CC BY
20
УДК 629.35.02.001.57
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЩДРАМИЧЕСКОГО НАСОСА МЕХАНИЗМА ОПРШЦДЦВАНИЯ КАБИНЫ
ГРУЗОВОГО АВТОМОБИЛЯ
С.Н. Шуклинов, проф., д.т.н., МЮ Залогин, ассисг., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Разработана методика определения функциональных параметров гидравлического насоса с ручным приводом, механизма опрокидывания кабины Представлены основные аналитические зависимости, характеризующие энергетические затраты человека при опрокидывании кабины Отраженырезулътты теорепшеского исследования.
Ключевые слова: гидравлика, механизм опрокидывания кабины, грузовой автомобиль, энергетические параметр,ы, система «человек-машина».
МЕТОДИКА ВИЗНАЧЕННЯ ФУНКЦЮНАЛЬНИХ ПАРАМЕГР1В ПДРАВЛМНСГО НАСОСА МЕХАНВМУ ПЕРЕКВДАННЯ КАЫНИ ВАНГАЖНОГО АВТОМОБИЛЯ
СМ Щукпшов, проф., д.т.н., МЮ Залопн, асисг., Харювський нащональний авгомобьльно-дорсжнш ушверситег
Анотащя Разробленометодику визнтення фунщоналъних napcrnempie г1дравл1чного насосаз ручным приводом механ1зму перекидання каани Подано основш ансттичт залежноап, up характеризують енергетичш витрати людини nid час перекидання каоти Шдображено результат теоретичного досл\дження.
Климов слова: г1дравл1ка, мехтгзм перекидання каотц ваштжний автомобыъ, енергетичш параметри, система «людина-машина».
METHOD FOR DETERMINING THE FUNCTIONAL PARAMETERS OF THE HYDRAULIC PUMP OF THE MECHANISM FOR TILTING TRUCK CABS
S. Schuklinov, Prof., D. Sc. (Eng.), M Zalogin, T. Asst., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. A method for determining the functional parameters of the hydraulic pump with a hand-operated cab tilt mechanism is developed. The basic analytical dependences characterizing the energy expenditures of the operator when tilting the cab are presented. The results of theoretical research are presented.
Key words: hydraulics, cab tilting mechanism, truck, energy parameters, man-vehicle system
ЕЬедение
Обшрювестщ что требования к рабочему месту водителя в кабине постоянно совершенствуются Совершенствование эргономических требований, а также требсваний к функциональней работоспособности водителя, оказывают непосредственное влияние на
массо-габаритные параметры кабины Объясняется это влиянием таких факюрсв как: улучшение эргонсмики и дазайна рабочего места водителя; совершенствсвание архитектуры внутреннего пространства кабины; наличие сервисных кемпоненюв и т.д В результате анализа технических параметр® на примере автемобилей КамАЗ установлено,
что на протяжении последцих 30 лет масса кабины увеличилась на 31,3 % Подобная тенденция прослеживается и на еврспейских аналогах.
Эксплуатация автомобиля, в свою очередь сопровождается техническим обслуживанием систем управления, агрегатов и дригателя, для доступа к которым на транспортном средетве с бескапотной компоновкой необходимо предварительно опрокинуть кабину. Учитывая весовые и габаритные параметры кабины, одцому человеку выполнить данную работу достаточно сложно, что требует от него значительных затрат энергии. Для снижения затрат энергии человека применяют механизмы опрокцдавания кабины, чаше всего - гидравлические. Для опрокцдавания кабины используется гидравлический насос с ручным приводом, а формирующем воздействием является мускульная сила человека, создаваемая на рукоятке насоса. В результате анализа конструктивных исполнений гидравлических насосов установлено, что для снижения энергетических затрат человека могут применяться гидравлические насосы, выполненные совместно с электрическим или пневматическим приводом. Однако такие привода требуют постороннего источника энергии. В этсй связи использование щдрав-лическсго насоса с ручным гриводом является приоритетным Экспериментально усганскле-но, что для спрощдавания кабины челсвек должен ссверпить от 60 до 220 возвратно-постуготельных движений рукоятки с максимальным усилием на ней от 400 до 600 Н [1].
