схемы самоочищающейся системы: а - гидравлическая; б - замещения в электрических аналогах

следовательно соединенных фильтра Ф1, Ф2 и Ф3, Ф4, либо фильтра и любого другого гидравлического элемента (например, дросселя, т.е. Ф^ Др3 и Ф2, Др4). Вход и выход системы соединены с главной масляной магистралью. Между последовательно соединенными фильтрами подключено регенерирующее устройство РУ, в качестве которого может быть применено любое устройство (масляный насос, поршень, гидромотор и т.д.), создающее заданный перепад давления.

Для определения возможных границ применения данной системы в системах смазки двигателей резервных ДЭС и получения различных соотношений гидравлических параметров её элементов как в виде статических, так и в виде динамических характеристик при различной степени загрязнения фильтров и величины подачи регенерирующего устройства, необходимо исследовать её математическую модель.

Система уравнений, составленная по схеме замещения предложенной схемы, применяя метод контурных расходов, для случая использования в ней в

качестве регенерирующего устройства идеального источника напора SAHp , будет иметь вид:

SGUZU +sG22Z13 = SAHp;

SG22Z22 +SG33Z23 = SAHp; SG11Z31 +SG22Z32 +SG33Z33 = SApo-

В матричной форме при подстановке следующих значений контурных сопротивлений:

7 = 7 + 7  7 = 7 = -7  7 =7 =-7

32 23 ^4

722 = 73 + 74  733 = 72 + 74 + 7н • система уравнений (1) примет вид:

Z1 + Z2 0 -Z2

0 Z3 +Z4 -Z4

-h -Z4 Z2 +Z4 +ZH

SG11 SAHp

SG22 _ -SAHp

SG33 SAp0

или Т.8С _ АНэ .

Из уравнения (2) можно получить выражения для величин потоков и давлений в любом узле схемы.

Величина потока в главной масляной магистрали определится как:

SG0 _ SG33 _ SAHp

A

Z

где определитель матрицы, сопротивление которой:

Аг=2112(13+14)+1314(11 +12)+1Н(11 +12)(13+14). (4) В выражении (3) можно выделить условие

Z2Z3 _ Z4Z1 I

при котором соответствующие потоки одного из источников 8С0 станут независимыми (инвариантными) от другого источника 8 АН .

Динамические характеристики рассматриваемой системы позволят оценить ее работу в динамике, т.е. при переходных процессах и изменении режимов регенерации. Динамические свойства самоочищающейся системы и ее отдельных элементов будут определяться передаточными функциями. С этой целью, для получения динамических характеристик исследуемой системы необходимо подставить в систему уравне-ний(2) уравнения динамических моделей фильтров

2ф; () и 2Ф2 () .

Zt (s)_ Жф (s)S _

dGo

_ k1(T12s2 + 2§1T1s +1 )(Ts +1) '

Аф

i T 2 2 .2 + 2 T 2 2 1 + T 2 2 ; *1\( 1 - T1 a ) + 4  §1 T1 со -V1 + T a

yj(1 - T42a2)2 + 4  §§T4 a 2

, , . 2 -¿.T.a

фф (a) _ arctg i ^21 2 -

1 - T12a2

arctg

2 -§4T4a

1 - T2a2

+ arctgTa

где Л(а) - амплитудная частотная характеристика; ф(ю) - фазовая частотная характеристика;

k _ R^e2—R2Те3 (r т ) - коэффициент уси-

1 R1 + R2 1 е 2

ления, определяющий перепад давления на фильтре;

Т,

T _ "и 1

~ R,

T1 _

R2Tu Те 1

R1 + R2

T4 _

R 2Т и Те Те 2 R Т е 2 - R 2Т е 3

- постоянные времени;

§1 _

R1R2Te 1 + Ти 1

R1 + R2

2-

R2t Т ,

2 и 1 е 1

R1 + R2

§4 _

R1R 2Т е Те2 + Ти Те2 RlTe2 - R 2Т е 3

.- коэффициенты демпфи-

2

R2Tu Те Те 2 RTe 2 - R 2Т е 3

рования; s _ ja - комплексная величина, введенная вместо оператора дифференцирования; a - круговая частота;

При рассмотрении динамических характеристик необходимо определить гидравлические параметры

на выходе системы (ZH ^)-SpH при входных воздействиях SAp0,SAHp.

Для получения значений передаточных функций в общем виде при использовании в качестве регенери-

_ SAH

рующего устройства источника напора р, т.е. при режиме поддержания постоянного перепада дав-

(Ap _ p3 - p2 _ const) к -

ления v ^ /, из общей сис-

темы уравнений (2) можно определить реакцию гидравлических параметров на выходе самоочищающейся системы :

Zh

SPH1 _SAPo

A

SAH ZH

А _ ¿¿2 (+ ) +

где + 2 2 (2 + 2 )+ - определитель матрицы

+2н

(2).

Отсюда, передаточные функции системы с учетом реакции двух источников можно представить:

^

8рН1 _ 2Н

где W1 (s) _

SApo

A

W (s) _ SpH1 _ ZH (Z2Z3 - Z1Z4 ) Л ' SAH A

В полученных передаточных функциях 23 = Крз3,24 = Ядр4 гидравлические сопротивления

линейного регулируемого дросселя, равные

ЗЛрдр

7 =.

