Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса 13
1.1 Объект и предмет исследования 13
1.2. Классификация автогрейдеров 14
1.3. Способы поворота автогрейдеров 16
1.4 Зависимость радиуса поворота автогрейдера от углов поворота колес и складывания ШСР 17
1.5. Силы, действующие на автогрейдер 18
1.6 Профилирование земляного полотна автогрейдером 19
1.7. Управляемость автогрейдера 20
1.8 Гидросистемы рулевого управления и требования, предъявляемые к ним 22
1.9 Классификация объемных гидроприводов рулевого управления 28
1.10 Основные параметры гидрораспределителей 34
1.11 Обзор существующих конструкций гидрораспределителей и тенденции их развития 37
1.12 Обзор предшествующих исследований гидроприводов рулевого управления 41
1.13 Общая методика научного исследования 45
2. Математическое описание гидросистемы рулевого управления автогрейдера с шарнирно–сочлененной рамой 48
2.1 Влияние хода штоков гидроцилиндров на поворот передних управляемых колес и угол складывания шарнирно-сочлененной рамы 49
2.2. Обоснование расчетной схемы гидросистемы рулевого управления, составление блок-схемы 55
2.3. Составление расчетной схемы гидросистемы складывания шарнирно-сочлененной рамы 58
2.4 Модернизация гидросистемы управления автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 60
2.5 Ведение автогрейдера по заданной траектории 62
2.6 Методика проектирования гидрораспределителя как плоской фигуры 65
2.7 Математическое описание элементов системы 68
2.7.1. Математическая модель цилиндрического гидрораспределителя рулевого управления автогрейдера 69
2.7.2 Математическая модель гидромотора гидравлического рулевого механизма 76
2.7.3 Математическая модель гидроцилиндра 78
2.8 Композиция системы 81
Выводы по главе 81
3. Результаты теоретических исследований 83
3.1. Обоснование варьируемых параметров гидрораспределителя и планирование эксперимента 83
3.2. Переходные процессы гидропривода рулевого управления 85
3.3. Зависимость ширины зоны нечувствительности от диаметров окружности сопряжения золотника и гильзы, диаметров и числа отверстий гидромоторного ряда 88
3.4 Зависимость диаметра отверстий от диаметра гильзы и числа отверстий гидромоторного ряда при заданной ширине зоны нечувствительности 90
3.5 Зависимость времени запаздывания от геометрических параметров гидрораспределителя 94
3.6. Влияние рабочего объема гидромотора отрицательной обратной связи на быстродействие гидроцилиндра 96
3.7. Устойчивость системы рулевого управления автогрейдера 98
3.10 Алгоритм выбора рациональных параметров гидрораспределителя рулевого управления 101
3.11 Расчет элементов гидропривода рулевого управления 105
3.12 Система автоматизации проектирования гидрораспределителя рулевого управления 110
3.12.1 Моделирование гидрораспределителя в САПР 110
3.12.2 Этапы конструирования гидрораспределителя 112
3.12.3 Программный продукт для расчета рациональных параметров гидрораспределителя рулевого управления автогрейдера 114
Выводы по главе 117
4. Результаты экспериментальных исследований гидравлического рулевого механизма 119
4.1. Стендовые испытания гидравлического рулевого механизма 119
4.2. План эксперимента и результаты исследования 125
4.3 Подтверждение адекватности математической модели гидропривода рулевого управления 127
Выводы по главе 130
Заключение 132
Список литературы 134
Приложения 147
Приложение А. Свидетельство о регистрации электронного ресурса 148
Приложение Б. Свидетельство о регистрации электронного ресурса 149
Приложение В. Свидетельство о регистрации электронного ресурса 150
Приложение Г. Свидетельство о регистрации электронного ресурса 151
Приложение Д. Акт внедрения АО «Омсктрансмаш» 152
Приложение Е. Акт внедрения ООО «Омскгидропривод» 153
Приложение Ж. Акт внедрения ФГБОУ ВО «СибАДИ» 154
Приложение З. Патент на полезную модель 155
Приложение И. Технико-экономическая эффективность внедрения гидравлического рулевого механизма автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 156
- Гидросистемы рулевого управления и требования, предъявляемые к ним
- Математическая модель цилиндрического гидрораспределителя рулевого управления автогрейдера
- Расчет элементов гидропривода рулевого управления
- Стендовые испытания гидравлического рулевого механизма
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из показателей, определяющих производительность, а, следовательно, конкурентоспособность, автогрейдеров (АГ) является управляемость, которая определяется способностью АГ двигаться в рамках заданного габаритного коридора на требуемой скорости и разворотами на концах захватки при выполнении планировочных работ.
