Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, цели и задачи исследования 10
1.1 Современный технический уровень и тенденции развития выправочно-подбивочных машин 10
1.2 Статодинамические характеристики гидрообъемного привода подвижной рамы выправочно-подбивочных машин 17
1.3 Цель и задачи исследования 25
Выводы 28
Глава 2 Моделирование статических параметров привода перемещения подвижной рамы машины 30
2.1 Расчет параметров привода перемещения подвижной рамы машины ПМА-1 30
2.2 Принципиальная гидравлическая схема привода с двухштоковым рабочим гидроцилиндром перемещения 44
2.3 Анализ параметров цикла механизма циклического перемещения подвижной рамы 49
2.4 Результаты предварительного расчёта механизма циклического перемещения подвижной рамы 60
Выводы 68
Глава 3 Экспериментальное исследование режимов нагружения привода перемещения подвижной рамы 72
3.1 Задачи и схема экспериментального исследования 72
3.2 Анализ результатов экспериментального исследования 76
Выводы 84
Глава 4 Компьютерное моделирование и определение рациональной структуры и параметров привода 86
4.1 Цели и задачи исследования 86
4.2 Математическая модель привода перемещения подвижной рамы машины ПМА-1 87
4.3 Компьютерное моделирование привода в среде MATLAB Simulink 94
4.4 Результаты моделирования, анализ и определение рациональных
параметров привода 103
Выводы 137
Заключение 138
Список используемой литературы 140
- Статодинамические характеристики гидрообъемного привода подвижной рамы выправочно-подбивочных машин
- Анализ параметров цикла механизма циклического перемещения подвижной рамы
- Анализ результатов экспериментального исследования
- Компьютерное моделирование привода в среде MATLAB Simulink
Статодинамические характеристики гидрообъемного привода подвижной рамы выправочно-подбивочных машин
Производительность выправочно-подбивочно машин циклического действия определяется временем цикла и количеством шпал, подбиваемых за цикл [24]. Основным рабочим органом машин циклического действия являются подбивочные блоки, каждый из которых уплотняет балласт в зоне своей рельсовой нити. Привод подбивочного блока обеспечивает горизонтальное виброобжатие балласта и снабжен механизмами заглубления подбоек, обжатия балласта в подшпальной зоне, а также механизмами вибрации. Подбивочные блоки имеют эксцентриковый механизм вибрации с приводом от гидромоторов, обеспечивающий возвратно-поступательные движения подбоек при обжатии балласта и заглублении-подъеме их в балласте.
Высокая производительность непрерывного метода выправки и подбивки пути в сочетании с возможностью получения требуемого качества выполнения технологических операций привело к созданию машин, которые по своему принципу работы являются машинами циклического действия, но при работе движутся по пути непрерывно. К такому типу машин относятся австрийские машины Дуоматик (09-14/4S, 09-32/4S, 09-32 CSM) и отечественная машина ПМА-1, разработанная ОАО "Калужский завод "Ремпутьмаш" при участии сотрудников кафедры «Путевые, строительные машины и робототехнические комплексы» Московского государственного университета путей сообщения.
Конструкция машины Дуоматик 09-32 (рисунок 1.3) представляет собой циклически перемещающийся сателлит закрепленный на корпусе непрерывно движущейся машины, перемещающийся с помощью гидравлического цилиндра и приводной колесной пары [25, 26]. Наличие приводной колесной пары сателлита на машине создает определенные трудности в процессе эксплуатации машины, так как при каждом перемещении сателлита на два шпальных ящика происходит принудительное торможение оси колесной пары тормозными колодками, что ведет к более интенсивному износу, как самих колес, так и тормозных колодок. Подъемно рихтовочное устройство также установлено на раме сателлита и работает циклически, синхронно с работой подбивочных блоков, в каждом цикле осуществляя захват, подъем и сдвижку рельсошпальной решетки. Рисунок 1.3 – Выправочно-подбивочная машина непрерывно-циклического действия Дуоматик 09-32 CSM
Выправочно-подбивочная машина ПМА-1 (рисунок 1.4) представляет собой дальнейшее развитие идей выправочно-подбивочных машин непрерывно-циклического действия. Особенностью конструкции машины является то, что вместо почти в два раза более тяжелого сателлита, сложного в изготовлении используется простая рама с расположенными на ней подбивочными блоками, циклическое перемещение которой осуществляется с помощью одного гидравлического цилиндра.
