Совершенствование гидравлического рулевого механизма автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат наук Ионова Юлия Евгеньевна

• Ионова Юлия Евгеньевна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Ионова Юлия Евгеньевна

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1 Объект и предмет исследования

1.2. Классификация автогрейдеров

1.3. Способы поворота автогрейдеров

1.4 Зависимость радиуса поворота автогрейдера от углов поворота колес и складывания ШСР

1.5. Силы, действующие на автогрейдер

1.6 Профилирование земляного полотна автогрейдером

1.7. Управляемость автогрейдера

1.8 Гидросистемы рулевого управления и требования, предъявляемые к ним

1.9 Классификация объемных гидроприводов рулевого управления

1.10 Основные параметры гидрораспределителей

1.11 Обзор существующих конструкций гидрораспределителей и тенденции их развития

1.12 Обзор предшествующих исследований гидроприводов рулевого управления

1.13 Общая методика научного исследования

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ГИДРОСИСТЕМЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОГРЕЙДЕРА С ШАРНИРНО-СОЧЛЕНЕННОЙ РАМОЙ

2.1 Влияние хода штоков гидроцилиндров на поворот передних управляемых колес и угол складывания шарнирно-сочлененной рамы

2.2. Обоснование расчетной схемы гидросистемы рулевого управления, составление блок-схемы

2.3. Составление расчетной схемы гидросистемы складывания шарнирно-сочлененной рамы

2.4 Модернизация гидросистемы управления автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой

2.5 Ведение автогрейдера по заданной траектории

2.6 Методика проектирования гидрораспределителя как плоской фигуры

2.7 Математическое описание элементов системы

2.7.1. Математическая модель цилиндрического гидрораспределителя рулевого управления автогрейдера

2.7.2 Математическая модель гидромотора гидравлического рулевого механизма

2.7.3 Математическая модель гидроцилиндра

2.8 Композиция системы

Выводы по главе

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Обоснование варьируемых параметров гидрораспределителя и планирование эксперимента

3.2. Переходные процессы гидропривода рулевого управления

3.3. Зависимость ширины зоны нечувствительности от диаметров окружности сопряжения золотника и гильзы, диаметров и числа отверстий гидромоторного ряда

3.4 Зависимость диаметра отверстий от диаметра гильзы и числа отверстий гидромоторного ряда при заданной ширине зоны нечувствительности

3.5 Зависимость времени запаздывания от геометрических параметров гидрораспределителя

3.6. Влияние рабочего объема гидромотора отрицательной обратной связи на быстродействие гидроцилиндра

3.7. Устойчивость системы рулевого управления автогрейдера

3.10 Алгоритм выбора рациональных параметров гидрораспределителя рулевого управления

3.11 Расчет элементов гидропривода рулевого управления

3.12 Система автоматизации проектирования гидрораспределителя рулевого управления

3.12.1 Моделирование гидрораспределителя в САПР

3.12.2 Этапы конструирования гидрораспределителя

3.12.3 Программный продукт для расчета рациональных параметров гидрораспределителя рулевого управления автогрейдера

Выводы по главе

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РУЛЕВОГО МЕХАНИЗМА

4.1. Стендовые испытания гидравлического рулевого механизма

4.2. План эксперимента и результаты исследования

4.3 Подтверждение адекватности математической модели гидропривода рулевого управления

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Свидетельство о регистрации электронного ресурса

Приложение Б. Свидетельство о регистрации электронного ресурса

Приложение В. Свидетельство о регистрации электронного ресурса

Приложение Г. Свидетельство о регистрации электронного ресурса

Приложение Д. Акт внедрения АО «Омсктрансмаш»

Приложение Е. Акт внедрения ООО «Омскгидропривод»

Приложение Ж. Акт внедрения ФГБОУ ВО «СибАДИ»

Приложение З. Патент на полезную модель

Приложение И. Технико-экономическая эффективность внедрения гидравлического рулевого механизма автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование гидравлического рулевого механизма автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой»

ВВЕДЕНИЕ

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 сокращением времени разворотов 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 повышает 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 и повышение быстродействия АГ 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. Зимелев, 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 землеройно-транспортных машин занимались Е.А. Чудаков, В.Ю. Гиттис, Я.М. Певзнер, 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 ЗТМ занимались Ш.К. Мукушев, 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.

2. Усовершенствовать математическую модель гидропривода рулевого управления автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой как сложной динамическо

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Ионова Юлия Евгеньевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РУЛЕВОГО МЕХАНИЗМА АВТОГРЕЙДЕРА С ШАРНИРНО-СОЧЛЕНЕННОЙ РАМОЙ

Специальность:

05.05.04. - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Щербаков Виталий Сергеевич

Омск-2017

й системы, состоящей из подсистем: гидрораспределители, гидромоторы отрицательной обратной связи, гидроцилиндры, механизмы поворота колес и складывания шарнирно-сочлененной рамы.

3. Обосновать критерий эффективности гидрораспределителя гидравлического рулевого механизма.

4. Выявить зависимости, устанавливающие связь между основными конструктивными параметрами гидрораспределителя гидравлического рулевого механизма автогрейдера и критерием эффективности.

5. 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 результатов 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.

Методология и методы исследований. 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 разработки. Использованы следующие программные комплексы: Matlab (приложения Simulink, Curve Fitting), Компас-3D.

Диссертация соответствует специальности 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины: п. 2 «Методы моделирования, прогнозирования, исследований, расчета технологических параметров, проектирования, испытаний машин, комплексов и систем, исходя из условий их применения», п. 4. «Методы управления машинами, машинными комплексами и

системами и контроля качества технологических процессов, выполняемых машинами».

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: XI 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 студентов 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 ВПО «СибАДИ»,Омск, 2017.

Реализация результатов работы. Методика расчета основных геометрических параметров гидрораспределителя ГРМ внедрена на ОА «Омсктрансмаш», методика синтеза оптимальных параметров гидропривода рулевого управления внедрена в ОАО «Омскгидропривод». Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «СибАДИ».

