РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА

DEVELOPMENT OF AN INFORMATION SYSTEM FOR MODELING AND CALCULATING THE THERMAL BALANCE OF A VOLUMETRIC HYDRAULIC DRIVE

Vodchyts Anastasiya

Student, Department of Information Systems and Technologies, Belarusian State Technological University,

Republic of Belarus, Minsk

Blinova Evgeniya

Scientific supervisor, associate professor, Belarusian State Technological University,

Republic of Belarus, Minsk

АННОТАЦИЯ

В статье представлен программный комплекс для автоматизированного проектирования гидравлических систем. Описаны архитектура системы и математические модели, используемые для расчета гидравлических потерь и теплового баланса.

ABSTRACT

The article presents the development of a software system for the automated design of hydraulic systems. It describes the system architecture and the mathematical models used for calculating hydraulic losses and thermal balance.

Ключевые слова: гидравлический привод; информационная система; гидравлический расчет; тепловой баланс; программный комплекс; автоматизация проектирования.

Keywords: hydraulic drive; information system; hydraulic calculation; thermal balance; software system; design automation.

Введение

Объемный гидропривод является неотъемлемой частью большинства современных мобильных машин. Его широкое применение обусловлено высокой удельной мощностью, надежностью и гибкостью компоновки. Однако проектирование таких систем представляет собой сложную инженерную задачу.

Одной из критически важных задач при проектировании является анализ теплового режима гидросистемы. Недостаточный теплоотвод приводит к перегреву рабочей жидкости, снижению ее вязкости, увеличению внутренних утечек и, как следствие, к падению КПД и преждевременному износу компонентов. Традиционные методы расчета, основанные на ручном применении справочных данных и формул, трудоемки и не застрахованы от ошибок. В связи с этим актуальной задачей является автоматизация процесса проектирования с помощью специализированных информационных систем.

Целью данной работы является разработка программного комплекса, предназначенного для интерактивного моделирования гидравлических схем и автоматизированного расчета их эксплуатационных характеристик.

Архитектура и функционал информационной системы

Разработанный программный комплекс построен по двухуровневой клиент-серверной архитектуре.

Клиентская часть представляет собой одностраничное веб-приложение, реализованное с использованием библиотеки React. Она отвечает за предоставление пользователю графического интерфейса и включает в себя три основных компонента:

1. Панель компонентов, содержащая библиотеку стандартизованных гидравлических элементов (насосы, гидроцилиндры, гидромоторы, клапаны, фильтры, трубопроводы, баки). Пользователь может выбирать элементы из каталога и перетаскивать их в рабочую область.
2. Интерактивное поле, где пользователь размещает компоненты и соединяет их порты, формируя принципиальную гидравлическую схему. Реализована поддержка масштабирования и панорамирования для удобной работы со сложными схемами.
3. Контекстно-зависимая панель, отображающая и позволяющая редактировать параметры выбранного на схеме компонента (например, рабочий объем для насоса, диаметр поршня и требуемое усилие для гидроцилиндра, номинальный расход и перепад давления для клапана).

Серверная часть реализована на платформе Node.js с использованием фреймворка Express. Она принимает от клиента данные о структуре схемы (список модулей с их свойствами и список соединений), выполняет основной вычислительный процесс, а также сохраняет разработанные схемы в базу данных MongoDB. Эта NoSQL база данных позволяет хранить всю информацию о схеме, включая модули и их соединения, в виде одного JSON-подобного документа. Такой подход идеально соответствует структуре данных, используемой в клиентской части приложения на React, что упрощает их передачу и обработку.

Такая архитектура позволяет отделить сложную вычислительную логику от визуального представления, обеспечивая высокую интерактивность на стороне клиента и возможность масштабирования расчетной мощности на стороне сервера.

Математическая модель гидросистемы

Первым шагом после получения данных от клиента является анализ топологии построенной схемы. Система использует рекурсивный алгоритм обхода в глубину для идентификации всех гидравлических контуров. Начальными точками для анализа служат насосы. Алгоритм последовательно проходит по соединениям от компонента к компоненту, формируя пути потока жидкости. Особое внимание уделяется обработке узлов ветвления и слияния. При обнаружении распределителя, система рекурсивно анализирует каждую из его ветвей, что позволяет корректно рассчитывать параметры для параллельно работающих исполнительных механизмов. Конечными точками для каждой ветви являются исполнительные механизмы или гидробак.

Для насоса рассчитывается его идеальная подача на основе рабочего объема и частоты вращения приводного двигателя. Затем, с учетом объемного КПД, определяется действительная подача.