Анализ публикаций
На сегодняшний день разработкой гидравлических компонентов механизма опрокцдава-ния кабины занимаются различные ведушце фирмы, такие как: «Power-Packer», «Weber Hydraulic», «Prva Petoletka» и др. [2-5]. Однако результаты своих разработок указанные фирмы публикуют в качестве патентной информации [6-8], нежели в работах исследовательского характера. К сожалению, в Украине отсутствуют собственные разработки и производители подобных агрегатов, однако потребность на автомобильном рынке существует, например, у автомобильного завода КрАЗ. Также следует отметить, что теоретических исследований, раскрывающих особенности рабочего процесса опрокцдава-ния кабины, авторами не обнаружено.
Цель и постановка задачи
Для проектирования гидравлических компонентов (насос, щдроцщицдр и т.д.) пользуются теоретическими знаниями и практическим опытом, полученными различными учеными в области общепромышленной гидравлики. Это справедливо в случае, когда источником энергии является техническая машина. В случае, когда источником энергии является человек, целесообразно учитывать его функционирование в системе «человек-машина», а именно - энергетические способности человека выполнять какой-либо вцд работы. В этой связи целью работы является совершенствование теоретических основ проектирования гидравлических компонентов механизма опрокцдавания кабины, путем рацронализацци функциональных параметров насоса с ручным приводом на основе энергетического баланса системы «человек-машина».
Теоретические материалы
Определение функциональных параметров насоса сводщся к нахождению рациональных значений: дцаметра поршня; хода поршня; передаточного числа привода насоса. Нахождение рацрональных значений базируется на балансе сил, действующих на поршень при воздействии на рукоятку мускульного усилия человека Бч (рис. 1).
Схема передачи усилия от человека к поршню насоса, с учетом кинематических взаимосвязей, представлена на рисунках 1 и 2. В соответствии с рабочим процесссм насоса, ведушцм звеном является приводаой вал 2, имеющм кинематическую связь с порцнем насоса 5 через кривошип 3 и палец 4. Силы, действуюшце на поршень насоса в режиме нагнетания рабочей жцдрости, отражает схема, представленная на рис. 2. Следует отметить, что режим всасывания рабочей жцд^о-сти при определении функциональных параметров насоса не рассматривается.
Задающее воздействие, формируемое человеком на рукоятке 6, через кривошип 3 и палец 4 (рис. 1, 2) передается на поршень 5. При этом усилие на поршне Бр определяется выражением
Рр=Рч-1, (1)
где Бч - сипа челсвека, прилаженная к рукоятке; 1=Ь/Ь - передаточное число привода насоса;
Ь =
н2 +
'(Г2
- 2 • Н — с08 90 - у + а:
2 ' 1
плечо приложения силы Бр
Рис. 1. Схема привода насоса: 1 - корпус насоса; 2 - приводной вал; 3 - кривошип; 4 - палец; 5 - поршень с манжетой; 6 - рукоятка; ощк - угол поворота приводного вала; Ь - плечо действия силы относительно оси приводного вала; 1 - расстояние от оси приводного вала до оси цилиндра; Бч - усилие человека; Бп - нормальная сила, действующая на поршень; с - расстояние между осью щлицдра и линией действия силы Бп
^Ьксимальное перемещение поршня 5 определяется поворотом кривошипа 3 на максимальный угол Ощах. При этом максимальный ход поршня ушах, при заднном значении угла Оцвх, зависит от угла установки кривошипа у и определяеться выражением [9]:
У = апшх /2 ТО Ушах = 2 • Н • эт
сс„
2
У = атах и У = О ТО Утах = Н ■ яп ап
(2)
Рис.
2. Схема сил, действующих на поршень насоса в режиме нагнетания: D - диаметр поршня; d - диаметр пальца; Н -рддиус кривошипа; Ь - плечо приложения силы Бр; у - ход поршня; У- расстояние между опорными точками поршня;
11 - расстояние между опорной точкой А и линией действия касательной силы Бт;
12 — вькота манжеты; Р - угол установки пальца в исходном положении; а - угол поворота кривошипа; у - угол установки кривошипа; А, В - опорные точки взаимодействия поршня со стенкой гильзы корпуса; 7 - шкворень
Очевидно, что при у = апшх/2 максимальный ход поршня больше, чем при у=ашах и у=0. Следует отметить, что когда поршень находится в начальном и конечном положениях (а, =0 или оц -а^ ) сила, приложенная со стороны пальца к поршню Бр, раскладывается на касательную Бт и нормальную Бп силы
В соответствии со схемой, представленной на рис. 2, касательная сила Бт определяется выражением
=Р -яп у-р-сц • С, (3)
где р = агс^
г (1/2-вт 90-у + а; л Н-сЦ 2-со$ 90 - у + а;
- коэффициент трения в контакте пальца с поршнем.