Управляемость – свойство сложной динамической системы (человек-оператор – машина – окружающая среда), которое реализуется при оптимальном сочетании параметров всех подсистем. Для сравнительного анализа АГ обычно принимают допущение, что параметры человека-оператора и окружающей среды оптимальны и фиксированы.
В предшествующих работах доказано, что одновременный поворот передних управляемых колес и складывание шарнирно-сочлененной рамы (ШСР) существенно улучшает управляемость (АГ). Однако, до настоящего момента на серийно выпускаемых АГ данная возможность не реализована. Одной из причин этому служит существенное различие гидроприводов с динамической точки зрения. Гидропривод рулевого управления является следящим, а гидропривод ШСР – астатическим. Введение контура отрицательной обратной связи в гидропривод ШСР меняет его динамические свойства, делая его следящим. Одним из возможных технических решений реализации следящего гидропривода ШСР может служить гидравлический рулевой механизм (ГРМ), что позволит унифицировать приводы передних управляемых колес и ШСР и сосредоточить управление на одном рулевом колесе.
Обоснование принципа совместного управления передними управляемыми колесами и ШСР АГ, улучшение управляемости АГ и повышение быстродействия рулевого управления является актуальной проблемой.
Степень разработанности темы исследования. Исследованием теории бокового увода машин с управляемыми колесами и шарнирно-сочлененной рамой занимались А.С. Антонов, В.В. Бурцев, А.Н. Володин, Г.С. Гаспарянц, Я.М. Певзнер, Л.Л. Гинзбург, Г.В. Зи-мелев, В.А. Горелов, В.И. Кнороз, В. Камм, В.В. Ларин, А.С. Литвинов, М.Е. Мацепуро, Е.В. Михайловский, Г.А. Смирнов, Б.С. Фалькевич, В.И. Гладов, Я.Е. Фаробин, А.А. Хачатуров, Е.А. Чудаков, Г.М. Кутьков, А.В. Шумилин, И.П.Трояновская, В.И. Поддубный и др. Совершенствованием управляемости машин занимались Е.А. Чудаков, В.Ю. Гиттис, Я.М. Певз-нер, В.В. Селифонов, А.Ш. Хусаинов, В.В.Ломакин, Г.А. Смирнов, А.С. Литвинов, А.И. Гришкевич, А.И. Скокан, Б.А. Брянский, М.И. Грифф, В. М. Тарасов, И.В. Бояркина и др. Фундаментальный вклад в исследование ГРМ как следящих гидравлических систем внесли такие ученые, как Т.В. Алексеева, Т.М. Башта, В.Я. Обидина, В.А. Гамынин, В.А. Хохлов, Б.Л. Коробочкин и др. Совершенствованием рулевого управления занимались Ш.К. Муку-шев, А.В. Жданов, С.В. Леванов, А.А. Портнова и др.
Объект исследования – гидропривод рулевого управления автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.
Предмет исследования – зависимости статических и динамических характеристик гидропривода рулевого управления от конструктивных параметров гидрораспределителя.
Цель работы – улучшение управляемости автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой за счет совместного управления поворотом передних управляемых колес и складывания шарнирно-сочлененной рамы и повышение быстродействия гидравлического рулевого механизма.
Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:
1. Обосновать принцип совместного управления передними управляемыми колесами автогрейдера и складывания шарнирно-сочлененной рамы.