Для гидроцилиндра и гидромотора решается обратная задача. На основе заданных пользователем внешних нагрузок и с учетом механического КПД определяется необходимое давление в рабочей полости.

Клапаны и распределители моделируются как источники местных потерь давления. При этом учитывается нелинейная зависимость перепада давления от квадрата расхода жидкости, проходящей через аппарат.

Пройдя по всей цепи от насоса до конечного потребителя и обратно в бак, система суммирует все потери давления и определяет требуемое давление на выходе насоса, которое необходимо для преодоления всех сопротивлений и выполнения полезной работы.

Ключевой особенностью разработанной системы является интегрированная модель теплового баланса, позволяющая оценить тепловой режим гидропривода и определить необходимость установки системы охлаждения. Установившаяся температура достигается тогда, когда мощность тепловыделения становится равной мощности теплоотвода.

Мощность тепловыделения в системе определяется как разница между полной мощностью, потребляемой насосом от приводного двигателя, и суммарной полезной механической мощностью, совершаемой всеми исполнительными механизмами. Все гидравлические и механические потери в системе переходят в тепловую энергию, нагревая рабочую жидкость.

Мощность теплоотвода – это количество тепла, которое система способна рассеять в окружающую среду. Теплоотвод происходит со всех внешних поверхностей: насоса, гидромоторов, клапанов, трубопроводов и гидробака.

Приравнивая мощность тепловыделения и мощность теплоотвода, система находит равновесную температуру жидкости. Полученное значение сравнивается с максимально допустимой рабочей температурой. Если расчетная температура превышает допустимую, система выдает заключение о необходимости установки дополнительного теплообменника (радиатора).

Результаты

Для проверки работоспособности системы было выполнено моделирование гидравлической схемы привода рабочего оборудования (рисунок 1). Схема включает насос, предохранительный клапан, распределитель и силовой гидроцилиндр.

Рисунок 1. Пример гидравлической схемы, смоделированной в системе

В качестве входных данных были заданы параметры компонентов, соответствующие реальным аналогам, а также внешняя нагрузка на шток гидроцилиндра. На основе этих данных система в автоматическом режиме выполнила следующие расчеты:

1. Определила пути потока жидкости для прямого и обратного хода цилиндра.
2. Рассчитала расходы и скорости течения жидкости в напорной и сливной магистралях.
3. Вычислила потери давления на трение в трубопроводах и местные потери на распределителе и клапане.
4. Определила требуемое давление на выходе насоса для преодоления внешней нагрузки и гидравлических потерь.
5. Рассчитала общую мощность потерь в системе.
6. Выполнила расчет теплового баланса и определила установившуюся температуру рабочей жидкости.

По результатам расчета система выдала заключение о том, что существующей площади теплоотвода компонентов достаточно для поддержания температуры в пределах нормы, и установка дополнительного радиатора не требуется. Результаты расчета полностью совпали с ручными расчетами, выполненными по методикам из используемой литературы, что подтверждает корректность заложенных в систему математических моделей.

Заключение

В ходе выполнения работы была успешно разработана информационная система, предназначенная для моделирования и комплексного расчета объемных гидроприводов. Реализованный программный комплекс позволяет в интерактивном режиме создавать гидравлические схемы, задавать параметры их компонентов и в автоматическом режиме получать ключевые эксплуатационные характеристики, включая требуемое давление насоса, скорости потоков, а также параметры теплового баланса.

Основным преимуществом разработанной системы является интеграция гидравлических расчетов с тепловым анализом, что позволяет на ранних этапах проектирования оценивать тепловой режим системы и принимать обоснованные решения о необходимости применения систем охлаждения.

Список литературы:

1. Вавилов А. В., Смоляк А. Н. Проектирование гидроприводов строительных и дорожных машин: учебно-методическое пособие для студентов специальности 1-36 11 01 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование». – Минск: БНТУ, 2012. – 74 с.
2. Качанов И. В., Ключников В. А., Шаталов И. М., Щербакова М. К. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: пособие для студентов специальностей 1-36 01 05 «Машины и технология обработки металлов давлением», 1-36 01 06 «Оборудование и технология сварочного производства». – Минск: БНТУ, 2019. – 30 с.
3. Петренко С. М. Проектный расчет гидропривода вращательного движения: методическое пособие для студентов специальности 1-36 10 01 «Горные машины и оборудование» заочной формы обучения. – Минск: БНТУ, 2011. – 48 с.