На рисунке 1.5 представлена кинематическая схема принципа циклической работы подвижной рамы с подбивочными блоками выправочно-подбивочной машины ПМА-1. Подвижная рама перемещается на роликах вдоль оси машины с помощью гидравлического цилиндра [2].
Кинематическая схема перемещения подвижной рамы машины ПМА-1 Российская выправочно-подбивочная машина непрерывно-циклического действия ПМА-1 обладает существенным резервом повышения производительности и качества уплотнения балласта, однако, это ставит перед нами задачу комплексного анализа механизма привода продольного перемещения подвижной рамы с подбивочными блоками на предмет определения рациональной структуры гидравлического привода, параметров настройки гидравлического оборудования и системы управления приводом с учетом наложенных параметрических, технологических и конструкторских ограничений, а также задачу решения проблемы возникновения разрыва потока рабочей жидкости в гидромагистралях привода и полостях рабочего гидроцилиндра при высокой производительности [27].
Дальнейшего повышения технической производительности машины можно достичь путем создания многошпальных подбивочных блоков на 3, 4 или большее число шпал, что связано с большими конструктивными переработками машины, а также более высокими требованиям к позиционированию блока и эпюре рельсошпальной решетки. Примерами подобного направления развития может служить машина Динамик 09-3X австрийской компании «Plasser & Theurer».
Несмотря на все преимущества машин непрерывно-циклического действия, анализ парка машин, эксплуатирующихся на российских железных дорогах говорит о недостаточной укомплектованности высокопроизводительной техникой. Так по данным центральной дирекции по ремонту пути и центральной дирекции инфраструктуры ОАО «РЖД» за 2013 год из всего парка выправочно-подбивочных машин только 21% (112 единиц) составляют машины непрерывно циклического действия, 42% составляют машины циклического действия, и 37% – машины непрерывного действия. В рамках стратегии ОАО «РЖД» по развитию высокоскоростного движения востребованность данного типа машин будет неуклонно расти.
Анализ параметров цикла механизма циклического перемещения подвижной рамы
Время цикла выдвижения подвижной рамы с подбивочными блоками может быть получена при различных соотношениях скорости установившегося движения и ускорения рамы при фиксированном времени на уплотнение балласта и заданной производительности машины. Рассмотрим вариант расчета параметров цикла при заданной производительности в 1700 шпал/час и временем на уплотнение 3 с. Для более наглядного представления результаты расчета по вышеприведенной методике сведены в таблицу 2.6 (исходные параметры) и таблицу 2.7 (расчетные параметры цикла выдвижения подвижной рамы). показана зависимость времени установившегося движения рамы и ее ускорения от скорости установившегося движения, из которой видно что именно треугольный цикл соответствует наименьшим ускорениям, при этом путь и время установившегося движения стремится к нулю, а скорость установившегося движения наибольшая.
При трапецеидальном цикле ход в установившемся режиме наибольший, установившаяся скорость принимает наименьшие значения что ведет к наименьшим расходам жидкости, однако, соответственно, растут давления в линиях гидроцилиндра, необходимые для разгона и торможения подвижной рамы, а также динамические усилия, действующие на машину в продольном направлении.
Расчет параметров цикла выдвижения ведется относительно изменения относительной скорости рамы в диапазоне от 0,1 до 7,5 м/с с шагом 0,1 м/с.
Время на выдвижение рамы составит при исходных параметрах 1,11 с, расчетное перемещение рамы 0,793 м. Анализируя полученный график можно выделить два характерных участка: на первом при снижении относительной скорости рамы с 1,4 до 1 м/с (в 1,4 раза), ускорение возрастает незначительно с 2,55 до 3,11 м/с2, и, соответственно, незначительно (в 1,2 раза) возрастают динамические усилия с 19666 до 23934 Н и давление в системе с 4,89 МПа до 5,95 МПа; на втором скорость снижается с 1 до 0,8 м/с (в 1,25 раза), ускорение
Параметры цикла выдвижения рамы (производительность 1750 шпал/час) резко возрастает до 6,47 м/с2, динамические усилия и давление возрастают в 2,1 раза до 49850 Н и 12,4 МПа соответственно. Отсюда можно сделать вывод о том, что возможен разумный компромисс между давлением в гидравлической системе, расходом жидкости и динамическими усилиями, оказываемыми на раму машины.
