Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ конструкций, рабочего процесса и методов расчета гидропривода стрелы грузоподъемных машин 14
1.1. Конструкции и особенности работы гидропривода стрелы строи
тельно-дорожных и коммунальных машин 14
1.1.1. Схемно-конструкторские решения гидроприводов тяжелых стреловых самоходных кранов 18
1.1.2. Схемно-конструкторские решения гидроприводов стрелы бортовых манипуляторов
1.1.2. Схемно-конструкторские решения гидроприводов стрелы строительно-дорожных и лесных машин 32
1.2. Существующие методики расчета динамических параметров гидропривода рычажного механизма и динамики гидравлических систем 40
Выводы 43
Глава 2. Методика выбора параметров гидропривода стрелы, на основе оценки устойчивости экскаватора 45
2.1. Физическая модель гидропривода стрелы 45
2.2. Математическая модель гидропривода стрелы 49
2.2.1. Приведенный вес и приведенная масса рабочего оборудования и груза
Выводы
Выводы
Основные результаты и выводы
Список использованных источников
- Схемно-конструкторские решения гидроприводов тяжелых стреловых самоходных кранов
- Схемно-конструкторские решения гидроприводов стрелы строительно-дорожных и лесных машин
- Математическая модель гидропривода стрелы
- Приведенный вес и приведенная масса рабочего оборудования и груза
Введение к работе
Актуальность темы. Тенденция сокращения ручного труда в различных отраслях промышленности способствовала росту масштабов применения машин с гидравлическим приводом, что позволило механизировать и автоматизировать различные технологические и вспомогательные процессы, улучшить условия труда и сократить количество задействованных в производстве рабочих. Расширение применения машин с гидравлическим приводом, в свою очередь, привело к необходимости постоянного совершенствования их технического уровня.
Гидропривод нашел широкое применение на строительно-дорожных, лесозаготовительных, подъемно-транспортных, коммунальных и других грузоподъемных машинах различного технологического назначения. Основные нагрузки в экскаваторе воспринимает начальное звено - стрела. Стрела, приводимая в движение гидравлическим приводом, выполняет основной рабочий процесс подъема и опускания груза. Возникающие проблемы, как на стадии проектирования, так и при эксплуатации гидропривода стрелы связаны с режимом опускания. Гидропривод стрелы должен обеспечивать скоростное опускание, регулирование скорости опускания от нуля до максимально допустимого значения, а также исключать колебательные процессы и возникновение динамических нагрузок при торможении.'Основным недостатком работы гидропривода стрелы в режиме опускания является неизбежность потерь энергии в результате дросселирования жидкости, необходимого для обеспечения требуемой скорости опускания стрелы. При опускании стрелы основной движущей силой является сила тяжести рабочего оборудования и груза, а не давление, создаваемое потоком рабочей жидкости от насоса, поэтому процесс опускания в большей степени связан с диссипацией избыточной потенциальной энергии за счет дросселирования рабочей жидкости вытесняемой из гидродвигателя. Снижение энергетических потерь в гидроприводе стрелы в процессе опускания возможно за счет максимального использования только
-9-потенциальной энергии положения манипулятора и полного исключения
использования потока рабочей жидкости от насоса, что позволит совмещать
опускание стрелы с другими рабочими операциями и повысить
производительность машины.
Работа гидропривода стрелы сопровождается ударными нагрузками и колебательными процессами, связанными как с влиянием качества управления, так и следствием технического несовершенства схемно-конструкторского решения гидропривода. На долю отказов металлоконструкции и гидроцилиндров стрелы, вызванных динамическими нагрузками и нарушением устойчивости экскаватора, приходится от 15% до30%. Поэтому при проектировании гидроприводов одной из важных задач является рациональный выбор параметров гидропривода, позволяющий устранить динамические нагрузки, вызывающие нарушение равновесия всей машины.