-
Усовершенствовать математическую модель гидропривода рулевого управления автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой как сложной динамической системы, состоящей из подсистем: гидрораспределители, гидромоторы отрицательной обратной связи, гидроцилиндры, механизмы поворота колес и складывания шарнирно-сочлененной рамы.
-
Обосновать критерий эффективности гидрораспределителя гидравлического рулевого механизма.
-
Выявить зависимости, устанавливающие связь между основными конструктивными параметрами гидрораспределителя гидравлического рулевого механизма автогрейдера и критерием эффективности.
-
Разработать и внедрить методику синтеза основных параметров гидропривода рулевого управления автогрейдера.
Научная новизна диссертационной работы. Обоснован принцип совместного управления передними управляемыми колесами и складывания ШСР АГ. Предложенный коэффициент пропорциональности расходов жидкости гидроцилиндров поворота колес и складывания ШСР позволил подобрать элементы из типоразмерных рядов. Усовершенствована математическая модель гидропривода рулевого управления АГ с ШСР как сложной динамической системы, состоящей из подсистем: гидрораспределители, гидромоторы отрицательной обратной связи, гидроцилиндры, механизмы поворота колес и складывания ШСР. Установлены зависимости между шириной зоны нечувствительности и геометрическими параметрами гидрораспределителя. Выявлены зависимости, устанавливающие связь между конструктивными параметрами гидрораспределителя и статическими и динамическими характеристиками гидропривода. В работе получены зависимости: ширины зоны нечувствительности от диаметра окружности сопряжения гильзы и золотника гидрораспределителя, диаметра и числа отверстий гидромоторного ряда; времени переходного процесса от диаметра и числа отверстий гидромоторного ряда и диаметров окружности сопряжения гильзы и золотника; влияния конструктивных параметров гидрораспределителя на быстродействие гидропривода; скорости перемещения штока исполнительного гидроцилиндра от площади проходных сечений окон гидромоторного ряда и рабочего объема гидромотора отрицательной обратной связи.
Теоретическая и практическая значимость работы. Техническое решение по одновременному управлению углом поворота передних управляемых колес и складыванием ШСР АГ. Алгоритм управления автогрейдером при ведении по заданной траектории с учетом усовершенствований гидропривода АГ. Предложена методика эскизного проектирования золотника и гильзы цилиндрического гидрораспределителя ГРМ АГ с ШСР как плоских разверток поверхности сопряжения гильзы и золотника. Разработанная методика выбора основных конструктивных параметров гидропривода АГ положена в основу системы автоматизированного проектирования (САПР) ГРМ. Использование полученных результатов при проектировании гидрораспределителя позволяет сократить время на разработку гидропривода АГ, улучшает его динамические свойства и управляемость. Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «СибАДИ», внедрены на АО «Омсктрансмаш» и ОАО «Омскгидропривод».
Методология и методы исследования. Теоретические исследования базируются на использовании математического моделирования ГРМ, решении задач анализа и синтеза, получении регрессионных зависимостей. Задачами экспериментальных исследований являлись: получение численных значений параметров математической модели, подтверждение ее адекватности, подтверждение эффективности инженерной разработи. Использованы следующие программные комплексы: Matlab (приложения Simulink, Curve Fitting), Компас-3D.
Положения, выносимые на защиту.
– Система совместного управления передними управляемыми колесами АГ и складывания ШСР.
– Коэффициент пропорциональности гидроцилиндров поворота передних управляемыми колес АГ и складывания ШСР.
–Алгоритм моделирования процесса ведения автогрейдера по заданной траектории.
– Усовершенствованная математическая модель гидропривода рулевого управления АГ с ШСР как сложной динамической системы, состоящей из подсистем: гидрораспределители, гидромоторы отрицательной обратной связи, гидроцилиндры, механизмы поворота колес и складывания ШСР.
– Методика эскизного проектирования гидрораспределителя как разверток окружности сопряжения гильзы и золотника на плоскости.