Рассмотрим влияние заданной производительности машины на параметры цикла выдвижения подвижной рамы с подбивочными блоками при сохранении заданного по технологическим условиям времени на уплотнение балласта. В таблице 2.8 приведены исходные параметры цикла выдвижения рамы для производительности машины 2000 шпал/час и временем подбивки 3 с.
Время на выдвижение рамы снизилось с 1,11 до 0,6 с, расчетное перемещение рамы возросло с 0,793 до 0,906 м, расчетная скорость движения машины возросла до 0,302 м/с. Таблица 2.8 – Исходные параметры цикла выдвижения рамы (при производительности 2000 шпал/час) Параметры цикла Обозначение Значение Размерность Производительность техническая П 2000 шпал/час Количество рабочих циклов в час N 1000 цикл/час Время цикла Т 3,60 с Эпюра шпал (число шпал на километр) z 1840 шпал/км Расстояние между шпалами L 0,543 м Шаг за цикл (перемещение за цикл) S, 1,087 м Расчетная скорость движения машины Uu 0,302 м/с 1,087 км/ч Время на уплотнение балласта tn 3 с Время на выдвижение рамы т 0,60 с Ход поршня гидроцилиндра h 1,06 м Расчетное перемещение рамы при выдвижении S 0,906 м Диаметр поверхности, на которую оказывается гидравлическое воздействие при выдвижении двухштокового гидроцилиндра D 0,08 м Площадь поверхностей, на которую оказывается гидравлическое воздействиепри выдвижении двухштокового гидроцилиндра и его возврате в исходное положение A 0,00503 м2
Гидромеханический КПД привода П 0,8 Масса подвижной рамы m 7700 кг В таблице 2.9 приведены расчетные параметры цикла выдвижения рамы с подбивочными блоками при производительности 2000 шпал/час. На рисунке 2.6 приведена диаграмма зависимостей основных расчетных параметров цикла (ускорения и замедления рамы, времени на разгон и торможение рамы, времени установившегося движения от скорости движения рамы).
Анализ результатов расчёта показывает, что увеличение производительности машины менее чем на 15% ведет к росту ускорения с 2,55 до 10,06 м/с2, и, соответственно, динамических нагрузок с 19666 до 17499 Н, таким образом ускорение и нагрузки возрастают практически в 4 раза. Давление в системе также резко возрастает с 4,89 до 19,27 МПа.
Из рисунка 2.6 видно что на участке со скоростью движения рамы между 2,3 и 3 м/с ускорение, а следовательно и динамические усилия практически не изменяются.
Приняв треугольный цикл в качестве оптимального для расчета определим зависимость ускорения рамы, а также времени цикла и скорости рамы от заданной производительности выправочно-подбивочной машины ПМА-1 при времени уплотнения 3 с. Результаты расчета приведены в таблице 2.10 и рисунке 2.8.
Проанализировав зависимости, приведенные на рисунке 2.8 можно сделать вывод что увеличение расчетной производительности машины ведет к прогрессивному росту ускорений подвижной рамы, и, следовательно, динамических воздействий на машину. При повышении производительности машины с 1600 до 2000 шпал в час приводит практически к 8-и кратному возрастанию динамических нагрузок на раму машины.
Приведенная методика и кинематический анализ механизма перемещения подвижной рамы существенно идеализирует процесс: не учитываются фактические характеристики приводов и систем управления, однако, позволяет сделать основные выводы, касаемые поведения системы в зависимости от формы цикла.
Анализ результатов экспериментального исследования
В данном главе приведен второй этап теоретического исследования поведения параметров системы и параметров управления привода циклического продольного перемещения подвижной рамы с подбивочными блоками выправочно-подбивочной машины непрерывно-циклического действия ПМА-1. Необходимость проведения подобного исследования определяется: результатами моделирования статических параметров, а также параметров цикла работы подвижной рамы машины и выбором предварительных характеристик гидрооборудования привода, проведенным в главе 2; необходимостью определить динамические характеристики поведения привода с двухштоковым рабочим гидроцилиндром перемещения подвижной рамы с учетом реальных физических характеристик гидравлического оборудования и особенностей формы входящего сигнала управления и степени раскрытия пропорционального дросселирующего распределителя; сравнения результатов, полученных при испытании выправочно-подбивочной машины ПМА-1 с результатами моделирования и оценкой адекватности составленной математической модели
Таким образом целью настоящего исследования является составление имитационной математической компьютерной модели, отражающей динамику поведения привода циклического перемещения подвижной рамы машины ПМА-1, и определение рациональных параметров привода и системы управления машины в зависимости от необходимой производительности [33, 35]. Математическая модель привода перемещения подвижной рамы машины ПМА-1
Математические модели динамики объемного гидравлического привода можно условно разделить на формальные и имитационные. Имитационная математическая модель описывает структуру гидравлической системы привода, свойства и характеристики применяемых гидравлических аппаратов, способы их подключения, способы управления параметрами привода, статические и динамические характеристики двигателя привода насосной установки.
