2629

Сливные пазы

Рис. 1.12. Иллюстрация сливных пазов в золотнике гидрораспределителя

Через сливные пазы в золотнике гидрораспределителя (рис. 1.12) рабочая жидкость уходит на слив из исполнительных гидроцилиндров.

Углы зоны нечувствительности гидрораспределителя (рис. 1.13) определяют вид нелинейной характеристики распределителя.

Через каналы разгрузки насоса в гильзе гидрораспределителя (рис. 1.14) избыток рабочей жидкости, которая не прошла в каналы гидромоторного ряда, уходит на слив.

Углы зоны нечувствительности

Рис. 1.13. Иллюстрация углов зоны нечувствительности гидрораспределителя

Кроме того, существуют показатели качества ГРУ /48, 64, 65/:

- коэффициент колебательности – отношение двух соседних максимальных отклонений переходной характеристики от установившегося значения, коэффициент колебательности позволяет

оценить устойчивость нелинейной системы;

-время переходного процесса – это интервал времени, с момента подачи управляющего воздействия до момента, при котором отклонение выходной величины от установившегося значения не превысит 5% от этого значения;

-время чистого запаздывания – время, которое определяется величиной зоны нечувствительности и скоростью вращения рулевого колеса;

-перерегулирование выходной величины – это процентное отношение разности между максимальным значением переходной характеристики и установившимся ее значением к этому установившемуся значению.

Каналы разгрузки питающего насоса

Рис. 1.14. Иллюстрация каналов разгрузки насоса в гильзе гидрораспределителя

Системы рулевого управления являются одними из наиболее ответственных узлов СДМ. На основе накопленного опыта эксплуатации, анализа конструктивных решений и результатов исследований разработан и введен ряд требований к ГРУ /21, 58, 66/:

-командный орган рабочей системы рулевого управления должен быть для оператора органом рулевого управления во всех обстоятельствах;

-чувствительность, регулирование и быстродействие рабочей системы рулевого управления должны быть таковы, чтобы квалифицированный оператор мог уверенно вести машину по заданной траектории при выполнении всех операций, для которых предназначена данная машина.

Гидравлические контуры систем рулевого управления должны

иметь следующие устройства /58, 66/:

-устройства для регулировки давления, необходимые для предотвращения возникновения чрезмерных давлений в гидросистеме;

-гибкие рукава, соединительную арматуру и жесткие трубопроводы, с разрывным давлением не менее чем в 4 раза превышающим наибольшее предельное давление, установленное устройствами для регулировки давления энергетического источника рабочей и аварийной систем рулевого управления;

-разводку трубопроводов, исключающую чрезмерный изгиб, скручивание, трение и износ рукавов.

Усилие управления не должно превышать следующих значений

/21, 66/:

-усилие управления для рабочей системы рулевого управления не должно превышать 115 Н;

-усилие управления для аварийной системы рулевого управления не должно превышать 350 Н.

Поворот частей шарнирной рамы из одного крайнего положения

вдругое должен быть не более чем за 5 оборотов командного органа. Допускается увеличение числа оборотов командного органа при условии, если угловое передаточное отношение объемного гидропривода рулевого управления будет не более 20. При неработающем питающем насосе допускается увеличение углового передаточного отношения из условий обеспечения поворота машины

/58, 66/.

Гидроагрегаты ГРУ должны быть рассчитаны на работу при максимальном давлении 16 МПа /58, 66/.

Конструкция ГРМ должна быть моноблочной, а его распределительное устройство должно иметь механическую связь с командным органом управления /21, 66/.

Скорость «скольжения» командного органа при работающем насосе и крайних положениях управляемых колес, необходимая для поддержания в нагнетательной гидролинии давления настройки предохранительного клапана, должна быть не более 0,31 рад /с /21, 58/.

Ресурс ГРМ должен быть не меньше ресурса машины, на которой он установлен /21/.

ГРМ должны обеспечивать возможность вращения рулевого колеса с максимальной частотой не менее 1,5 об/с при частоте

вращения вала двигателя в пределах 60 –100 % от номинальной /21, 58/.

Допустимый диапазон вязкости рабочей жидкости должен быть 10 – 1200 сСт. Предпочтительным является рабочий диапазон вязкости 20 – 300 сСт /66/. Максимальная температура рабочей жидкости должна быть не более плюс 80 °С /66/.