При перемещении поршня касательная сила Бт равна нулю, при повороте кривошипа на угол а, = аП1ах/2 + р.
Нормальная сипа Бп, участвующая в формировании давления, зависит ог угла поворота кривошипа
ня 5 и корпуса 1. Реакцця К в точке А определяется из уравнения моментов
1*А =
Р^-БДУ-^)
У
(6)
где Ь = 1 + Т)/2—И • со8( у — ОС;) - плечо действия силы Бп.
Рп -сое у-р-а, .
(4)
В режиме нагнетания сипа Бп, формирующая давление жцдрости, определяется уравнением
Рп/'Рр
Б = Б -Б -Б ,
п п тр.п тр.м>
(5)
I
0.95 0.9 0.85 0,8 0.75 0.7 0.65 0,6 0.55 0.5
(■/шах
ССтах 2 < в
20
7—
40
50
Рис. 3. Зависимость отношения Бп /Бр от угла установки кривошипа у в крайних положениях поршня
Сила трения Б^п между поршнем 5 и корпусом 1 определяется нормальной реакцци К и зависит от коэффициента трения £р.п в зоне контакта
р = и • f
тр.п А тр.п'
(7)
где Бтрм - сипа трения манжеты; Б^п - сипа трения поршня о стенку цщицара
При составлении уравнения (5) принято до-пушение, что силы инерцци подрижных частей насоса не учитываются.
На основе анализа формул (3) и (4) можно сделать вывод, что при значении угла а = у+Р касательная сила Бх равна нулю, а нормальная сила Бп равна силе Бр С^рако при увеличении угла поворота кривошипа аку+З сипа Бп значительно уменьшается. Креме этого, установлено, что в случае установки кривошипа в начальном положении, при котором у = 0, сила Бп в конечном положении поршня (рис. 2) уменьшается в дра раза.
Рационально установить кривошип под таким начальным углем у, чтобы сила Бп изменялась незначительно по отношению к силе Бр на где - коэффициент трения манжеты о
корпус; ркср - средцее контактное давление
манжеты на стенку корпуса; рн - давление жцарости в поршневой полости насоса.
Сила трения Б^м, направленная против дри-жения поршня, определяется параметрами манжеты и рабочим давлением жцарости рц [10]
Р^м = Я|)|2
Ря-.ср + Рн •
тр.м
(8)
всем диапазоне углов СКй^Отах. Зависимость отношения Бп/Бр от начальнсго угла устансвки кривопипа у при его максимальном угле Отах=50° псвсрота представлена на рис. 3. Очевцацс, что при максималЕном утсе поворота кривошипа атах=5С° отношение Бп/Бр принимает максимальное значение при установке кривошит под начальным углом
У = атах / 2 + Р .
В режиме нагнетания со стороны корпуса насоса, вследствие действия касательной силы Бт и нормальной силы Бп, возникает реакция К, действующая в месте контакта перш-
Потери давления в порнневей полости насоса определяются полным КЦЦ насоса, который равен произведению механического КЦЦ г|м на объемный КЦЦ п,. При этом объемный КЦД По учитывает утечки жцарости через зазор между поршнем и стенкой цщицара и определяется экспериментальным путем. Известно, что для даного насоса он должен быгь не меньше 0,75 [11, 12]. ^Ъханический
КЦД Пм насоса определяется отношением работы, производимой силами сопротивления на ведомом звене независимо от ее характера, к работе, производимой сипами, приложенными к ведущему звену [13]. Для насоса гидравлического механизма опрокидывания кабины механический КЦД равен
Цм Аз Рч.ур
(9)
где А - полезная работа; А3 - затрачиваемая работа; ур=у1 - перемещение рукоятки.