Таким образом имитационная математическая модель для определенного механизма носит индивидуальный характер, определяемый структурой и параметрами динамической системы, включающей в себя: технологический объект, рабочий орган, объемный гидравлический привод, силовую установку, а также приняты способ управления приводом: дроссельный или объемный.
Исследования подобной модели позволит нам определить оптимальную структуру и параметры системы управления исполнительного рабочего механизма в режимах переходных процессов и установившегося движения при подаче управляющих и возмущающих воздействий при различных заданных параметрических ограничениях и желаемой производительности машины.
При непрерывном движении выправочно-подбивочной машины ПМА-1 механизм продольного перемещения подвижной рамы с подбивочными блоками предназначен для их циклического перемещения вдоль оси машины, опережая ее движение, и точного позиционирования над рельсошпальной решеткой, а также возврата рабочего гидроцилиндра в исходное положение в момент подбивки щебня, когда рама машины неподвижна, а подбойки выполняют технологическую операцию уплотнения балласта. Структура привода циклического продольного перемещения подвижной рамы с подбивочными блоками машины ПМА-1 и принцип его работы подробно описан в разделе 2.2. Для расчета параметров рабочего процесса, а также параметров системы управления составлена математическая модель в виде системы дифференциальных уравнений с наложенными функциональными и параметрическими ограничениями. Динамическая модель механизма продольного перемещения подвижной рамы с подбивочными блоками машины ПМА-1 с двухштоковым рабочим гидроцилиндром перемещения представлена на рисунке 4.1. Структура привода принятая в главе 2, при которой использование двухштокового гидравлического цилиндра перемещения решает проблему возникновения разрыва потока рабочей жидкости в системе, позволяет нам отказаться от дополнительно усложняющей привод и его расчет системы подпиточных клапанов в линиях полостей гидравлического цилиндра.
При выдвижении рамы с подбойками на расчетное расстояние виброподбойки заглубляются в щебень, осуществляя технологический процесс уплотнения балласта, двухштоковый гидроцилиндр переключается при этом в плавающее положение и абсолютное перемещение подвижной рамы в этой фазе равно нулю. Машина при этом продолжает движение и относительное перемещения рамы также уменьшается до нуля. Затем подбивочный орган поднимается и в этот момент подается сигнал управления на пропорциональный дросселирующий гидрораспределитель Р2 управляющий гидроцилиндром Ц1 выдвижения рамы.
Предлагаемая модель и алгоритм расчета динамики системы [40] и построения ее переходных процессов позволяет анализировать поведение привода при различных вариантах формирования сигнала управления распределителем Р2, а также различных наложенных параметрических ограничениях на систему.
Компьютерное моделирование привода в среде MATLAB Simulink
При трапецеидальном цикле ход в установившемся режиме наибольший, установившаяся скорость принимает наименьшие значения что ведет к наименьшим расходам жидкости, однако, соответственно, растут давления в линиях гидроцилиндра, необходимые для разгона и торможения подвижной рамы, а также динамические усилия, действующие на машину в продольном направлении.
Расчет параметров цикла выдвижения ведется относительно изменения относительной скорости рамы в диапазоне от 0,1 до 7,5 м/с с шагом 0,1 м/с.