Публикации по работе. По результатам выполненных исследований опубликовано 26 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, получены патент на полезную модель, два свидетельства регистрации алгоритмов и два свидетельства регистрации программ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений. Диссертация изложена на 157 страницах машинописного текста, 103 рисунка, 6 таблиц, 9 приложений, библиография включает 123 наименований.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1 Объект и предмет исследования

В предшествующих исследованиях [4, 10, 11] рассматривался рабочий процесс автогрейдера (АГ), оснащенного системами рулевого управления (СРУ).

К тенденциям развития АГ можно отнести:

- увеличение производительности АГ за счет увеличения используемой мощности двигателя [55];

- увеличение производительности АГ за счет увеличения транспортных скоростей, маневренности и управляемости;

- увеличение производительности и маневренности АГ за счет новых конструкций АГ [10, 11] ;

- совершенствование гидропривода АГ [29, 79, 99].

Следящий гидропривод представляет собой сложную динамическую систему, в работе рассматривается гидропривод рулевого управления (ГРУ) АГ. Используя метод декомпозиции в сложной динамической системе можно выделить следующие элементы:

- насосную станцию, включающую в себя двигатель, насос, предохранительный и переливной клапаны, арматуру;

- исполнительный двигатель - гидроцилиндр;

- гидравлический рулевой механизм (ГРМ), включающий в себя гидрораспределитель, состоящий из вращающейся золотниковой пары (гильза и золотник) и гидромотора отрицательной обратной связи.

На рисунке 1.1 представлена типовая блок-схема ГРУ. Тонкими линиями представлены гидравлические связи, двойными линиями - механические связи.

ГРМ осуществляет дозирование и распределение жидкости в исполнительные гидроцилиндры в соответствии с углом и скоростью поворота рулевого колеса [50], [51], [115]. ГРМ состоит из следующих устройств: рулевого колеса (задающее), золотника (распределительное), гидромотора обратной связи

(согласующее) и гильзы (дифференциальное). Распределительное, согласующее и задающее устройства связаны между собой дифференциальным устройством [36], [115].

Рисунок 1.1 - Обобщённая схема рулевого управления автогрейдера

В работе объектом исследования является гидропривод рулевого управления АГ с ШСР.

Предмет исследования - зависимости статических и динамических характеристик ГРМ от конструктивных параметров гидрораспределителя.

1.2. Классификация автогрейдеров

Автогрейдеры - пневмоколесные двух или трехосные землеройно-транспортные машины, выполняющие работы по планированию и профилированию дорожного полотна, они осуществляют перемещение грунтов, очистку дорожного полотна от снега и льда. Перечисленные работы АГ осуществляет с помощью отвала с различными приспособлениями и навесного оборудования [12].

Основные рабочие и конструктивные параметры АГ отражены в технических характеристиках машин. К ним относят колесную формулу, геометрические параметры отвала (длина и ширина), величину заглубления, углы резания, ширину захвата, углы наклона отвала, ширину колеи, дорожный просвет, габаритные размеры и др.

АГ классифицируют [12, 114]:

1. По тяговому классу базовой машины:

а. Легкие (30-40 кН);

б. Средние (40-100 кН);

в. Тяжелые (100-120 кН).

2. По колесной схеме (число управляемых осей хчисло ведущих осей хобщее

число осей):

а. 1х2 х3 (рисунок 1.2);

б. 1 х3 х3.

Рисунок 1.2 - Автогрейдер ДЗ-122Б производства ЗАО «Дормаш» [21]

3. По конструкции задней тележки:

а. С бортовыми редукторами и их подвеской на раме машины (легкие и средние);

б. Раздельные ведущие мосты (тяжелые).

4. По типу трансмиссии:

а. Механическая;

б. Гидромеханическая.

5. По типу рамы:

а. Шарнирно-сочлененная;

б. Жесткая.

6. По виду рулевого управления:

а. Механическое;

б. Гидравлическое.

Дорожный просвет определяют в транспортном положении при максимальном подъеме отвала, заглубление - при опускании ниже опорной поверхности [102].

Угол резания определяется как угол между режущей кромкой и опорной поверхностью АГ [102].

Угол захвата - угол между отвалом и продольной осью АГ, может регулироваться [102].

Угол наклона - угол между опорной поверхностью и режущей кромкой отвала [102].

Указанные параметры позволяют определить область рационального применения АГ и оценить его возможности.

1.3. Способы поворота автогрейдеров

Работа в стесненных условиях городской застройки для таких длиннобазовых машин как АГ может вызвать определенные трудности. Необходимо чтобы АГ совершал повороты с минимальными радиусами и шириной габаритного коридора.

Ширина земляного полотна, ограниченная проекциями на нее крайних точек АГ - ширина габаритного коридора определяется шириной колеи АГ [99].

По способу выполнения поворота АГ можно разделить на следующие типы (рисунок 1.3) [99]:

- с неповоротной рамой и поворотными передними колесами (рисунок 13а);

- с неповоротными передними колесами и складываемой ШСР (рисунок 13б);

- с поворотными передними колесами и складываемой ШСР (рисунок 13в). По рисунку 1.3 можно сделать вывод, что наименьший радиус поворота и наименьшая ширина габаритного коридора (М) у АГ с поворотными колесами и складываемой ШСР.

а)

б)

в)

Рисунок 1.3 - Радиусы и траектории поворота автогрейдера: а) неповоротной рамой и

поворотными передними колесами; (б) с неповоротными передними колесами и складываемой ШСР; (в) с поворотными передними колесами и складываемой ШСР [98]

1.4 Зависимость радиуса поворота автогрейдера от углов поворота колес и

складывания ШСР

Кинематический центр поворота (О) - точка пересечения перпендикуляров к направлению движения колес, кинематический радиус ^П) - радиус поворота

(рисунок 1.4).

В работе [99] кинематический радиус поворота определяется по формуле:

До =

^АВ2 + ВС2 + 2АВ * ВС * ^ Я

72(1-+у)) ' где Я - угол складывания ШСР, у - угол поворота передних колес.