– Критерий эффективности гидрораспределителя ГРМ.
– Методика и алгоритм синтеза основных параметров гидропривода рулевого управления АГ.
Степень достоверности исследований обеспечена корректностью принятых допущений, адекватностью математических моделей, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: ХI Международной научно-практической конференции «Визуальная культура: дизайн, реклама и информационные технологии» ФГБОУ ВПО «ОмГТУ», Омск, 2012; XIII, XIV, XVI Международных научно-инновационных конференциях аспирантов, студентов и молодых исследователей с элементами научной школы «Теоретические знания – в практические дела» ФГБОУ ВПО «МГУТУ им. К.Г. Разумовского», филиал в г. Омске, 2012, 2013, 2015; VIII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» ФГБОУ ВПО «ОмГТУ» Омск, 2012; 67 - ой научно-практической конференции «Теория, методы проектирования машин и процессов в строительстве» в рамках Международного конгресса «Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2013; Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!, ФГБОУ ВПО «ОмГТУ» Омск, 2013,2015; III международная научная конференция стуентов и аспирантов «Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона (Омскресурс – 3 –2013)», ФГБОУ ВПО «ОмГТУ» Омск, 2013; Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальные и прикладные науки – основа современной инновационной системы», ФГБОУ ВПО «СибАДИ»,Омск, 2015; Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых - «Фундаментальные и прикладные исследования молодых ученых», ФГБОУ ВО «СибАДИ»,Омск, 2017.
Реализация результатов исследования. Методика расчета основных геометрических параметров гидрораспределителя ГРМ внедрена на АО «Омсктрансмаш», методика синтеза оптимальных параметров гидропривода рулевого управления внедрена в ОАО «Омскгидро-привод». Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «СибАДИ».
Публикации по работе. По результатам выполненных исследований опубликовано 26 работы, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены патент на полезную модель, два свидетельства о регистрации алгоритмов и два свидетельство о регистрации программы.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 123 наименований и 9 приложений. Диссертация изложена на 157 страницах машинописного текста, 103 рисунка, 6 таблиц.
Гидросистемы рулевого управления и требования, предъявляемые к ним
ГРМ создает дополнительное воздействие на механизм поворота, он состоит из исполнительного механизма и гидрораспределителя.
В ГРМ для обеспечения пропорциональности между углом поворота рулевого колесе и механизма поворота применяется обратная связь по перемещению исполнительного механизма. ГРМ по типу выполнения можно разделить [56] :
–с внутренней механической обратной связью;
– с внешней механической обратной связью;
– с внешней гидравлической обратной связью;
– с обратной связью на основе дозирующего механизма.
При внутренней обратной связи она осуществляется взаимодействием гидроцилиндра (исполнительного механизма) и гидрораспределителя, при внешней - соответствующее воздействие подается от силовой передачи рулевого привода [56].
Рулевое управление с механической обратной связью широко распространено в автомобилях и других скоростных машинах, где наличие механической связи с механизмом поворота является условием обеспечения безопасного движения [56].
На рисунке 1.7 представлена схема рулевого управления с внутренней механической обратной связью. Рулевой привод представляет собой моноблочный агрегат, состоящий из исполнительного гидроцилиндра, винтовой и зубчатой передач и гидрораспределителя [56].
Исполнительная часть следящего привода состоит из гидроцилиндра, гидрораспределителя и винтовой пары. В нейтральной позиции гидрораспределителя 11 напорная гидролиния 12 насоса сообщается с сливной гидролинией 13. При осевом перемещении золотника гидрораспределителя происходит два процесса: первый – при повороте рулевого вала с винтом управляющее воздействие на поршень исполнительного гидроцилиндра; второй – в обратном направлении при перемещении поршня с закрепленной на нем ходовой рейкой, выполняя функцию обратной связи. При прекращении воздействия на рулевое колесо и возвращении золотника в нейтральное положение под действием центрирующих пружин заканчивается поворот управляемых колес [56].