Соответственно давление в полости насоса при воздействии на рукоятку с усилием Бч определяется выражением,
Р н^чАМ-Ло-Лм,
(10)
где & - ппошадэ поршня насоса; г|о - объемный КЦЦ насоса; г|м - механический КЦД насоса.
Уравнение (10) определяет связь между давлением в рабочей пспости насоса и усилием человека на приводной рукоятке. Известно, что оптимальными давлениями, при которых достигается наибольший экономический эффект при производстве щароцилицара, являются давления в пределах 25-32 МПа [14]. Усилие Бч, развиваемое человеком на рукоятке и необходимое для создания заданного максимального давления жидкости, определяется зависимостью
■р _ Ртах ^п
чел .
1-Лм-Ло
где ртх - максимальное давление.
(11)
Следует отметить, что развиваемое усилие человека и ход рукоятки определяют энергетическую характеристику насоса и знергети-ческие затраты оператора в процессе опрски-дывания кабины При спределеннсм усилии человека Бч затрачиваемая энергия тем больше, чем больше ход рукоятки насоса ур (под ходом следует псништь ту часть хода, которая участвует в генерации энергии). Уменьшение энергии, затрачиваемой человекам на процесс опрокидывания кабины, может быть достигнуто путем изменения передаточнсго числа насоса 1, а также изменения диаметра поршня насоса и его хода.
Для определения рационального значения диаметра поршня насоса и его хода необходимо учитывать характеристику нагрузки, т. е. параметры гидравлического привода механизма опрокидывания кабины На рис. 4 представлена статическая характеристика 1 щаравлического механизма опрокидывания кабины, отражающая зависимость давления рабочей жидкости р ог нагнетаемсго в него объема жидкости V Представленная характеристика отражает энергетическую емкость щаравлического привода. На этом же рисунке изображена характеристика насоса 2 с ручным приводом. Характеристика насоса отражает зависимость давления р ог вытесняемого поршнем объема V рабочей жидкости. Представленная характеристика отражает его энергетическую эффективность при заданном рабочем ходе У поршня и различных значениях его диаметра Б.
2
1
Рис. 4. Характеристика гидравлического механизма опрокидывания кабины 1 - характеристика привода; 2 - характеристика насоса
Отевидцо, что энергетическая эффективность насоса в каждой точке одинакова, при допущении, что КЦД насоса п не зависит ог давления жидкости р. Одцако рабочие параметры насоса (р и V) в каждой точке характеристики различные. При определении рациональных параметров щаравлического насоса необходимо, чтобы энергетическая эффективность насоса равнялась энергетической емкости щлравлического привода. В этой связи рациональные параметры насоса определяются только точкой пересечения характеристики насоса 2 и характеристики привода 1, т. е. рабочими параметрами насоса являются давление р и объем поршневой полости V.
На рис. 5 представлена характеристика механизма опрокидывания кабины автомобиля КамАЗ-55111, полученная при отключенных торсионных валах [1]. Также представлены характеристики четырех насосов, имеющих различные параметры (р и V). Характеристики насосов построены при развиваемом усилии человека Бчел=150 Н на рукоятке насоса для максимального рабочего хода поршня утах, при изменении его диаметра Б по формуле (1С). Значения дааметра поршня Б задавались в диапазоне от 6 до 22 мм При этом объем поршневой камеры насоса V определяется как произведение плошади поршня & И его хода Утах.
Следует отметить, что в точках пересечения статической характеристики 1 с характеристиками насоса 2 или 3 рабочий объем поршневой полости насоса может быгь равен У2 или Уз. Орако эти параметры насоса не раирональны, поскольку заданное максимальное давление жидкости, при котором происходит опрокидывание кабины, не достигается.
Следовательно, для достижения заданного максимального давления жидкости человеку необходимо прикладывать меньшее усилие на рукоятке при соответствующем увеличении рабочих ходов поршня, что при одинаковых массо-габаритных параметрах кабины приведет к увеличению энергетических затрат человека при ее опрокидывании. Также справедливо утверждать, что рациональные параметры насоса не могут определяться характеристикой № 5, так как уменьшение рабочих ходов поршня (за счет увеличения вытесняемого объема рабочей жидкости из поршневой полости насоса) вызовет необходимость увеличить усилие на рукоятке насоса - для достижения заданного максимального давления жидкости, что в конечном итоге приведет к повышению энергетических затрат человека.