В процессе опускания стрелы все силы, действующие на шток гидроцилиндра, совпадают с направлением движения и воспринимаются силой от давления рабочей жидкости встречной полости гидроцилиндра. Происходит преобразование энергии движущих сил в потенциальную энергию давления жидкости; скорость протекания этого процесса обусловливает динамические нагрузки и возникновение колебаний в гидроприводе, которые приводят к колебаниям стрелы, а также к возникновению динамических составляющих сил центробежных, инерционных и сил Кориолиса, влияющих на устойчивость экскаватора.
Ударные нагрузки и колебательные процессы, возникающие в гидроприводе стрелы, приводят к нарушению устойчивости экскаватора по сцеплению с опорной поверхностью и устойчивости против опрокидывания. Нарушение устойчивости отрицательно влияет на ресурс гидропривода и экскаватора в целом, снижает производительность, безопасность работы и эффективность использования функциональных возможностей экскаватора и, следовательно, функциональные возможности использующегося гидропривода [ 82,84,85,]. Решить проблему снижения динамических нагрузок, влияющих на устойчивость
-10-экскаватора, можно за счет рационального выполнения переходных процессов
при движении элементов гидропривода. Методы решения проблем должны быть
детально проработаны на стадии технического проекта.
Дальнейшее совершенствование грузоподъемных машин, сложность и необходимость освоения высокоэффективных и надежных гидроприводов требует существенного повышения уровня поисковых исследований, более совершенных методов расчета машин, новых методов проведения ускоренных лабораторных и полевых испытаний [16, 77].
Анализ технической литературы по строительным, дорожным и
коммунальным машинам показал, что повышение технико-экономических
показателей экскаватора возможно благодаря созданию схемно-
конструкторского решения гидропривода стрелы, снижающего динамические силовые факторы, которые нарушают устойчивость экскаватора и приводят к возникновению колебательных процессов, понижающих коэффициент полезного действия и точность позиционирования рабочих органов.
Решение этих проблем непосредственно связано с необходимостью изучения и снижения динамических нагрузок привода, сокращением энергозатрат и проведением работ по совершенствованию опытно-теоретических методов исследования динамических параметров гидропривода с применением вычислительной техники.
Цель работы. Обоснование выбора параметров ГС экскаватора,
определяющих характеристики торможения в процессе стрелы опускания под
действием сил тяжести рабочего оборудования, и его конструктивной схемы на
основе выявленного влияния динамических характеристик гидропривода на
устойчивое положение экскаватора и эффективность выполнения
технологических процессов.
Задачи исследований
Анализ схемно-конструкторских решений, условий работы и существующих методов расчета гидропривода стрелы экскаватора.
Разработка обобщенной математической модели ГС.
Разработка обобщенной математической модели ГС.
Разработка уточненного математического выражения коэффициента запаса устойчивости.
Разработка методики выбора параметров ГС основанная, на оценке устойчивости экскаватора.
Проведение расчетных и экспериментальных исследований динамических процессов в гидроприводе стрелы.
Создание рационального схемно-конструкторского решения гидропривода стрелы.
Научная новизна заключается в разработке теоретического обоснования основных параметров и конструктивной схемы ГС, характеризующих участок торможения процесса опускания стрелы, на основе выявленной взаимосвязи с эксплуатационными требованиями к устойчивости экскаватора в целом. При этом получены следующие результаты:
-обобщенная математическая модель гидропривода стрелы, учитывающая свойства рабочей жидкости, конструктивные параметры и упругие деформации гидроцилиндра и прилегающих к нему трубопроводов;
- уточненная зависимость коэффициента запаса устойчивости экскаватора
от динамических нагрузок, возникающих на участке торможения в процессе
опускания стрелы;
* — методика выбора параметров ГС (закона изменения площади дросселя ' активного сопротивления, свойств рабочей жидкости, конструктивных параметров гидропривода) на основе оценки устойчивости экскаватора;
- методическое обеспечение и программно-технический комплекс для
проведения экспериментальных исследований гидропривода стрелы по
определению основных характеристик гидропривода непосредственно на
экскаваторе;
- теоретическое обоснование схемно-конструкторского решения
гидрораспределителя ГС экскаватора.