Гидропривод рулевого управления с внешней механической обратной связью, используемый на скреперах, представлен на рисунке 1.8 [56].
Поворот тягача относительно прицепа осуществляется при сдвиге золотника 22 управляющего гидрораспределителя из нейтрального положения при вращении рулевого вала 19 совместно с червяком относительно рулевого сектора 20. Перемещающиеся относительно рамы тягача рычаги и тяги осуществляют отрицательную обратную связь, возвращая сектор в нейтральное положение, вследствие его шарнирного соединения с рулевой сошкой [56].
К недостаткам рулевого управления с механической обратной связью можно отнести [56]:
– повышенную материалоемкость;
– затруднительность крупносерийного производства из-за сложности унификации отдельных элементов;
– ограниченные возможности компоновки.
При использовании внешней гидравлической связи число компоновочных сочетаний увеличивается (рисунок 1.9). Перемещение поршня гидроцилиндра обратной связи 7 происходит при вытеснении из соответствующей полости исполнительного гидроцилиндра 5 рабочей жидкости. Так осуществляется возвращение корпуса гидрораспределителя 2 в нейтральное положение относительно золотника 3 и обеспечивается пропорциональность углов поворота рулевого колеса и управляемых колес. Наличие обратного клапана 8 в гидроцилиндре обратной связи позволяет избежать рассогласования позиций гидроцилиндров из-за утечек рабочей жидкости [56] .
Ухудшение точности управления, устойчивости и снижение быстродействия может являться результатом применения рулевого управления с внешней гидравлической обратной связью, которые обусловлены потерями давления в гидролиниях и объемной деформацией жидкости [56].
Применение рулевого управления с обратной связью на основе дозирующей машины для дорожно-строительных и других самоходных машин с максимальной скоростью движения до 60 км/ч в последние годы стало доминирующим, вытеснив ранее традиционные схемы с механической обратной связью [56].
ГРМ с обратной связью на основе дозирующей машины (насоса-дозатора) называют объемным гидроприводом рулевого управления (ОГРУ) [56].
На основе международных и национальных нормативных документов, практики эксплуатации ОГРУ должен отвечать следующим требованиям [19], [56], [79], [89], [115]:
– командный орган рабочей системы рулевого управления должен в любых условиях быть органом управления для водителя;
– чувствительность, быстродействие рабочей системы должны быть достаточными для ведения машины по заданной траектории квалифицированным оператором;
– за 2-6 оборотов рулевого колеса должен осуществляться полный поворот управляемых колес или частей ШСР из одного крайнего положения в другое;
– люфт рулевого колеса не более 15...25;
– возможность вращения рулевого колеса с максимальной скоростью 1,5 об/с при оборотах двигателя внутреннего сгорания в диапазоне 60-100% от номинального;
– максимальная сила, прикладываемая к рулевому колесу при работающем насосе не более 115 Н (оптимально 10-30 Н) и не более 300-600 Н при неработающем насосе;
– предотвращение произвольных отклонений и колебаний поворотного механизма, передачи ударов от опорной поверхности на командных орган;
– гидравлический контур системы должен иметь устройства для регулирования давления, предотвращающие избыточные давления;
– разрывное давление резиновых шлангов, соединяющих жесткие металлические трубопроводы должно в 4 раза превышать предельное давление, установленное предохранительными клапанами;
– разводка трубопроводов, исключающая чрезмерный изгиб, трение, скручивание и износ рукавов;
– предпочтительной является рабочая жидкость с вязкостью 20 – 300 сСт;
– температурный диапазон рабочей жидкости должна превышать плюс 80 С.
Для повышения безопасности работы и конкурентоспособности на мировом рынке при проектировании и разработке ОГРУ необходимо обеспечить соблюдение вышеперечисленных требований.
Математическая модель цилиндрического гидрораспределителя рулевого управления автогрейдера
Поворот передних управляемых колес АГ происходит при появлении управляющего воздействия от рулевого колеса за счет гидроцилиндра рулевой На рисунке 2.2 представлена кинематическая схема устройства поворота передних управляемых колес с гидроцилиндром поворота колес. Положительным направлением угла будет поворот колес против часовой стрелки, угол – –угол поворота колес по часовой стрелке [118].