Время на выдвижение рамы составит при исходных параметрах 1,11 с, расчетное перемещение рамы 0,793 м. Анализируя полученный график можно выделить два характерных участка: на первом при снижении относительной скорости рамы с 1,4 до 1 м/с (в 1,4 раза), ускорение возрастает незначительно с 2,55 до 3,11 м/с2, и, соответственно, незначительно (в 1,2 раза) возрастают динамические усилия с 19666 до 23934 Н и давление в системе с 4,89 МПа до 5,95 МПа; на втором скорость снижается с 1 до 0,8 м/с (в 1,25 раза), ускорение
Параметры цикла выдвижения рамы (производительность 1750 шпал/час) резко возрастает до 6,47 м/с2, динамические усилия и давление возрастают в 2,1 раза до 49850 Н и 12,4 МПа соответственно. Отсюда можно сделать вывод о том, что возможен разумный компромисс между давлением в гидравлической системе, расходом жидкости и динамическими усилиями, оказываемыми на раму машины.
Рассмотрим влияние заданной производительности машины на параметры цикла выдвижения подвижной рамы с подбивочными блоками при сохранении заданного по технологическим условиям времени на уплотнение балласта. В таблице 2.8 приведены исходные параметры цикла выдвижения рамы для производительности машины 2000 шпал/час и временем подбивки 3 с.
Время на выдвижение рамы снизилось с 1,11 до 0,6 с, расчетное перемещение рамы возросло с 0,793 до 0,906 м, расчетная скорость движения машины возросла до 0,302 м/с.
Диаметр поверхности, на которую оказывается гидравлическое воздействие при выдвижении двухштокового гидроцилиндра D 0,08 м
Площадь поверхностей, на которую оказывается гидравлическое воздействиепри выдвижении двухштокового гидроцилиндра и его возврате в исходное положение A 0,00503 м2
Гидромеханический КПД привода П 0,8 Масса подвижной рамы m 7700 кг В таблице 2.9 приведены расчетные параметры цикла выдвижения рамы с подбивочными блоками при производительности 2000 шпал/час. На рисунке 2.6 приведена диаграмма зависимостей основных расчетных параметров цикла (ускорения и замедления рамы, времени на разгон и торможение рамы, времени установившегося движения от скорости движения рамы).
Анализ результатов расчёта показывает, что увеличение производительности машины менее чем на 15% ведет к росту ускорения с 2,55 до 10,06 м/с2, и, соответственно, динамических нагрузок с 19666 до 17499 Н, таким образом ускорение и нагрузки возрастают практически в 4 раза. Давление в системе также резко возрастает с 4,89 до 19,27 МПа.
Из рисунка 2.6 видно что на участке со скоростью движения рамы между 2,3 и 3 м/с ускорение, а следовательно и динамические усилия практически не изменяются.
Приняв треугольный цикл в качестве оптимального для расчета определим зависимость ускорения рамы, а также времени цикла и скорости рамы от заданной производительности выправочно-подбивочной машины ПМА-1 при времени уплотнения 3 с. Результаты расчета приведены в таблице 2.10 и рисунке 2.8.
Проанализировав зависимости, приведенные на рисунке 2.8 можно сделать вывод что увеличение расчетной производительности машины ведет к прогрессивному росту ускорений подвижной рамы, и, следовательно, динамических воздействий на машину. При повышении производительности машины с 1600 до 2000 шпал в час приводит практически к 8-и кратному возрастанию динамических нагрузок на раму машины.
Приведенная методика и кинематический анализ механизма перемещения подвижной рамы существенно идеализирует процесс: не учитываются фактические характеристики приводов и систем управления, однако, позволяет сделать основные выводы, касаемые поведения системы в зависимости от формы цикла.
Относительная скорость рамы Ускорение и замедление рамы Ход в установившемся режиме Ход в режиме разгона и торможения Проверкаотносительногоперемещения рамы Время на разгон и торможение Времяустановившегосядвижения Проверка полного времени цикла Время открытия распределителя Динамическое усилиепри разгоне и торможении рамы Давление в напорной линиипри разгонерамы с учетом КПД Давление в сливной линиипри торможениирамы с учетом КПД Максимальный расход Получить параметры фактического характера движения подвижной по действием приводов, а также определить динамические характеристики, влияние управляющих воздействий системы управления, возмущающие воздействия, связанные с сопротивлением движению подвижной рамы можно в результате разработки и исследования имитационной динамической математической модели.
Исследование динамической модели предполагает большое число пробных расчетов, а также вариаций параметров привода, поэтому целесообразно провести предварительную оценку с наложением известных технологических, функциональных и параметрических ограничениях системы.
Основой методики расчета являются описанные в разделе 2.2 представления о рациональном треугольном цикле работы механизма перемещения подвижной рамы выправочно-подбивочной машины ПМА-1.