Таким образом, рациональные параметры насоса (р и У) будут определяться точкой пересечения его характеристики со статической характеристикой механизма опрокидывания кабины (например, для автомобиля КамАЗ-55111 в точке А (рис. 5)), при условии достижения заданного максимального давления жидкости. При этом затраты энергии человека на опрокидывание кабины будут наименьшими.
Для определения рационального диаметра поршня Бопг насоса воспользуемся зависимостью
Ы V
рч _ 1_ ОПТ
опт~Ц 4 у
¥ * опт
(12)
где Ушг - раииснальное значение хода псрпня
Рациональное значение хода порция уопг определяется как уопг = утах для характеристики насоса в точке пересечения с характеристикой механизма опрскидывания кабины при достижении максималЕной энергоэффективности.
^скульное усилие человека Бчел на рукоятке и ее перемещение ур определяют энергию, которую человек расходует на создание давления р в гидравлическом приводе при вытеснении жидкости заданного объема У
При этом энергия, которую человек расходует за некоторый промежуток времени, выражает мошрость, которую человек развивает Нет при опрокидывании кабины При определении эргшомических параметров рабочего места сператора и его функциональной деятельности необходимо учитывать, что опрокидывание кабины рационально совершать при заданнсй частоте возвратно-поступательных дрижений рукоятки, не превышающей 80 мин-1 (1,33 Гц) [15]. Как отмечалось выше, для оценки механизма опрокидывания кабины было принято допущение, что частота возвртно-поступательных дрижений рукоятки равна ©1=1 Гц
Исследования в области эргономики свидетельствуют о том, что человек способен развивать мошцость [М1ел]=50-60 Вг не уставая [16]. Очевцдцо, что при выборе параметров гидравлического механизма опрокидывания кабины необходимо выполнить условие
N = к
чел ■ чел _
(13)
где Нел - мошцость, развиваемая человеком при опрокидывании кабины
Зная перемещение рукоятки ур насоса и развиваемое усилие Бчел, мошцость, развиваемая человеком Мел при опрокидывании кабины, определяется выражением
^ел=Рчел-Ур-®1-
(14)
Рис. 5. Статическая характеристика гидравлического привода и насоса механизма опроквдыва-ния кабины автомобиля КамАЗ-55111: 1 - характеристика механизма опрокидывания кабины; 2, 3, 4, 5 - характеристика насоса при ходе поршня соответственно упвх=15 мм;
Утах=20 ММ; Утах=27 ММ; Упвх=35 ММ
Следовательно, ход рукоятки можно определить преобразовав выражение (14) относительно искомой величины
УР =
N..
Рчел"®!
(15)
Для определения рапиональнсго значения перемещения рукоятки должно выполняться условие
УР =
I
(16)
где [ ур ] = 0,3 - 0,4 м - допускаемый ход рукоятки насоса [14].
Для определения рационального передаточного числа привода насоса воспользуемся отношением
Ур
(17)
«человек-машина». Следует отметить, что на автомобиле КамАЗ-55111 применяется гидравлический насос, имеющий параметры, соответствующие точке Б (рис. 5). При этих параметрах насоса (V и р) человек способен опрокинуть кабину, развив мощность, не превышающую [Нел], только при совместной работе с сервисным устройством (торсионный вал).
По результатам теоретических исследований разработана конструкция щдравлическсго насоса [17] и изготовлен опытный образец на ПАО «Волчанский агрегатный завод». Экспериментальные исследования, проведенные на автомобиле КамАЗ [1], позволили установить, что предложенная методика позволяет рационально определить функциональные параметры насоса, в результате чего энергетические затраты человека уменьпились на 8 % а время опрскидывания ка(сины - на 18 %
Выводы
У
Таким образом, получены зависимости (12), (15) и (17), необходимые для проектирования гидравлического насоса с ручным приводом, которые учитывают требования к системе
На основании полученных результатов теоретических исследований можно установить, что: усовершенствованная методика проектирования гидравлических компонентов ме-
ханизма опрокцдавания кабины позволяет
снизить энергетические затраты человека на
8 % и время опрокцдавания кабины на 18 %
Литература
1. Клименко В.И Экспериментальное исследование гидравлического механизма опрокидывания кабины / В.И. Клименко, С.Н К^клинов, МЮ Залогин // Весгник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2015. -Вып. 69. - С. 19-28.