В процессе исследований была проанализирована зависимость угла поворота колес от хода штока гидроцилиндра (рисунок 2.3). Максимальный угол поворота колес ±45. Положительное значение хода штока при перемещении штока влево, отрицательное - при перемещении штока вправо.
Для складывания ШСР АГ используются два гидроцилиндра, работающие в противофазе и закрепленные вблизи кабины на моторной раме (рисунок 2.4) [21] [30] [99] [102].
На рисунке 2.5 приведена кинематическая схема складывания ШСР. Максимальный угол складывания рамы 40, по графику 40 это складывание влево, -40 поворот - складывание вправо. По графику + -складывание влево, - - складывание вправо [116].Положительное значение хода штока правого гидроцилиндра aШСР2 при складывании рамы АГ против часовой стрелки, отрицательное – при складывании рамы АГ по часовой стрелке (рисунок 2.6).Разработка и исследование динамических моделей гидрораспределителя необходимы для определения быстродействия гидросистемы так как быстродействие в основном определяет управляемость АГ. Большинство используемых в работах моделей максимально упрощены [6]. В работе [120] перемещение золотника определяется входным сигналом, в работе [123] подход аналогичен, но оговаривается, что для более сложной модели потребовалось бы использование дополнительных датчиков. В работе [121] зависимость между входным значением и перемещением золотника описывается кривой, имеющей участки «мертвой зоны» и «насыщения». В работе [122] модель гидрораспределителя основана на протекающих в ней физических процессах, некоторые снимались явно, некоторые с помощью экспериментов.
Основной задачей гидрораспределителя является перераспределение рабочей жидкости в гидросистеме пропорционально управляющему воздействию. В результате вращения рулевого колеса золотник гидрораспределителя поворачивается на угол (p(t), позволяя жидкости поступать в исполнительный гидроцилиндр, проходя при этом через гидромотор отрицательной обратной связи, который в свою очередь поворачивает гильзу распределителя на угол (poc(t), осуществляя таким образом отрицательную обратную связь в системе, регулируя площадь проходных сечений каналов гидрораспределителя S(f) и проход количества жидкости через гидрораспределитель [68].
Расходные окна гидрораспределителя по своей сути являются регулируемыми дросселями, площадь проходного сечения окон определяется относительным положением гильзы и золотника. Его статические характеристики представляются в виде нелинейных зависимостей.
В рассматриваемой конструкции гидрораспределителя каналы в золотнике представлены проточками, каналы в гильзе - круглыми отверстиями.
Для исследования геометрических параметров гидрораспределителя были составлены расчетные схемы, представленные на рисунках 2.21 и 2.22.
Для определения площади расходных отверстий гидромоторного ряда необходимо знать: г– радиус поверхности сопряжения золотника и гильзы, R - радиус отверстия, cp(t) - угол относительного смещения гильзы и золотника (рисунок 2.22).
Площадь проходного сечения цилиндрического отверстия представляет собой круговой сегмент, которая находится как разность площади сектора круга АОСD и площади треугольника АОС (рисунок 2.23) [63]: ASCEm = ІД20 - 2R2sin6 = ІД2(0 - зіпв) , (2.26) где в - центральный угол в радианах.
На рисунке 2.24 представлена нелинейная статическая характеристика изменения площади проходных сечений расходных окон, которая зависит от вращения золотника относительно гильзы. На рисунке 2.24 0...срі - зона нечувствительности ГРМ; (pi q 2 - зона открытия расходных окон ГРМ; (Р2...СО- зона насыщения [115].
Совокупность математических моделей гильзы и золотника, математической модели регулируемого дросселя представляют собой модель гидрораспределителя. При описании гильзы и золотника приняты во внимание зависимости, представленные на рисунках 2.24 и 2.25.