Рисунок 1.4 - Кинематический радиус поворота

(1.1)

Кинематический радиус поворота ЯП определяется по точке пересечения перпендикуляров ОА и ОС и зависит от угла складывания ШСР и угла поворота передних управляемых колес [99].

1.5. Силы, действующие на автогрейдер

Для определения характеристик поворота АГ необходимо рассмотреть силы и моменты, действующие на его узлы и механизмы в процессе работы.

На рисунке 1.5 изображены активные силы, действующие на АГ: вес АГ, представленный составляющими частями 01 и 02, приходящимися на передние и задние колеса, движущая силы ведущих колес Т1 и Т2 и силы сопротивления со стороны грунта на задние Я1, Я2 и передние Я3 колеса, сила сопротивления качению колес Wl, [2].

Центр тяжести АГ определяется координатами Н и 12. Высота центра масс Н находится по выражению [112]:

Н = гс + 0,5, (1.2)

где гс — статический радиус колес.

L

h

Рисунок 1. 5 - Силы, действующие на автогрейдер

Величина l2 = (0,25 ^ 0,3) L0, где L0 — база АГ.

Равнодействующая сил инерции, действующих на машину в момент торможения приложена в центре масс машины. На основе экспериментальных исследований установлено [112]:

Рн = - l)^maxG1, (1.3)

где ютах — коэффициент использования сцепной силы, создаваемой АГ; G1 — часть сцепной силы, приходящаяся на задний мост; kd — коэффициент динамичности.

Сопротивление качению колес [112]:

W = fG cos s, (1.4)

где f— коэффициент сопротивления качению колес машины; G — полный вес машины; s — угол наклона поверхности движения к горизонту.

1.6 Профилирование земляного полотна автогрейдером

При выполнении работ на участке более 500 м земляное полотно

разравнивается круговыми продольными проходами параллельно оси дороги, начиная от краев к оси дороги (рисунок 1.6). Угол наклона отвала АГ задается профилем полотна дороги. Ширина перекрытия предыдущего прохода последующим должна составлять не менее 30 см [102].

На рисунке 1.6 представлены 19 проходов АГ начиная от резания грунта в кюветах (проход 1) и заканчивая чистовым разравниванием грунта (проход 18,19) [12, 114].

Такая схема работы требует разворотов на концах прохода, что составляет около двадцати процентов от общего времени цикла. Сокращение времени на развороты позволит повысить производительность АГ при сохранении ее управляемости [99].

1.7. Управляемость автогрейдера

В процессе работы АГ управляется

Рисунок 1.6 - Схема работы автогрейдера при профилировании грунтовой дороги

водителем. В тоже время на него действуют внешние возмущения, среди которых силы инерции, силы реакции дороги, аэродинамическая сила, сила тяжести и др. Под управлением в [107] понимается «...действия водителя, направленные на сохранение или изменение величины и направления скорости движения, а также ориентации продольной оси машины». Впервые термин «управляемость» употребляется в работах В.Ю. Гиттиса и Е.А. Чудакова. Устойчивость с учетом бокового увода шин, открытого Г. Брулье в 1925 г., рассматривается в работе Я. М. Певзнера [95], но само определение устойчивости не дается. В работе [20] предлагается разделять понятия

«устойчивость» и «управляемость». Под устойчивостью понимается ряд свойств машины, обеспечивающих движение по заданной траектории без управляющего воздействия, а управляемость - при наличии управляющего воздействия. Управляемость в [107] «...свойство машины подчиняться управляющему воздействию». А.С. Литвинов полагает, что управляемость системы «машина -водитель» - это «... совокупность свойств системы, характеризующих возможность изменять соответственно с желанием водителя параметры ее плоскопараллельного движения, т.е. направление движения и траекторию направления точки.» [48].

Качественные показатели управляемости можно разделить на следующие группы [48]:

- геометрические, которые включают в себя кривизну траектории, по которой может двигаться машина и величину отклонения фактической траектории от заданной;

- кинематические, т.е. максимальная скорость изменения кривизны траектории;

- энергетические, определяющие количество энергии, затрачиваемой на удержание заданной траектории, включая энергию, затрачиваемую на перемещение управляющего органа.

В [105] свойство точно следовать повороту управляемых колес называется устойчивостью.

Управляемость машины является одним из ее важнейших эксплуатационных качеств. В расчетном режиме ее можно определить с помощью [106]:

V

куй =т—, (1.5)

Ш о

где V - линейная скорость; ш0 - угловая скорость; Ь - база машины.

Максимальную угловую скорость рекомендуется брать равной ш0=(1,2...1,4уь. Угловая скорость в данном интервале должна обеспечить удовлетворительную управляемость при всех случаях движения [106].

Качество управляемого движения является одним из элементов общей задачи определения подвижности машины [106].

При рассмотрении управляемости машины в процессе поворота имеет место боковой увод шины вследствие ее эластичности. Как показали результаты расчетов и экспериментальных исследований углы увода составляют около 5-6°, что влечет за собой погрешность не более 4%. При проведении большинства инженерных расчетов при расчете радиуса установившегося поворота боковым уводом можно пренебречь [106].

Управляемость также зависит от квалификации водителя, но чаще рассматривают ее зависимость от конструктивных и эксплуатационных характеристик машины [106].

1.8 Гидросистемы рулевого управления и требования, предъявляемые к ним

Рулевое управление предназначено для поворота управляемых колес механизмом поворота в соответствии с воздействием водителя на рулевое колесо [56].

Коэффициент передачи рулевого управления выражает зависимость между вращением рулевого колеса и перемещением механизма поворота колес [56]:

Ка=-±, (1.6)

где а1- угол поворота рулевого колеса; а2 - угол поворота механизма поворота колес.

Отношение моментов сил, создаваемых механизмом поворота (Мм.п.) и прилагаемого к рулевому колесу (Мр), выражается коэффициентом усиления [56]:

М.

'м.п.

V

Коэффициент повышения мощности рулевого управления [56]:

Щ = КаКу. (1.8)

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].