-12-Практическая значимость работы
1.В создании конструкции гидрораспределителя управления стрелой, позволяющей снизить динамические нагрузки, влияющие на устойчивость экскаватора и повысить эффективность работы гидропривода стрелы.
2.В разработке программно-технического комплекса экспериментальных исследований процесса опускания стрелы и прикладных программ, обеспечивающих запись процесса в реальном времени.
З.В разработке технологии проведения испытаний и измерения динамических параметров гидропривода стрелы экскаватора.
4.В расчете уточненного коэффициента запаса устойчивости экскаватора.
Апробация работы
Результаты работы по теме диссертации докладывались в период с 2000 по 2002гг на:
научно-техническом семинаре кафедры «Гидропневмоавтоматика и гидропривод» Ковровской государственной технологической академии;
Ш-й Международной научно-технической конференции " Управление в технических системах" в г.Коврове, 2000г.;
Международной научно-практической конференции " Рациональное использование лесных ресурсов" в г.Иошкар-Ола, 2001г.;
Международной научно-технической конференции " АВТО НН 02 Проблемы транспортных и технологических ' комплексов" в г. Нижний Новгород, 2002г.;
- техническом совете ООО «ЭЗ «Ковровец»».
Публикации
Основное содержание диссертации защищено патентом РФ №2150553, представлено в 3-х статьях журнала "Строительно-дорожные машины" и 4-х публикациях в материалах научно-технических конференций и семинаров.
Диссертация состоит из четырех глав, выводов и приложений.
-13-В первой главе приводится анализ известных схем гидроприводов стрелы
грузоподъемных машин и путей реализации процесса опускания. Описаны
распространенные схемы гидроприводов, использующих в качестве движущей
силы потенциальную энергию положения, анализируются их недостатки. Дан
обзор существующих методик расчета гидроприводов с рычажной связью.
Поставлены задачи исследования.
Во второй главе представлена физическая модель гидропривода стрелы и на ее основе составлена математическая модель гидропривода, рассмотрены частные случаи этой модели для переходных процессов опускания стрелы. Гидропривод представлен в качестве одномассовои динамической модели, в которой в качестве звена приведения выбран поршень гидроцилиндра стрелы. Математическая модель состоит из дифференциальных уравнений движения звена приведения и звена управления и уравнений расходов Представлена зависимость коэффициента запаса устойчивости экскаватора от динамических параметров гидропривода стрелы и методика выбора параметров гидропривода стрелы, основанная на оценке устойчивости экскаватора.
В третьей главе рассматривается методика расчета динамических характеристик гидропривода стрелы экскаватора при опускании и коэффициента запаса устойчивости машины с учетом динамических силовых факторов. Описан расчет динамических параметров рабочего оборудования, проведена оценка влияния площадей проходных сечений активного сопротивления, объединяющих поршневую полость гидроцилиндра со сливом и со штоковой полостью, на динамические силовые факторы, влияющие на устойчивость экскаватора. Приводится теоретическое обоснование выбора геометрических параметров гидрораспределителя.
В четвертой главе предложен метод определения динамических характеристик гидропривода в процессе опускания, а также схема программно-технического экспериментального комплекса, описание программно-технического средства, позволяющего подключать к электронной микропроцессорной системе экскаватора персональный компьютер.
Схемно-конструкторские решения гидроприводов тяжелых стреловых самоходных кранов
Гидропривод стрелоподъемного механизма стреловых самоходных кранов выполнен по первому варианту. Опускание рабочего оборудования происходит в насосном режиме; необходимую скорость опускания обеспечивают за счет дросселирования рабочей жидкости тормозными клапанами. Большинство отечественных и зарубежных кранов имеют гидропривод с открытой схемой циркуляции жидкости [73]. В гидроприводах этого типа используются как регулируемые, так и нерегулируемые насосы.