3,4 ~

= Ядр , имеют активный характер и могут

быть найдены из линеаризованного уравнения: ЗО -ЗР = ЗЛр- Р

Ар,

др

где З¥ - площадь сечения регулируемого органа дросселя; 7г = 7Ф1 (©) и 72 = 7Ф2 - гидравлические сопротивления фильтров, равные динамическому входному сопротивлению фильтра [см. выражение (6)]

7 * (5) = (5) = О

Величины динамических составляющих сопротивлений фильтров необходимо поддерживать на одинаковом уровне при заданной точности управления, учете динамических свойств жидкости для характерных конструктивных особенностей фильтров и различной степени загрязнения их фильтрующих элементов.

При исследовании динамических характеристик самоочищающейся системы необходимо:

• исследовать закономерности изменения параметров частотных характеристик системы в зависимости от изменения гидравлических сопротивлений

фильтров 7Ф1 и 7Ф2 в процессе их загрязнения и регенерации;

• оценить влияние характера нагрузки 7Н на

динамику изменения параметров частотных характеристик самоочищающейся системы в процессе её эксплуатации.

В статье рассмотрено только влияние изменения динамических составляющих гидравлических сопротивлений фильтров на процесс их загрязнения и регенерации.

При рассмотрении динамической модели фильтра [выражения (6),(7),(8)] необходимо отметить, что в процессе загрязнения изменяются составляющие сопротивления фильтрующей перегородки, характеризующие перепад давления на ней К и инерционность потока жидкости через фильтрующие поры 5Ти 1. Остальные составляющие остаются постоянными.

Исходя из этого, условие инвариантности для динамических составляющих гидравлических сопротивлений фильтра может быть получено при подстановке

в уравнение (5) значений

7ф(5):

К1Кдр3 = К5Кдр3 ' 5Ти 1Кдр 4 = 5Ти 3Кдр 3-

А(оф, оя.

04

0.3

0.2

>0,1

я. 1 7

3 4

1

1

200

400

600

800

1000

С

1200 1

Рис. 2. Динамика изменения АЧХв зависимости от времени наработки (загрязнения) фильтра:

1- Ъ=225 ч., Я=0.53; 3- Ъ=259 ч., Я=1.03;

2- (1=253 ч., R=0.93; 4- (1=265 ч., R=1.18

А(оХ

о.е.

П.45

0.4

035

023

915

0.1

л' \

1 / > \ \ \\ \

!'> ь 7/1 '/ у у \Л> Л VI и

к' * «ч г г 4 \ * ™ 1

ч Ч \ ^ \ К

X.

ЗОН

400

«00

300

[ООО

]2Я>

Л С"

Рис. 3. Влияние активной R (кривые 2) и инерционной *Ти (кривые 1) составляющих сопротивления фильтра на характер АЧХ

Отличия, возникающие между динамическими составляющими гидравлических сопротивлений фильтров Ф1 и Ф2 , будут возникать в процессе работы регенератора.

По мере загрязнения фильтров Ф1 и Ф2, подключенных параллельно, их гидравлические сопротивления изменяются одинаково. Условия инвариантности (14) будут выполняться. В этом случае передаточные функции системы ЖС1 будут равны

передаточным функциям W1 (*),

т.е. (*) = (); т.к. (*) = 0

При работе регенерирующего устройства, т.е. при разбалансе моста, когда 2Ф1 (©) + ХФ2 (©) а

Ж2 (*) Ф 0 , будет сказываться его влияние на параметры главной масляной магистрали. Анализ частотных характеристик рассмотренных передаточных функций показывает следующее:

1. Увеличение гидравлических сопротивлений фильтров по мере их загрязнения приводит к уменьшению максимальных амплитуд на АЧХ при резонансных частотах. На рис. 2. видна динамика изменения АЧХ по мере загрязнения фильтров.

В процессе эксплуатации по мере загрязнения фильтрующих элементов динамика роста активной Я

и инерционной *Ти , составляющих сопротивление

фильтра, происходит по различным закономерностям (рис. 3.). Поэтому и характер изменения амплитудной частотной характеристики самоочищающейся системы, включающей динамические сопротивления фильтров, будет зависеть от изменения этих составляющих. Исследование модели системы (см. рис.3.) показало, например, что изменение активной составляющей влияет на коэффициент демпфирования АЧХ, т.е. изменяется амплитуда этой характеристики на резонансных частотах.

Изменение

инерционной составляющей

влияет на постоянную времени Т АЧХ, т.е. сдвигает резонансную частоту вдоль оси частот (вправо или влево).

Эти свойства АЧХ предлагается использовать для оценки степени и характера загрязнения в процессах фильтрования масла и регенерации фильтрующих элементов.

Таким образом, динамические характеристики оценивают поведение системы при переходных режимах работы, а также влияние изменения динамических составляющих гидравлических сопротивлений фильтров на процесс их загрязнения и регенерации. Схема модели инвариантной самоочищающейся системы может быть использована в качестве полнопоточной системы очистки в любой гидравлической системе, а полученные результаты могут быть применены при внедрении самоочищающихся систем в системы смазки двигателей ДЭС