20 71

Рисунок 1.7 - Схема рулевого управления с внутренней механической обратной связью [56]: 1 - гидробак; 2 - фильтр; 3 - насос; 4 - переливной клапан; 5 - регулируемый дроссель; 6,7 -нерегулируемые дроссели; 8 - предохранительный клапан; 9 - рулевая колонка; 10-центрирующие пружины; 11 - дросселирующий гидрораспределитель; 12- напорная гидролиния; 13 - сливная гидролиния; 14 - обратный клапан; 15 - винтовая передача; 16 -поршень; 17- реечная передача; 18 - выходное звено; 19 - исполнительный гидроцилиндр; 20, 21 - рабочие гидролинии; 22 - реактивный поршень контроля внешней нагрузки

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ионова Юлия Евгеньевна, 2018 год

Я - гр

V

Я

{Я - гр>У]2гр - {гр)

Я2

+8уГ, при р|<Рос;

(2.31)

пРи 1 Ф\^Фос •

Для описания гидрораспределителя использованы известные уравнениями расходов жидкости через регулируемый дроссель с учетом утечек рабочей жидкости [57], [53]:

= 0гр1- ОСЛ-ОУГ; (2.32)

dQг

Сг

= В

VГ ■ ж ■ Й%пф гр1 - Рт) 2 ■ Р Ж РгР1 - Ргр\ - QГР2 ; (2.33)

dQc

Сг

: В\иг ■ 8сл -у]2 ■ Р Ж ■ Р ГР1 - Q

о

УТ

Г - г у г з ^

——т--1 + 3 е 2 |-{РГР1 - Ргр2 ) >

6уржь V 2 )

п гг \гг - г

(2.34)

(2.35)

где @ГР1 и QГР2 - расходы потока жидкости поступающей на вход и выход гидрораспределителя; QSL - количество жидкости в сливной гидролинии; рГР1 и рГР2 - давления во входной и выходной магистралях гидрораспределителя; дГ - коэффициент расхода; В- коэффициент инерционности столба жидкости; рЖ - плотность рабочей жидкости; V - кинематическая вязкость жидкости; Ь -длина окружности сопряжения гильзы и золотника; в - коэффициент эксцентриситета.

На основе этих уравнений была составлена структурная схема в программе МаНаЬ 81шиНпк (рисунок 2.27). Для наглядности моделирования в качестве примера использовались коэффициенты передачи звеньев [117]:

1

1

2

рж

1 1 2 2 1 = г; = ккз = кК4 = Я ; кК5 = п; кК6 = Дг; ки7 = ~~~; к^ = ^ ;

Ъ =РЖ. Ъ = пгг(гг-г)2 • Л 3 г2)

<

Рисунок 2.27 - Структурная схема гидрораспределителя в обозначениях МАТЪАВ БппиПпк

2.7.2 Математическая модель гидромотора гидравлического рулевого механизма

Гидромотор ГРМ осуществляет обратную связь, путем поворота гильзы распределителя на угол фоС^), регулируя таким образом площадь проходных сечений каналов гидромоторного ряда.

Давление роС1 и расход QOC1 жидкости, приходящие в гидромотор отрицательной обратной связи, определяют угол вращение ротора гидромотора фос, давление рос2 и расход жидкости Qoc2.

Расчетная схема гидромотора отрицательной обратной связи представлена на рисунке 2.28, блок-схема - на рисунке 2.29.

Для описания гидромотора отрицательной обратной связи использованы уравнение расхода жидкости с учетом сжимаемости и утечек и уравнение движение ротора гидромотора [28], [53]:

Qoс2 = Qoсl - Qут - Qсж; (2.36)

йф ОС

Qoс1 — ЯЛоб '

а

<хг '

@сж — ксж^.(Рос1 — Рос2) ;

Qут = кут (роС1 - Р0С2);

кут —

Я л(рос Рном ^

(1 - Лоб) ;

( 2 «ОС (2

I

ГМ

д 1

(Р ОС1 - Рос2 )- [ЬР \РоС1 - Рос2\ + Ь]

SJgn-

ОС

(¡1

(2.37)

(2.38)

(2.39)

(2.40)

(2.41)

где QОС1 - расход жидкости на входе, вращающий ротор гидромотора отрицательной обратной связи; QОС2, Qут, @СЖ - соответственно расход жидкости на выходе гидромотора, приходящийся на утечки и сжимаесость; ф0С - угол вращения ротора гидромотора; роС1, роС2 - соответственно давления жидкости на входе и выходе гидромотора; цОБ - объемный коэффициент полезного действия гидромотора, кСж, кут - коэффициенты сжатия и утечек жидкости; рном -давление в гидромоторе (номинальное значение); /ГМ - момент инерции ротора гидромотора

1

от всех вращающихся элементов; q - рабочий объем гидромотора отрицательной обратной связи; ЬР, Ь - коэффициент и постоянная гидромеханических потерь.

Рисунок 2.28 - Схема гидромотора гидравлического рулевого механизма

Рисунок 2.29 - Блок-схема гидромотора гидравлического рулевого механизма

Значения bw, bp, b, kym выбирают по каталогу или из паспортных характеристик механического и объемного КПД гидромотора определенного типоразмера. Гидромеханические потери в уравнении моментов сил записаны с учетом направления вращения вала (sign rnk) и возможности рассмотрения тормозного режима (| pi -pj |) [14].

Структурная схема гидромотора в обозначениях Matlab Simulink представлена на рисунке 2.30. Коэффициенты передачи звеньев структурной схемы:

= ; kos2 = 1гм ; kos3 = ксж; kos4 = ^гм ^—п0^ .

"os1

q гм ' поб

р

НОМ

Рисунок 2.30 - Структурная схема гидромотора в обозначениях MATLAB Simulink

2.7.3 Математическая модель гидроцилиндра

Назначение гидроцилиндра заключается в преобразовании гидравлической энергии жидкости в механическую энергию движения штока гидроцилиндра [31].