Расчет элементов гидропривода рулевого управления
При рассмотрении гидроцилиндра необходимо обратить внимание на отношение площадей поршня и штока, для одноштоковых гидроцилиндров оно составляет 1,25...1,5.
Площадь поршневой и штоковой полостей определяется [3], [13], [14]: F 5Г = -, (3.23) V где F- сила, действующая на штоки цилиндров, Н; p - давление в гидросистеме, Па.
Площади поршневой и штоковой полостей будут различны для гидроцилиндров двустороннего действия с односторонним и двусторонним штоком.
Гидроцилиндр двустороннего действия с односторонним штоком: 5Г = (5СП с (3.24) І п -іЬштп, где 5П - площадь поршневой полости, 5ШТ - площадь штока.
Гидроцилиндр двустороннего действия с двусторонним штоком: Sr = Sn-SinT. (3.25)
На основе выбранного диаметра гидроцилиндра и требуемом ходе штока a можно найти требуемый объем жидкости V, который обеспечит требуемое перемещение штока. При работе в аварийном состоянии для поворота из одного крайнего положения колес в другое необходимо повернуть рулевое колесо на 5 оборотов. Поэтому рабочий объем гидромотора обратной связи будет составлять [3], [13], [14], [51]: V qm=-. (3.26)
Скорость перемещения штока гидроцилиндра определяется по формуле [3]: Qm 7гм гм У — тг — , (3.27) где Qm - расход из гидромотора обратной связи к исполнительным гидроцилиндрам, пт - частота вращения ротора гидромотора обратной связи, об/с.
В расчетах частота вращения ротора гидромотора обратной связи равна частоте вращения рулевого колеса, которая в свою очередь может составлять до 1,5 об/с [79].
Полезная мощность объемного гидропривода рулевого управления обеспечивается мощностью гидропривода, подводимой к гидроцилиндру (один или два), которая требуется для достижения требуемых значений силы и скорости [3], [14]: Ыщ = Fv. (3.28)
В расчетах объемного гидропривода частота вращения вала насоса пн обычно составляет 60% от частоты вращения вала двигателя. Для объемного гидропривода рулевого правления строительных и дорожных машин рекомендуется выбирать шестеренные насосы [19].
Действительная подача насоса при номинальной частоте вращения вала насоса пн выбирается [3]: QH = янпнт]н (3.31) где - объемный к.п.д. насоса.
Необходимо принять во внимание чтобы QH QFM, если это отношение не выполняется то необходимо увеличить рабочий объем насоса.
Методика синтеза основных параметров гидропривода рулевого управления АГ состоит из трех этапов [34], [35], [61], (приложение В):
1. По заданным заказчиком данным:
- p -давление в гиросистеме;
- p - перепад давления в гиросистеме;
- F- сила на штоке гидроцилиндра;
- a ПК- ход штока гидроцилиндра; и др.
Происходит выбор элементов гидросистемы (гидроцилиндр, гидромотор отрицательной обратной связи, гидронасос) из типоразмерных рядов.
2. Производится выбор диаметра отверстий гидромоторного ряда по алгоритму рисунок 3.24.
3. Рассчитывается время переходного процесса. Блок-схема алгоритма представлена на рисунке 3.26.
Использование алгоритма позволяет выбрать насос, гидромотор и гидроцилиндр из типоразмерных рядов и получить рациональные значения диаметра окружности сопряжения гильзы и золотника, диаметры отверстий гидромоторного ряда, число отверстий и рассчитать время переходного процесса.
Алгоритм и программа зарегистрированы в ОФЭРНиО. (Приложение В).
При сравнении серийно выпускаемого гидрораспределителя и рассчитанного по разработанному алгоритму синтеза время переходного процесса перемещения штока гидроцилиндра снижено на 15 % за счет рационально выбранного диаметра отверстий гидромоторного ряда при прочих равных параметрах гидрораспределителя.