Гидропривод стрелоподъемного механизма крана грузоподъемностью 120 тонн модели GMT [82] фирмы Кшрр (рис. 1.1) включает в себя гидроцилиндры подъема стрелы 1, 2, на которых установлены гидрозамки 4, 5, фиксирующие штоки в заданном положении. Предохранение поршневых полостей гидроцилиндров осуществляется клапаном 6. Клапан 7 обеспечивает требуемое давление управления тормозным клапаном 8 при опускании стрелы. Вентиль 3 используется для аварийного опускания стрелы при выходе из строя приводного двигателя. На рис. 1.2 приведена схема гидропривода стрелоподъемного механизма крана грузоподъемностью 160 тонн модели НС-500 фирмы Demag [82]. В гидроприводе применены аксиально-поршневой насос 1 с регулятором 2 фирмы Hidromatik и проточный золотниковый гидрораспределитель фирмы Rexroth с гидроуправлением в моноблочном исполнении [94].
Гидропривод стрелоподъемного механизма крана AUK-40T-60 грузоподъемностью 25 тонн фирмы Liebherr показан на рисунке 1.3. От насоса 1 рабочая жидкость поступает в гидрораспределитель 2 и далее к гидроцилиндру 3, который снабжен гидрозамком 4 и клапаном 5, настроенным на давление 23 МПа. Тормозной клапан 6 обеспечивает заданную плавную скорость опускания груза и стрелы. В тормозной клапан иногда устанавливается предохранительный клапан, настроенный на давление 20 МПа, обеспечивающий предохранение гидролинии от динамических скачков давления при включении механизма на опускание. На рис. 1.4 показана схема гидропривода стрелы крана КС-5473 грузоподъемностью 25 тонн, которая включает в себя регулируемый насос 1 с управлением по давлению, гидрораспределитель 5, предохранительный клапан 4, гидрозамки 6 и 7, гидроцилиндр 8 и регулируемый клапан-дроссель 9. Опускание стрелы осуществляется при подаче рабочей жидкости в штоковую полость гидроцилиндра 8, из поршневой полости жидкость сливается через регулируемый клапан-дроссель 9, настройкой которого обеспечивается необходимая скорость.
Все вышерассмотренные схемы гидроприводов стрелоподъемных механизмов тяжелых стреловых самоходных кранов на спецшасси автомобильного типа показывают, что опускание стрелы и груза происходит при подаче рабочей жидкости от насоса в штоковую полость гидроцилиндров. Напорный канал насоса задействован, чем исключается возможность совмещения операции опускания стрелы с другими операциями при питании от одного насоса. Многие краны имеют вентили для аварийного опускания груза.
Наличие тормозных клапанов и насосного режима опускания является недостатком вышеупомянутых гидроприводов, так как происходят потери энергии при дросселировании в тормозных клапанах. Обеспечение качественного опускания стрелы требует устранения динамических нагрузок, возникающих на участках разгона и торможения процесса опускания, для этого в тормозные клапаны дополнительно устанавливают предохранительные клапаны, что усложняет гидросхему и свидетельствует о наличии перегрузок и колебаний в процессе опускания. Поэтому рассмотренные выше схемные решения не позволяют выполнить качественное опускание стрелы без возникновения динамических составляющих, влияющих на устойчивость машины.
Поскольку в тяжелых кранах допускается совмещение движений только тех механизмов, гидродвигатели которых питаются в данный момент от разных насосов, то разгрузка насоса во время опускания стрелы позволила бы использовать поток рабочей жидкости напорного канала насоса для совмещения операций.
Схемно-конструкторские решения гидроприводов стрелы строительно-дорожных и лесных машин
В настоящее время в строительно-дорожных и лесных машинах находят широкое применение гидроприводы стрелоподъемных механизмов дроссельного регулирования [5]. Недостатком этих гидроприводов, в частности в процессе опускания стрелы с грузом, является неизбежность потерь энергии в результате дросселирования жидкости и возникновение динамических силовых факторов при торможении, влияющих на устойчивость машины. Снижение энергетических потерь в гидроприводах стрелоподъемных механизмов осуществляется за счет использования потенциальной энергии положения стрелы с грузом [4].