Таким образом, исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что при проектировании систем рулевого управления необходимо обеспечить строгое соблюдение перечисленных требований для повышения безопасности работы СДМ и качества ГРМ для конкурентоспособности их на рынке.

1.5. Критерии эффективности и пути рационализации рабочих процессов гидросистем рулевого управления

При решении инженерных задач часто требуется сравнение нескольких вариантов решения и выбора среди них наилучшего. Применение нерациональных решений влечет за собой существенные потери. В таких случаях вводится критерий эффективности, экстремальное значение которого характеризует свойство одного из наиболее важных технико-экономических показателей проектируемого устройства /41/.

Эффективность устройства может быть установлена на каждом из следующих этапов: на первом – предпроектном и проектном этапах, когда создаются чертежи машин; на втором – этапе изготовления, когда проект машины выполняется в металле; на третьем – этапе эксплуатации, когда машина серийного производства эксплуатируется в различных условиях /58/. Методики оптимизационного синтеза как раз позволяют решить вопрос о соответствии выходных параметров объекта критерию эффективности именно на стадии проектирования.

Целевая функция позволяет качественно сравнить два или несколько альтернативных решений. Целевая функция должна быть однозначной функцией проектируемых параметров. Решение может оцениваться не по одной, а по нескольким целевым функциям. В таком случае вводится система приоритетов, соответствующих каждой целевой функции при использовании комплексного критерия. Такие приоритеты задаются чаще всего в виде коэффициентов,

которые называются весовыми коэффициентами /41/.

Внастоящее время наиболее предпочтительным является применение векторного критерия.

Вданной работе под критерием эффективности понимаются те границы выходных характеристик, показателей устойчивости и качества ГРУ, в которых система является работоспособной, то есть отвечает всем, предъявляемым требованиям. Таким образом, критериями эффективности ГРУ являются:

- обеспечение требуемого расхода в ГРУ; - обеспечение поворота машины при давлении в ГРУ, не

превышающем настройки предохранительного клапана, другими словами к снижению перепада давления на гидрораспределителе ГРМ;

- обеспечение устойчивости ГРУ; - соответствие ГРУ показателям качества переходного процесса,

таким как перерегулирование, время переходного процесса и время чистого запаздывания.

Вкачестве оптимизируемых конструктивных параметров ГРМ выступают рабочий объем гидромотора обратной связи и основные параметры гидрораспределителя, к которым относятся диаметры отверстий гидромоторного ряда, углы зоны нечувствительности распределителя и площади проходных сечений каналов разгрузки распределителя.

1. Требования к рабочему объему гидромотора обратной связи. Очевидно, что вытесняемый объем жидкости определяется

установкой той или иной героторной/героллерной пары, другими словами гидромотора обратной связи. Объема рабочей жидкости на выходе из ГРМ должно хватать для перемещения штока исполнительного гидроцилиндра из одного крайнего положения в другое, что соответствует полному повороту машины за пять оборотов рулевого колеса. Таким образом /3, 48/,

где VЦИЛ – объем жидкости, необходимый для перемещения штоков исполнительных гидроцилиндров из одного крайнего положения в другое; q – рабочий объем гидромотора обратной связи.

2. Требования к давлению в гидросистеме рулевого управления.

Требования сводятся к тому, что давление в системе должно обеспечивать необходимое для поворота усилие на штоке исполнительного гидроцилиндра, не превышая давления настройки предохранительного клапана:

где рКП давление настройки предохранительного клапана.

3. Устойчивость системы в предлагаемой работе оценивается при помощи коэффициента колебательности М. При коэффициенте колебательности большем или равным 100%, системе соответствуют незатухающие колебания, поэтому для обеспечения устойчивости

4. В соответствии с требованиями к системам автоматического регулирования, перерегулирование выходной величины не должно превышать 20%, поэтому критерием эффективности для перерегулирования будет являться условие:

Таким образом, были сформулированы требования к выходным характеристикам, к обеспечению устойчивости и к показателям качества. Однако помимо этого необходимо обозначить направления, по которым должны стремиться выходные характеристики и показатели устойчивости и качества для рационализации рабочих процессов ГРУ.