При математическом моделировании гидроцилиндра приняты следующие дополнительные допущения [31]:

- параметры сосредоточены;

- массы подвижных частей приведены к штоку;

- металлические элементы гидроцилиндра абсолютно жесткие;

- гильза подвергается радиальной деформации при увеличении давления рабочей жидкости, краевые эффекты не учитываются;

- внешние утечки и внутренние перетечки через контактные уплотнения поршня определяют объемные потери гидравлической энергии потока;

- находящаяся в полостях гидроцилиндра рабочая жидкость считается сжимаемой средой;

- не учитывается влияние люфтов, зазоров и перекосов на функционирование гидроцилиндра.

Входными параметрами гидроцилиндра являются расход, давление на входе и сила, приложенная к штоку, выходными - расход и давление на выходе, перемещение и скорость штока.

Расчетная схема гидроцилиндра двухстороннего действия с двухсторонним штоком представлена на рисунке 2.31. На рисунке 2.32 представлена блок-схема гидроцилиндра.

Математическая модель гидроцилиндра состоит из уравнений неразрывности потоков с изменяющимся во времени объемом рабочих полостей и уравнения движения штока гидроцилиндра под действием давления, внешней силы и трения [28], [53]:

_dpгщ da

1 ~ ~сй~' 1+ ' (2.42)

Qf.Ц2

dp

ГЦ2

dt

d2a

1 m

• к - S •

кУПР2 S2

da

da dt

p fU,1Sl p ГЦ2 S2 hГЦ ^ FTP sign Л * FГЦ

da dt

(2.43)

(2.44)

где а- ход штока исполнительного гидроцилиндра; Qгцl, Огц2 - соответственно расходы жидкости в напорной и сливной полостях гидроцилиндра; рГц1, рГц2 -соответственно давления в напорной и сливной полостях гидроцилиндра; и & -соответственно площади штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра (5]= & в частном случае); т - приведенная к штоку масса подвижных частей; куПР1 и кУПР2 _ соответственно коэффициенты упругости полостей с жидкостью; кГц -коэффициент, отражающий влияние силы вязкого трения; ЕТР - коэффициент отражающий силу сухого трения; Ещ - сила на штоке гидроцилиндра.

Рисунок 2.31 - Схема гидроцилиндра привода поворота колес

Рисунок 2.32 - Блок-схема гидроцилиндра привода поворота колес

ЛУ1 + a(t) • Sj

*УПР1

УПР2

E

ПР

ЛУ2 + (Lcib-a(t)) • S2

E

(2.45)

(2.46)

ПР

где AVi и AV2 - «мертвые» объемы в полостях исполнительного гидроцилиндра; ЕПР -объемный модуль упругости полости гидроцилиндра; Leu - ход поршня гидроцилиндра [53].

епр —

Е-

ж

(2.47)

$ст ест

где ЕЖ, ЕСТ - соответственно объемней модули упругости жидкости и металлических стенок гидроцилиндра; D - диаметр цилиндра; дСТ - толщина стенки гидроцилиндра.

При работе гидроцилиндра на его шток действует сила сухого трения [29],

[53]:

f da da

FTP * sign —, при — Ф 0;

dt da

dt

Ftp — \

Ftp, при — 0 и Fp — РГц > Ftp; da

—Ftp, при — 0 и Fp — РГц < —Ftp; da

Fp — РГц, при — — 0 и IFP — F™| < Ftp,

(2.48)

щ ри ~dt — 0 и 1ГР — Гщ1

где Fp - равнодействующая сил давления рабочей жидкости на поршень:

Рр — РГЦ1^1 — РГЦ2^2. (2.49)

Структурная схема гидроцилиндра в обозначениях Matlab Simulink представлена на рисунке 2.33.

Рисунок 2.33 - Структурная схема гидроцилиндра в обозначениях MATLAB Simulink

2.8 Композиция системы

Следующим этапом работы, согласно разработанному алгоритму, является композиция системы, т.е. объединение всех математических моделей элементов в единую математическую модель системы.

Для объединения в одну систему использован следующий принцип: выходные параметры предыдущего элемента являются входными параметрами для последующего элемента для последовательно соединенных элементов, таким образом блоки соединяют каналы с одноименными сигналами.

Структурная схема усовершенствованной гидросистемы рулевого управления представлена на рисунке 2.34.

Рисунок 2.34 - Структурная схема усовершенствованной гидросистемы рулевого управления

автогрейдера в обозначениях MATLAB Simulink

Выводы по главе

1. Выведены зависимости углов складывания ШСР и поворота передних управляемых колес от хода штоков исполнительных гидроцилиндров.

2. Обоснован гидравлический коэффициент пропорциональности кГ -отношение расходов жидкости гидроцилиндров складывания ШСР и поворота передних управляемых колес.

3. На основе гидравлической принципиальной и расчетной схем составлена блок-схемы гидросистемы рулевого управления и складывания ШСР, включающая задающие, исполнительные устройства.

4. Введение контура отрицательной обратной связи в гидропривод складывания ШСР позволило преобразовать его в следящий гидропривод и усовершенствовать гидросистему рулевого управления, подключив к ней через механизм синхронизации гидросистему складывания ШСР.

5. Алгоритм методики моделирования процесса ведения АГ по заданной траектории визуализирует траекторию с учетом предложенного усовершенствования гидросистемы, что позволяет минимизировать габаритный коридор при произвольной траектории движения АГ.

6. Разработанный метод эскизного проектирования цилиндрического гидрораспределителя как двух плоских разверток обеспечил наглядность процесса проектирования.

7. Выявлены уравнения изменения площади проходных сечений окон гидромоторного ряда с каналами в золотнике в виде проточек, а в гильзе в виде отверстий круглой формы. Выявленные уравнения отражают наличие зон нечувствительности и насыщения в статических характеристиках гидроэлемента.

8. Все элементы гидросистемы описаны дифференциальными уравнениями и представлены структурными схемами в изображениях программного продукта МАТЬАБ 81шиНпк.

9. Для решения задач анализа и синтеза усовершенствованной гидросистемы рулевого управления в программном продукте МА^АВ Simulink составлена структурная схема.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Теоретические исследования проводились с целью выявления основных зависимостей между геометрическими и кинематическими параметрами ШСР, изучения влияния конструктивных параметров ГРМ на управляемость АГ.