Впервые в России это было реализовано в режиме безнасосного опускания рабочего оборудования на гусеничном экскаваторе ЭО-4121 (а. с. 293976) Ков-ровского экскаваторного завода (КЭЗ). Основной принцип безнасосного опускания сводится к соединению поршневой полости гидроцилиндра стрелы со сливной гидролинией через регулируемый дроссель и подпитке штоковой полости из сливной гидролинии. Другим решением является объединение поршневой и штоковой полостей гидроцилиндра через П-образный канал и соедине ние со сливной гидролинией через регулируемый дроссель. Напорная гидролиния не задействована, чем и обеспечивается энергосберегающий режим работы.
Это позволило сократить энергозатраты и повысить производительность машины за счет использования освобождающегося потока насоса для совмещения операций. В дальнейшем энергосберегающий режим безнасосного опускания был использован на гусеничных и пневмоколесных моделях экскаваторов других размерных групп предприятиями РФ. Кроме того, данный режим работы применяется и зарубежными фирмами, такими, как "Case-Poclain" модель 350, фирмой "Orenstein-Koppel" - модель RH40 и фирмой "Nobus-Nordhaysen"-модель UB 1233 [65].
В настоящее время на практике нашли применение несколько схем гидроприводов для реализации безнасосного опускания стрелы с грузом. На рис. 1.9 представлена схема гидропривода стрелоподъемного механизма универсального экскаватора на гусеничном ходу ЭО-5122, обеспечивающая безнасосный режим опускания стрелы [90,36]. Здесь использован один из двух основных золотниковых гидроаппаратов, подающих рабочую жидкость в гидроцилиндры стрелы каждый от своего потока, который в одной из крайних позиций соединяет штоковую и поршневую полости со сливной гидролинией и между собой. Слив из штоковой полости гидроцилиндра осуществляется через дроссельные пазы, выполненные на золотнике гидрораспределителя 5. Размер дроссельного паза определяет скорость опускания стрелы.
Дополнительный гидрораспределитель 3, осуществляющий безнасосное опускание стрелы, включает конструкция гидропривода одноковшового экскаватора ЭО-3323А тверского экскаваторного завода (рис. 1.10) [87,36]. Гидрораспределитель соединяет поршневую полость гидроцилиндра стрелы со сливной гидролинией, а в гидролинию штоковой полости гидроцилиндра параллельно встроен гидрозамок 5, который открывается одновременно с включением гидрораспределителя 3 и соединяет штоковую полость цилиндра со сливной гидролинией гидросистемы. Также дополнительный двухпозиционный гидрораспределитель 4 свободного опускания стрелы (рис. 1.11) применяется на гусеничном экскаваторе ЭО-4125, который имеет электроуправление от кнопки [88,36].
При нейтральном положении двухпозиционного золотника гидрораспределителя 4 в соединенном с поршневой полостью стреловых гидроцилиндров канале рабочая жидкость находится под давлением, возникающим под действием веса рабочего оборудования. При переводе золотника во вторую позицию рабочая жидкость из канала, соединенного с поршневой полостью гидроцилиндров стрелы через дроссельные каналы, поступает в штоковую полость гидроцилиндров стрелы, а избыточная жидкость через дроссельные канавки, выполненные на золотнике, вытесняется в сливную гидролинию.
Все рассмотренные выше гидроприводы имеют двухкаскадное схемное решение. Безнасосный режим опускания стрелы обеспечивается использованием дополнительного гидрораспределителя, управление которым осуществляется от отдельной линии управления и используется, как правило, только для обеспечения данного режима работы. Двухкаскадное схемное решение имеет ряд недостатков: - увеличивается количество гидроаппаратов, т.е. вводится допол нительный гидрораспределитель, обеспечивающий режим свободного опуска ния стрелы; - торможение стрелы в процессе опускания осуществляется резким пе рекрытием дросселя постоянного сечения, что неизбежно приводит к возникно вению колебательных процессов и динамических нагрузок, влияющих на ус тойчивость экскаватора; - дополнительный гидрораспределитель требует отдельной линии управления.