Стендовые испытания гидравлического рулевого механизма
Исследовался опытный образец ГРМ, состоящий из гидромотора отрицательной обратной связи с рабочим объемом 125 10-6 м3 и гидрораспределителя, конструкция которых представлена на рисунке 4.1. Исследования проводились на стенде. Схема экспериментального стенда приведена на рисунке 4.2, внешний вид стенда – на рисунке 4.3. Основными частями стенда (рисунок 4.3) являются бак Б, насос Н типа НШ-32, дроссель ДР1, ДР2, исполнительный гидроцилиндр Ц [24] [25].
На экспериментальном стенде для определения статических и динамических значений параметров гидропривода рулевого управления ГРМ подавались управляющие воздействия. Реакции ГРМ на внешние управляющие воздействия фиксировались датчиками в виде электрических сигналов, которые с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) выводились на экране компьютера. Измерительный комплекс включает в себя персональный компьютер с установленной платой АЦП L-783, датчики для снятия измеряемых параметров, программное обеспечение.
Универсальная высокоскоростная плата АЦП L-783 (рисунок 5.4) с шиной PCI обеспечивала ввод аналоговых сигналов и ввод/вывод цифровых сигналов. На плате установлен цифровой сигнальный процессор ADSP-2185M для управления вводом/выводом сигналов и обменом информацией с компьютером. [77].
Визуально контроль давления производился с помощью манометров М1–М3. Потенциометрические датчики ДТ-150 (Д1–Д3) измеряли давление рабочей жидкости на входе в ГРМ и в полостях гидроцилиндра с погрешностью не более 0,8%. Перемещение штока гидроцилиндра фиксировалось вращающимся потенциометрическим датчиком П1 (рисункок 4.6). Он был изготовлен на основе многооборотного резистора СП5-44-01-1 с погрешностью не более ± 0,3%. Схема подключения резистора обеспечила линейную статическую характеристику [115], [118].
Тарировка датчиков проводилась на специальном стенде (рисунок 4.7). При помощи плунжерного насоса создавалось давление рабочей жидкости, которое воздействовало на чувствительный элемент датчика. Контроль осуществлялся по образцовому манометру класса точности 0,4 по ГОСТ 2405-80. В процессе тарировки осуществлялось последовательное нагружение и разгрузка в диапазоне 0-15 МПа с интервалом 0,5 МПа.Для повышения точности и оценки погрешности тарировка повторялась по 5 раз. Тарировка выявила линейную зависимость между параметрами (рисунок 4.8), что позволило для определения реальных значений исследуемых параметров по осциллограммам установить масштабные коэффициенты.
Температура, расход рабочей жидкости, поступающей в гидроцилиндр определялись с помощью гидротестера ГТ-600М, который позволяет измерять параметры гидропривода для оценки технического состояния гидрооборудования, выявлять неисправные гидроузлы, проверять регулировочные характеристики гидроэлементов и производить необходимые настройки.
Гидравлический блок гидротестера содержит нагрузочное устройство, манометр и датчики расхода и температуры, защищенные крышкой. Для подключения к гидросистеме на входе и выходе предусмотрены резьбовые штуцеры. Нагрузочное устройство позволяет создавать номинальное давление.
Электронный блок выполнен в металлическом ударопрочном корпусе, содержит переключатель режимов измерения и цифровое табло, на котором фиксируются измеряемые параметры (расход, давление, температура) с погрешностью измерений 1,5% [17].
Гидравлический блок с помощью штуцеров подключается в разрыв гидролинии и соединяется кабелем с электронным блоком, который подключен к блоку питания. Переключатель «Режим измерения» электронного блока переводится на исследуемый параметр. Расход и температура высвечиваются на табло электронного блока, рядом загорается лампочка, показывающая размерность величины. Манометр на гидравлическом блоке показывает давление [17].
Программный комплекс представлен программой LGraph2 производства ООО «L-Card». К возможностям программы относятся: сбор, регистрация в цифровом виде, просмотр в режиме реального времени и в записи, обработка и экспорт аналоговых сигналов, записанных с помощью измерительных плат и модулей АЦП [76].