Процесс управления АГ - эргатическая система. Для проведения анализа влияние человека-оператора и окружающей среды было принято оптимальным и зафиксировано [18].

3.1. Обоснование варьируемых параметров гидрораспределителя и планирование эксперимента

Основываясь на расчетных схемах, представленных на рисунках 2.21 и 2.23., для проведения анализа были обоснованы варьируемые параметры гидрораспределителя. Параметры были разделены на две группы [60]:

1. Геометрические (диаметр отверстий гидромоторного ряда, диаметр окружности сопряжения гильзы и золотника, число отверстий гидромоторного ряда);

2. Гидравлические (расход жидкости и перепад давления на гидрораспределителе).

В работе варьировались основные геометрические параметры гидрораспределителя. В качестве примера представлены гидрораспределители с диаметрами окружности сопряжения гильзы и золотника от 22 до 42 мм, диаметры отверстий гидромоторного ряда от 2 до 6 мм, число отверстий от 4 до 8 на слив и на напор. Ширина зоны нечувствительности жестко привязана к указанным выше параметрам и не может быть вычислена без их учета. Входным воздействием являлось единичное ступенчатое воздействие - скорость вращения рулевого колеса при линейном изменении угла поворота рулевого колеса (рисунок 3.1) с учетом статической характеристики (зоны нечувствительности и зоны упора). Остальные

параметры гидрораспределителя и системы в целом оставались замороженными в течение конкретного исследования [60].

Рисунок 3.1 - Входное воздействие на гидрораспределитель

В результате обоснования варьируемых параметров и границ варьирования был принят трехфакторный эксперимент, каждый фактор изменялся на 5 уровнях. При использовании полнофакторного эксперимент типа тк, где т - число уровней варьирования, к - число факторов в результате возникла бы необходимость выполнения 125 экспериментов. Было принято решение использовать план латинские квадраты, который снижает число необходимых экспериментов до 25. Латинский квадрат формируется в виде квадратной таблицы, в которой каждый из п параметров встречается в один раз в каждом столбце и каждой строке [46], [54]. В строках расположены значения диаметров отверстий гидромоторного ряда в столбцах - значения числа отверстий гидромоторного ряда (п), на пересечениях - значения диаметра окружности сопряжения гильзы и золотника (таблица 1) [60].

Теоретические исследования проводились методом математического моделирования. Модель должна быть оптимальной, адекватной и отражать все необходимые свойства исследуемой системы [45].

Математическое моделирование проводилось в программном продукте Matlab БтиПпк. В процессе моделирования в среде БтиПпк реализовался принцип визуального программирования, который заключается в том, что

пользователь создает модель устройства, используя стандартные элементы, задавая в них требуемых коэффициенты, и осуществляет расчеты. С помощью имеющихся в программе инструментов наблюдения возможно отслеживать процесс моделирования. Результаты моделирования представляются в виде графиков или таблиц [100], [113].

Таблица 1 - План эксперимента

Диаметр отверстий гидромоторного ряда Число отверстий гидромоторного ряда

п1 п2 п3 п4 п5

й В4 Оз О2 Э5

Э5 Э4 Эз Э2

ёз ^ Э5 Э4 Э3 Э2

й В2 ^ Э5 Э4 Э3

ё5 Оз О2 Э5 Э4

Математическое моделирование имеет преимущества перед натуральным моделированием [45]:

- допускает вмешательство извне на любом этапе эксперимента;

- возможно моделирование условий, которые невозможно воспроизвести в реальных условиях;

- низкая стоимость эксперимента.

Для подтверждения адекватности математического моделирования проводятся экспериментальные исследования.

3.2. Переходные процессы гидропривода рулевого управления

Для определения динамических характеристик ГРУ были исследованы переходные процессы изменения расхода жидкости, давления, перемещения и

скорости перемещения штока исполнительного цилиндра при различных диаметрах отверстий гидромоторного ряда и диаметрах окружности сопряжения гильзы и золотника [65]. На рисунках 3.2-3.5 в качестве примера представлены переходные процессы гидрораспределителя при В=32 мм.

Графики переходных процессов расхода жидкости, изменения давления, скорости перемещения штока гидроцилиндра носят апериодический характер. С увеличением диаметра отверстия уменьшается время запаздывания процесса.

8г

О, 1СГ5м3 7

6

5

4

3

2

1

О,

С ( г

I

I = 2 мм

^,6= 3 мм

6= 4 мм

0.2

0.4

0.6

0.8 I, с 1

Рисунок 3.2 - Графики переходного процесса изменения расхода жидкости на выходе из

гидрораспределителя при Б=32 мм

11

р,106 Пс 10

/^ТПП

/7п ,с!= 2 нн

<1= 3 нн

| 1 с!= 4 нн

1 м 11

I \ Т

V

] | ; \

1 !

1 1

0.2

0.4

0.6

0.8 и 1

Рисунок 3.3 - Графики переходного процесса изменения давления на выходе из гидрораспределителя при Б=32 мм

0.04

V, м/с 0.035

0.03

0.025

0.02

0.015

0.01

0.005

111

2 мм

1 I мм

1 ^ с!= 4 м м

1 / 1

0.2

0.4

0.6

0.8 I с

Рисунок 3.4 - Графики переходного процесса изменения скорости штока гидроцилиндра

при Б=32 мм

0.012

V м 0.01

0.008

0.006

0.004

0.002

0

1

А- 2 мм

с1= 3 мм

/'/ С|= 4 мм

х у

0

0.2

0.4

0.6

0.8 I с 1

Рисунок 3.5 - Графики переходного процесса перемещения штока гидроцилиндра при

Б=32 мм

Графики перемещения штока гидроцилиндра носят практически линейный характер, с увеличением диаметра отверстий гидромоторного ряда уменьшается время запаздывания системы.