2. Компания «Poaer-Packer» / Actuant Goup [Электронный ресурс]. - Режим доступа к ресурсу: http://www.actuant.con]. - 2008. - С. 23.
3. Каталог Prva Petoletka - Promet A. D. Trstenik. [Электронный ресурс]. - Режим доступа к ресурсу: http://www.prvapetoletka-promet.rs. -С. 139-144.
4. Каталог продукции производства РУП «Барановичский автоагрегатный завод»». [Электронный ресурс]. - Режим доступа к ресурсу: http://www.baaz.b . - С. 99.
5. Материалы сайта Weber-Hydraulik. [Электронный ресурс]. - Режим доступа к ресурсу: http://www. weber-hydraulik.con].
6. Pat. 3792747 United States, Int. CL B62d 27/06. Pressure-compensated hand pump / Dale A. Knutson; Applied Power Industries. - № 210484; filed. 21.12.1971
7. Pat. 4110983 United States, Int. CL2 F16D 31/02, F16B 13/09. Air operated hydraulic pump apparatus / Clarence A. Sherman; Terry McDermid - № 805680; filed. 13.06.1977
8. Pat. EP0337302 (A3), Int. CL5 B60R 16/08, B62D 33/06, F04B 23/04. Handpump / Heinz Sonnenrain; Emil weber fabrik fur olhydraulik gnibh. - № 89106081.6; filed. 14.04.1988.
9. Анурьев А. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т.1. / АИ Анурьев; под, ред И. Н Жесгоковой -9-е изд. перераб. и доп. - М.: ^Ьшино-строение, 2006. - 928 с.
10. Токаренко В.М Гидропривод и гцдро-оборудвание автогранаторгных средств: учебное пособие / В.М. Токаренко,
В.З. Терских, А. Л. Столяров. - К.: Либидо 1991. - 232 с.
11. Насосы ручные для опрокидаваюшнх механизмов кабин грузовых автомобилей. Основные параметры, размеры и обшие технические требования, правила приемки и метода испытаний ОСТ 37.001.281-84. - [Введен 1985-07-01]. - М: Министерство автомобильной промышленности, 1984. - 5с. - (Отраслевой стандарт).
12. Автомобильные транспортные средства. Гидроцилиндры и насосы гидравлических механизмов опрокидывания кабин. Технические требования и метода испытаний ГОСТ Р 53807-2010. - М: Стацдартинформ, 2010. - 17 с. - (Национальный стандарт Российской Федерации).
13. Кожевников С.Н ^Ъханизмы справочник / С.Н. Кожевников, ЯИ Ясипенко, ЯМ Раскин; под ред, С. Н. Кожевникова. - 4-е изд., переработ. и доп. - М: ^Ьшиностроение, 1976. - 784 с.
14. Богданович Л. Б. Гидравлические привода: учебное пособие для вузов / Леонид Болеславович Богданович. - К: Виша школа. Головное щд-во, 1980. - 232 с.
15. Ремизов АН ^Ъдиццнская и биологическая физика: учебник для вузов / АН Ремизов, АГ. ^Ьксина, АЯ Потапенко. - 4-е изд., перераб. и доп. - М: Дрофа, 2003. - 560 с
16. Шмвд М Эргономические параметры / Мирослав Шмцд пер. с чешского В. М Мунипова - М: Мир, 1980. -118 с.
17. Пат. 87429 Украгна, МПК F15B 15/00. Насос пдравл1чного мехатзму пцрому кабши / Богомолов В. О., Клименко B.I., Шуклшов С.М, Залогтн МЮ; заявник та патенювласник Клименко B.I. -№ U201309317; заявл 25.07.2013; опубл. 10.02.2014, Бюл. № 3, 4 с.
Рецензент: В.П. Волков, профессор, дт.н., ХНДДУ.
Статья поступила в редакцию 26 сентября 2016 г.