Математическая модель гидропривода стрелы
Во время работы на стрелу экскаватора действуют следующие внешние нагрузки: сила тяжести, центробежные силы, касательные силы инерции, действующие при разгоне или торможении вращающихся элементов. Гидросистема подъема стрелы в работе рассматривается как совокупность взаимосвязан ных устройств, приводимых в действие с помощью потока жидкости под давлением [58]. На звено приведения в процессе опускания действуют силы тяжести манипулятора и груза и силы сопротивления. К силам сопротивления относится сила сопротивления, вызванная суммарными потерями давления на местное сопротивление и на трение жидкости в трубопроводах, сила на поршне от дросселирования рабочей жидкости, сила трения, возникающая между стенкой цилиндра и поршнем, а также между штоком и направляющей втулкой, сила, вызванная сжатием рабочей жидкости и упругими деформациями трубопроводов.
При составлении уравнения движения гидравлического привода с позиционным дроссельным регулированием принимаем ряд допущений: 1. Основной вид нагрузки - сила тяжести подвижных частей и сила трения [61]. В процессе опускания поршня гидроцилиндра стрелы под действием силы тяжести жидкость вытесняется из поршневой полости гидроцилиндра и посту пает в штоковую полость и сливной трубопровод, расход жидкости, вытесняе мой из поршневой полости гидроцилиндра, определяется скоростью поршня гидроцилиндра стрелы: Qx=sr (і) 2. В силу малости величин утечек в таких элементах, как гидроцилиндр и распределитель, учитывать их не будем. 3. Сила сухого трения отсутствует, поскольку в каждом сферическом подшипнике и вращающейся кинематической паре обеспечивается постоянная смазка и доля, приходящая на силу сухого трения, минимальна. 4. Динамические процессы рассматриваются при малых перемещениях стрелы, что позволяет считать внешнюю нагрузку в течение рассматриваемого процесса величиной неизменной; включение золотника распределителя осуще ствляется мгновенно. 5. Математическое описание неустановившегося движения рабочей среды основано на фундаментальных уравнениях механики жидкости и газа, механи ки твердого тела с использованием квазиоднородной модели неустановившегося потока. 6. Плотность, вязкость и температура рабочей жидкости принимаются неизменными во время работы привода. 7. Шток, элементы рабочего оборудования являются абсолютно жесткими, упругие деформации в кинематических парах отсутствуют в силу их малости по сравнению с упругими деформациями рабочей жидкости. 8. Рабочая жидкость сжимаема благодаря наличию нерастворенного воздуха.
В большинстве работ, посвященных динамическому исследованию гидроприводов, принято допущение о несжимаемости рабочей жидкости [47,48,49,91]. Однако также имеется ряд работ, в которых исследуется влияние сжимаемости жидкости на течение переходных процессов [50,58,59,61].
Для обеспечения хороших динамических свойств в объемных гидроприводах используются рабочие жидкости с большим модулем объемной упругости в пределах от 1,5-103МПа до 1,9-103 МПа, а коэффициент температурного расширения - в пределах от 5-Ю-4/Г1 до 8,4 Ю-4К х [10]. Максимальные рабочие температуры и давления в современных гидроприводах редко превышают значения соответственно 75С и 45МПа [10].Таким образом, даже для экспериментальных условий эксплуатации изменение объема и плотности рабочей жидкости от изменения температуры не превышает 9%, а от изменения давления - 3%. Следует также учитывать, что влияние давления и температуры на плотность жидкостей по своему характеру противоположно, поэтому совместное действие этих двух факторов может взаимно компенсироваться. Следовательно, для процессов с плавным изменением давления допущение о несжимаемости рабочей жидкости можно считать правомерным, но процесс торможения при опускании стрелы манипулятора сопровождается колебаниями, давление в полостях гидроцилиндра возрастает до 30 МПа, что может произойти только при сжатии жидкости. Поэтому для описания колебательных процессов, возникающих при торможении, необходимо учитывать как сжимаемость жидкости, так и упругие деформации конструкции.