3.3. Зависимость ширины зоны нечувствительности от диаметров окружности сопряжения золотника и гильзы, диаметров и числа отверстий

гидромоторного ряда

Ширина зоны нечувствительности ф зависит от выбранных диаметров окружности сопряжения золотника и гильзы (О=2г), диаметра (й=2Я) и количества п отверстий гидромоторного ряда. При проведении эксперимента было определено, что не для всех сочетаний факторов можно получить работоспособное устройство, т.е. при малых значениях диаметров гильзы и золотника О и больших значениях диаметров отверстий й или большом их числе п возникали перетечки рабочей жидкости. Это привело к наложению ограничения на сочетания уровней факторов: если ширина зона нечувствительности ф при сочетании факторов меньше одного градуса или отрицательна, то такие сочетания отбрасывались. В таблице 2 жирным шрифтом выделены рабочие значения параметров для О = 32 мм. Аналогичным образом были построены таблицы для других диаметров окружности сопряжения гильзы и золотника [60].

Таблица 2 - Значения зоны нечувствительности ф для О= 32 мм

Диаметр отверстий гидромоторного ряда й, мм Число отверстий гидромоторного ряда п

4 5 6 7 8

2 0,267327 0,183551 0,136427 0,083485 0,074177

3 0,204206 0,120719 0,073304 0,020653 0,011054

4 0,141372 0,05759 0,010181 -0,042469 -0,051778

5 0,077958 -0,00557 -0,052942

6 0,014254

С учетом принятых ограничений можно сделать вывод: при увеличении диаметра гильзы количество работоспособных сочетаний конструктивных параметров увеличивается. Были получены зависимости ширины зоны

нечувствительности от диаметра окружности сопряжения гильзы и золотника и диаметра отверстия гидромоторного ряда (рисунки 3.6-3.10).

Рисунок 3.6 - Зона нечувствительности Рисунок 3.7 - Зона нечувствительности для для Б =22 мм Б = 27 мм

Рисунок 3.8 - Зона нечувствительности Рисунок 3.9 - Зона нечувствительности для для Б = 32 мм Б = 37 мм

Рисунок 3.10 - Зона нечувствительности для Б =42 мм

Графические зависимости, представленные на рисунках 3.6-3.10, аппроксимировались полиномиальными функциями первой степени, результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3 -Уравнения регрессии ширины зоны нечувствительности

Диаметр сопряжения гильзы и золотника О, мм Уравнение регрессии Коэффициент детерминации R2

22 к = 0,6008 - 0,05576п - 0,08946^ 0,94

27 к = 0,5733 - 0,05109п - 0,07054^ 0,95

32 к = 0,5909 - 0,05356п - 0,06194^ 0,94

37 к = 0,5801 - 0,05084п - 0,0539^ 0,95

42 к = 0,5912 - 0,05167п - 0,04974^ 0,96

Использование гидрораспределителя с О < 22 мм ограничено, т.к. на нем можно расположить нужное число отверстий малого диаметра или небольшое число отверстия нужного диаметра. При О > 42 мм использование отверстий малого диаметра увеличивает ширину зоны нечувствительности (угол поворота рулевого колеса для открытия/закрытия отверстия). Отверстия малого диаметра нежелательны из-за возможности облитерации или засорения твердыми частицами, находящимися в масле.

3.4 Зависимость диаметра отверстий от диаметра гильзы и числа отверстий гидромоторного ряда при заданной ширине зоны нечувствительности

Ширина зоны нечувствительности ф во многом определяет геометрические параметры гидрораспределителя. Для расчета градусной меры сегмента дуги I, приходящейся на заданную ширину зоны нечувствительности, от диаметра окружности сопряжения гильзы и золотника (рисунок 2.21) была использована

формула дуги окружности (3.1), по ней выражена формула для расчета градусной меры (3.2) [64]:

1=-щ- ■ (31

360°1

где I - длина дуги окружности сопряжения, м; - градусная мера сегмента дуги.

Рассчитана ширина зоны нечувствительности равная градусной мере части дуги в ^=1 мм, для различных диаметров окружности сопряжения гильзы и золотника (таблица 4).

Таблица 4 -Градусная мера зоны нечувствительности =1 мм от заданного Э

Диаметр окружности сопряжения гильзы и золотника, *10-3 м угол зоны нечувствительности

22 5,2087

27 4,2441

32 3,5809

37 3,0971

42 2,7284

Окружности сопряжения гильзы и золотника равна 360°. Она состоит из п зон нечувствительностей, п числа отверстий, определенного диаметра и п числа проточек, определенной ширины. Принято допущение, что ширина проточки равна диаметру отверстия [64]:

пх° + пуо + 2п(рх° = 360°; (3.3)

= уО; (3.4)

2пх° + 2пфг° = 360о, (3.5)

где х° - градусная мера, приходящаяся на одно отверстие гидромоторного ряда гильзы; у - градусная мера, приходящаяся на одну проточку золотника.

Градусная мера одного отверстия ф°отв:

92 360° -

^°отв =-^-; (3.6)

Отверстия и проточки представляют собой хорды окружности. Длина хорды окружности в общем случае [8]:

»-2-©--©. (3.7)

где m - длина хорды, ф° - центральный угол.

После подстановки 3.6 в формулу 3.7 получаем формулу для расчета диаметра отверстия гидромоторного ряда:

а — D sin (---) — D sin (---). (3.8)

V 4n / V 2n / v J

Используя данные формулы, были получены диаметры отверстий при их заданном числе (таблица 5).

Таблица 5 - Диаметры отверстий гидромоторного ряда d мм при ^=1мм.

Диаметр окружности сопряжения гильзы и золотника D, мм

Число отверстий, n 22 27 32 37 42

4 3,8005 4,7762 5,7518 6,7273 7,7026

5 2,9468 3,729 4,5115 5,2937 6,0757

6 2,3751 3,0279 3,6806 4,3333 4,9857

7 1,9657 2,5257 3,0856 3,6455 4,2051

8 1,6582 2,1485 2,6386 3,1287 3,6186

На основе полученных данных были построены графические зависимости (рисунок 3.11 и 3.12).