1. Для повышения эффективности гидропривода машины в целом, рекомендуется снизить давление в системе, чтобы уменьшить перетечки и износ элементов гидропривода путем выбора рациональных параметров гидрораспределителя, другими словами условие (1.2) необходимо дополнить следующим условием:

2. Для обеспечения запасов устойчивости, при решении задачи синтеза необходимо выполнение условия:

3. Для снижения перерегулирования выходной величины необходимо выполнение условия:

4. Для повышения быстродействия ГРУ необходимо уменьшать время регулирования расхода на выходе, то есть:

Таким образом, выражения (1.3…1.6) задают границы, в которых должны лежать выходные характеристики, показатели качества системы для обеспечения ее работоспособности. Выражения (1.7…1.10) уточняют направление, в сторону которого необходимо смещать значение выходной величины, показателей устойчивости и качества для рационализации рабочего процесса ГРУ путем оптимизации конструктивных параметров ГРМ. Определение наиболее приоритетных направлений, а также методы оптимизации рассматриваются в методике синтеза.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН С ШАРНИРНО-СОЧЛЕНЕННОЙ РАМОЙ

Проведение теоретических исследований вновь создаваемой техники невозможно без математического описания исследуемого объекта, то есть без математического моделирования. В настоящее время широко распространено представление математических моделей в виде системы каких-либо уравнений (общих дифференциальных, частных дифференциальных, алгебраических и др.), которые с достаточной степенью точности отражают исследуемые свойства объекта /19, 81/.

Система рулевого управления СДМ представляет собой сложную динамическую систему, на которую действуют управляющие и возмущающие внешние воздействия, имеющие стохастическую природу.

При математическом моделировании системы рулевого управления применяется системный анализ, исходя из которого, рулевое управление СДМ рассматривается как сложная система, состоящая из отдельных взаимосвязанных друг с другом подсистем: ГРУ, процесса поворота машины с шарнирно-сочлененной рамой и стохастических возмущающих воздействий на систему рулевого управления. Каждая выделенная подсистема имеет свои определенные свойства и законы функционирования, которые описываются математическими моделями. Математические модели подсистем в совокупности образуют сложную математическую модель системы.

Разработка математической модели системы рулевого управления СДМ проводится на основе базовых положений методологии системного анализа.

Математическая модель объекта исследования будет неполной без описания динамических свойств базовой машины и стохастических возмущающих воздействий, действующих на ГРУи машинув целом.

2.1. Математическая модель гидросистемы рулевого управления

Базовые элементы гидропривода описаны системами нелинейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, начальными и граничными условиями, уравнениями существенных

нелинейностей, алгебраическими уравнениями связи, наложенными на систему /37/.

Уравнения составлены таким образом, чтобы в результате решения получить значения переменных (давлений, расходов, скоростей, перемещений и т.д.) на входе и на выходе /81/.

Параметры на входе в гидравлический элемент обозначены индексом «1», на выходе – индексом «2».

При моделировании гидропривода принято решение о составлении математической модели для каждого элемента, поскольку исследуемая система является нелинейной, так как содержит нелинейные элементы (золотник и гильза гидрораспределителя). Кроме того, передаточная функция описывает звено направленного действия, то есть элемент, имеющий один входной и один выходной параметр. Элементы гидропривода имеют как минимум два входных и два выходных параметра: это расходы рабочей жидкости и давления на входе и на выходе, кроме того, могут иметь место управляющие или возмущающие воздействия. В качестве дополнительных входных и выходных параметров могут рассматриваться узлы подвода и отбора мощности (насос, гидромотор). Кроме того система содержит переменные коэффициенты дифференциальных уравнений, которые изменяются во времени стохастически или по какому-либо закону. Таким образом, выбранное направление математического моделирования позволяет учесть необходимое количество параметров, что способствует повышению точности модели.

Формирование математической модели ГРУ проводилось в соответствии со следующими этапами /31, 32, 55/:

-принятие допущений;

-обоснование расчетной схемы ГРУ;

-формирование блок-схемы ГРУ на основе расчетной схемы;

-декомпозиция (разбиение) системы на подсистемы и т.д. до получения неделимых элементов системы;

- математическое описание каждого элемента в соответствии

спринятыми допущениями;

-композиция математической модели, т.е. объединение математических моделей отдельных элементов и подсистем в единую математическую модель системы.

2.1.1.Расчетная схема гидросистемы рулевого управления