Деформация жидкости при действии давления имеет релаксационную природу, поэтому модуль объемной упругости является функцией давления, температуры и частоты деформации [3,20]. Жидкость, в которой имеются мелкие пузырьки воздуха, является двухфазной системой с повышенной сжимаемостью, расчет которой основан на следующих экспериментально подтвержденных положениях: растворенные газы практически не влияют на упругие свойства до давления 60 МПа; упругость двухфазной системы определяются сжимаемостью жидкой и газовой фаз; объемное содержание газовой фазы в процессе деформации жидкости меняется вследствие растворения пузырьков воз -53-духа. При повышении давления пузырьки воздуха растворяются в течение нескольких секунд.
Изменение газовой фазы в гидроприводах вызвано непрерывными процессами выделения газа (воздуха) и одновременного растворения газовых пузырьков. При этом выделение газовой фазы из рабочей жидкости происходит значительно быстрее, чем ее растворение, и зависит от режима работы гидропривода, изменения давления и т.д. При динамическом расчете гидроприводов принимается, что количество газовой фазы и гидровоздушной смеси остается постоянным в переходном процессе [50,53,81,86]. Нерастворенный воздух увеличивает податливость гидропривода и обусловливает запаздывание нарастания давления в исполнительных элементах, что оказывает существенное влияние на быстродействие всей системы. Кроме того, газовая фаза ухудшает условия работы гидропривода, поэтому, рассматривая жидкость как двухфазную среду, принимаем плотность жидкости постоянной, а сжимаемость среды обусловлена наличием газовой фазы.
Механизм рабочего оборудования (рис. 2.1) рассматривается как плоская конструкция из 8 недеформируемых звеньев, сочлененных 12 вращательными кинематическими парами. Три звена (гидроцилиндры стрелы, рукояти и ковша) имеют изменяемую длину. При заданных длинах гидроцилиндров механизм представляет собой статически определимую конструкцию. На расчетной схеме показаны положения, связанных со звеньями, локальных систем координат Oj,Xl,Yi. Основная система координат Ol,Xc,Yc, связана со стрелой. Координаты точек в основной системе вычисляются за один последовательный переход от координат локальной системы методом преобразования системы координат на плоскости [13,18,41]. Собственная система координат каждого звена рассматривается как повернутая и параллельно перенесенная по отношению к собственной системе координат предыдущего звена.
Приведенный вес и приведенная масса рабочего оборудования и груза
Все гидравлические элементы гидропривода представляют собой определенные гидравлические сопротивления: это и дросселирующие устройства (золотники, дроссели), и арматура (угольники, переходники, тройники), в которых необратимо теряется, переходя в тепло, часть энергии движущейся вязкой жидкости. Она выражается в потерях давления, а ее величина зависит от режима течения жидкости [1, 8, 21].
Скорость течения жидкости в трубопроводах гидропривода стрелы в процессе опускания стрелы под действием сил тяжести рабочего оборудования и груза ограничивается условием отсутствия опрокидывания машины. Опрокидывание может возникнуть при резком перемещении стрелы из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее положение, а поршень гидроцилиндра стрелы совершит полный ход, и кинетическая энергия стрелы может оказаться выше потенциальной энергии машины.
На экскаваторе 4225А-07 кинетическая энергия манипулятора при опускании стрелы не приведет к потере устойчивости машины, если поршень гидроцилиндра стрелы совершит полный ход за время не менее четырех секунд [88].
Найденное число значительно превосходит критическое значение, значит, при опускании стрелы, как правило, происходит турбулентное течение жидкости, вытесняемой из поршневой полости гидроцилиндра стрелы. Поэтому потери давления будут пропорциональны квадрату скорости жидкости и находятся по формуле Дарси [59].