Из графиков можно сделать вывод, что увеличение диаметра отверстий й прямо пропорционально увеличению диаметра гильзы В и обратно пропорционален увеличению числа отверстий п.

9

б, мм

8 7 6 5 4 3 2 1 0

Рисунок 3.11 - Графические зависимости изменения диаметра отверстий ё от диаметра гильзы Б при ширине зоны нечувствительности 1мм

9

б, мм

8 7 6 5 4 3 2 1 о

22 27 32 37 0, мм 42

Рисунок 3.12 - Графические зависимости изменения диаметра отверстий ё от числа отверстий п при ширине зоны нечувствительности 1мм

Данные таблицы 5 представлены в графическом виде на рисунке 3.13. Зависимость, представленная на рисунке 3.13, была аппроксимирована полиномом второй степени с коэффициентом детерминации R2=0,98:

а= 3,135 + 0,318^-1,139п- 0,0002497 D2 - 0,0266 Dn + 0,1022n2 (3.9)

п=4

п=5

п=6 п=7

п=8

8

(1, мг 6

4

2

Б, мм

4

Рисунок 3.13 - Зависимость диаметра отверстия ё от диаметра окружности сопряжения гильзы и золотника В и числа отверстий п при фиксированной ширине зоны

нечувствительности

3.5 Зависимость времени запаздывания от геометрических параметров

гидрораспределителя

Одной из задач работы было определение времени запаздывания т системы рулевого управления от геометрических параметров гидрораспределителя, т.к. этот параметр определяет насколько машина управляема и как реагирует на задающее воздействие от рулевого колеса. Время запаздывания в значительной степени зависит от ширины зоны нечувствительности ф1.

На рисунках 3.14. - 3.18 в качестве примера представлены зависимости времени запаздывания т от диаметров ё и числа отверстий гидромоторного ряда п для различных диаметров окружности сопряжения гильзы и золотника В.

Рисунок 3.14 - Время запаздывания Рисунок 3.15 - Время запаздывания

гидросистемы для В = 22 мм гидросистемы для В = 27 мм

Рисунок 3.16 - Время запаздывания Рисунок 3.17 - Время запаздывания

гидросистемы для в= 32 мм гидросистемы для В = 37 мм

Рисунок 3.18 - Время запаздывания гидросистемы для В = 42 мм

Зависимости, представленные на рисунках 3.14-3.18, аппроксимированы полиномом первой степени и представлены в таблице 6.

Таблица 6 -Уравнения регрессии времени запаздывания гидросистемы рулевого управления т = /(О, ё., п)

Диаметр окружности сопряжения гильзы и золотника В, мм Уравнение регрессии Коэффициент детерминации R2

22 т = 0,579 - 0.053п - 0.088й; 0,96

27 т = 0,56- 0,05п- 0,07а, 0,95

32 т = 0,582 - 0,052п - 0.062й; 0,95

37 т = 0,575 - 0,051п - 0,053^; 0,96

42 т = 0,583 - 0,051п - 0,049й. 0,97

По полученным зависимостям можно сделать вывод, что с увеличением диаметра окружности сопряжения гильзы и золотника время запаздывания т увеличивается.

3.6. Влияние рабочего объема гидромотора отрицательной обратной связи на

быстродействие гидроцилиндра

В рассматриваемой гидросистеме имеет место отрицательная обратная связь, поэтому на показатели качества переходных процессов (в частности время переходного процесса), помимо конструктивных параметров гидрораспределителя, существенное влияние оказывает гидромотор, который выполняет функцию элемента отрицательной обратной связи, особенно его рабочий объем. Рассмотрены гидромоторы с рабочим объемом д1=80*10-6м3, д2=125*10-6м3, д3=160*10-6м3, д4=200*10-6м3, д5=250*10-6м3. Для определения влияния рабочего объема гидромотора отрицательной обратной связи были изучены переходные процессы перемещения штока (рисунок 3.20) и скорости перемещения штока исполнительного гидроцилиндра (рисунок 3.19) при диаметре его поршня 50 мм.

Рисунок 3.19 - Переходные процессы изменения скорости перемещения штока гидроцилиндра в зависимости от рабочего объема гидромотора отрицательной обратной связи

Установлено, что с увеличением рабочего объема гидромотора отрицательной обратной связи возрастают значения исследуемых параметров, это обусловлено тем, что за единицу времени через проходное сечение проходит больший объем жидкости в исполнительный гидроцилиндр. Чтобы совершить один и тот же маневр при большем рабочем объеме гидромотора отрицательной обратной связи необходимо повернуть руль на меньший угол.

~0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1с 1

Рисунок 3.20 - Переходные процессы изменения перемещения штока гидроцилиндра в зависимости от рабочего объема гидромотора отрицательной обратной связи

Рисунок 3.21 - Изменение скорости перемещения штока исполнительного гидроцилиндра в зависимости от рабочего объема гидромотора отрицательной обратной связи и площади

проходных сечений окон гидромоторного ряда

На основе анализа влияния рабочего объема гидромотора на динамические характеристики ГРМ была получена зависимость скорости перемещения штока исполнительного гидроцилиндра от рабочего объема гидромотора отрицательной обратной связи и площади проходных сечений окон гидромоторного ряда, которая описана уравнением регрессии с коэффициентом детерминации R2=0,9862:

у= 0,0007473+0,38488-0,000469Ц. (3.10)

Таким образом для улучшения управляемости АГ необходимо обеспечить синхронизацию углов поворота рулевого колеса и передних управляемых колес.

3.7. Устойчивость системы рулевого управления автогрейдера

Система рулевого управления является типичной системой автоматического регулирования, в состав которой входит контур отрицательной обратной связи. К данной системе применимы все требования, предъявляемые к системам автоматического регулирования (следящим системам):

- устойчивый режим работы;

- качество переходных процессов;

- статическая точность.

Оценка переходных процессов проведена по следующим показателям [119]:

- колебательность (м) - отношение двух максимальных отклонений выходной величины (^тах1 и ^тах2) от установившегося значения, выраженное в процентах

^ = ^тах1 # 100%. (3.П)

^шах2