Переходный процесс торможения сопровождается сжатием жидкости и расширением трубопроводов, поэтому на поршень со стороны жидкости будет действовать сила, вызванная этим процессом. Гидролинии, соединяющие гидроцилиндр стрелы с гидрораспределителем, состоят из участков с различными отношениями толщины стенки к диаметру dmp и материалом, из которого изготовлен трубопровод, поэтому приведенная объемная жесткость столба жидкости, прилегающего к поршневой или к штоковой полости гидроцилиндра, определяется как величина, обратная суммарной податливости, [61].
На закон движения поршня гидроцилиндра оказывает влияние внешнее трение, т.е. сопротивление относительному перемещению, возникающее между поршнем и цилиндром, а также между штоком и направляющей втулкой в зонах соприкосновения поверхностей по касательной к ним, сопровождающееся диссипацией энергии.
Расчетная схема гидропривода стрелы для участка торможения отличается от расчетной схемы периода разгона и приводится с учетом упругости жидкости и трубопроводов со следующим допущением: влияние на закон движения поршня оказывает только упругость жидкости, находящейся в цилиндре и трубопроводах между цилиндром и распределителем, а также податливость цилиндра и трубопроводов.
Расчет участка торможения может быть продолжением расчета участка разгона или рассчитываться отдельно. Отдельный расчет участка торможения требует ввода начальных условий аналогично участку разгона, но скорость поршня имеет значение скорости установившегося движения; давление в поршневой и штоковой полости гидроцилиндров стрелы имеет значения, соответствующие установившемуся движению поршня.
Численное решение системы позволяет определить скорость и ускорение поршня гидроцилиндра стрелы и угловую скорость и ускорение стрелы при ее опускании под собственным весом на участках разгона и торможения, что позволяет найти значения динамических силовых факторов, влияющих на устойчивость экскаватора.
Коэффициент запаса устойчивости экскаватора с учетом динамических параметров гидропривода стрелы Удерживающий и опрокидывающий моменты, действующие на экскаватор, определяются суммированием относительно ребра опрокидывания А (рис.2.5) моментов, создаваемых нагрузками, действующими на отдельные элементы, и динамическими силовыми факторами.
Расчет динамических параметров, согласно приведенной в данной работе методике, позволяет оценить значение динамических составляющих сил, опрокидывающих экскаватор; полученные максимальные значения центробежной силы, касательной силы инерции и силы Кориолиса использовать при расчете устойчивости экскаватора, на основе выявленной взаимосвязи устойчивости экскаватора с характеристиками торможения, теоретически обосновать параметры гидропривода стрелы.
В результате выполненных теоретических исследований направленных на создание методики обоснованного выбора параметров гидропривода стрелы экскаватора, определяющих характеристики торможения процесса опускания, на основе выявленного влияния динамических параметров гидропривода на устойчивость машины получены следующие результаты:
1. Разработана физическая модель гидропривода стрелы.
2. Получены выражения для определения координат центра масс рабочего оборудования в системе координат стрелы, приведенного веса и приведенной массы гидропривода стрелы, рассчитаны силы сопротивления и силы трения, что позволило построить одно-массовую динамическую модель гидропривода стрелы.
2. Построена математическая модель гидропривода стрелы, учитывающая количество нерастворенного воздуха, содержащегося в рабочей жидкости; сжимаемость жидкости и упругие деформации гидроцилиндра и трубопроводов, вес и конструктивные размеры элементов гидропривода и позволяющая рассчитать динамические параметры гидропривода. Кроме того, рассмотрены частные случаи использования математической модели для расчета динамических параметров участков разгона и торможения процесса опускания стрелы.
3. Получено уточненное математическое выражение коэффициента запаса устойчивости с учетом сил тяжести элементов конструкции, центробежной силы, касательной силы инерции и сил Кориолиса, возникающих при торможении, что позволяет найти динамические характеристики гидропривода стрелы, при которых сохраняется устойчивость экскаватора,и теоретически обосновать выбор параметров гидропривода.
Похожие диссертации на Обоснование выбора параметров и конструктивной схемы гидропривода стрелы на основе анализа эксплуатационных требований к устойчивости экскаватора
