Моделирование автоматической системы горизонтирования крутосклонной мобильной машины с гидравлическим датчиком крена Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 62-522.2 В. И. ГРИЩЕНКО

DOI: 10.25206/1813-8225-2019-164-11-18 . .

А. Л. ТУМАКОВ М. с. ПОЛЕШКИН М. С. КИЛИНА Д. Д. ДЫМОЧКИН

Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГОРИЗОНТИРОВАНИЯ КРУТОСКЛОННОЙ МОБИЛЬНОЙ МАШИНЫ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ДАТЧИКОМ КРЕНА_

Статья посвящена моделированию элементов системы горизонтирования мобильной машины с использованием гидравлического датчика, управляющего гидромеханической системой. Выполненный обзор современных систем горизонтирования мобильных машин позволил определить критерии оценки качества таких систем и подготовить схемотехническое решение, в основе которого используется мембранный гидравлический датчик. Разработанная математическая модель управляющего датчика крена позволяет исследовать процесс горизонтирования при изменяющихся условиях эксплуатации крутосклонной мобильной машины. Выполнен вычислительный эксперимент в программной среде Matlab Simulink, на основе модулей подпрограммы Simscape, с применением численных методов, позволивший идентифицировать процессы при изменяющихся нагрузках на шасси мобильной машины. Доказана работоспособность предлагаемого решения на примере гидромеханической системы крутосклонного комбайна «Дон 1200К», определены рабочие диапазоны функционирования гидромеханической системы горизонтирования и ее динамические качества. Найденные закономерности раскрывают зависимости: угловых и линейных перемещений системы горизонтироания; изменения давления в мембранных камерах датчика крена; расхода жидкости через дроссель и перемещений золотника управляющего гидрораспределителя; нагрузки на телескопических гидроцилиндрах шасси; скорости перемещения плунжеров гидроцилиндров системы горизонтирования.

Полученные результаты могут быть использованы при модернизации имеющихся мобильных машин, а также при создании новых крутосклонных технологических и транспортных машин с улучшенными характеристиками. Использование разработанных математических и компьютерных моделей позволит сократить затраты времени и средств при проектировании систем горизонтирования мобильных машин, разработке опытных образцов и пусконаладочных работах.

Ключевые слова: системы горизонтирования, гидравлический датчик крена, крутосклонные машины, математическое моделирование, Matlab Simulink, динамические характеристики.

Введение. Работа технологической машины машин и сельскохозяйственной техники для рана склоне, холмистом рельефе — это сложная боты в холмистых и горных условиях представле-ситуация для оператора-водителя и проблема вы- но ограниченное количество систем и устройств полнения качественного технологического про- горизонтирования положения их остова, плат-цесса [1, 2]. В настоящее время на рынке высоко- формы или рабочего механизма, которые фикси-технологичных крутосклонных технологических руют изменение рельефа на склонах под углами

о

го >

наклона до 20 градусов и автоматически выравнивают машину [3 — 4]. При этом акцент делается на разработку и внедрение конструкторских решений, обеспечивающих их работоспособность. Одновременно возникает проблема повышения эффективности функционирования существующих конструкций датчиков крена [5, 6], разработки методик анализа и синтеза их рациональных и оптимальных параметров на основе математического моделирования с использованием современных информационных технологий. Эта проблема актуальна при непрерывно возрастающей конкуренции на рынке высокотехнологичных крутосклонных технологических машин и сельскохозяйственной техники с системами горизон-тирования [1]. В связи с вышеизложенным целью работы является разработка математических моделей, отражающих функциональные зависимости между основными параметрами устройств и механизмов горизонтирования с использованием современных информационных технологий и ПО. Математическая модель силовой нагрузки гидроцилиндров горизонтирования, при изменении угла склона, позволит определять текущие значения их нагрузок в процессе автоматического бокового выравнивания технологической машины и использовать ее при моделировании работы гидропривода АСГ (автоматической системы горизонтирования). Математическая модель мембранного датчика крена позволит решать задачи анализа и синтеза как его составных частей, так и датчика в целом и использовать ее при моделировании работы гидропривода АСГ.

Математическая модель. При работе на склоне автоматической системы горизонтирования технологической машины, на примере комбайна «Дон-1200К» [7], нагрузка гидроцилиндров выравнивания изменяется в зависимости от угла склона [8, 9]. Расчетная схема распределения силовой нагрузки гидроцилиндров при изменении угла склона, разработанная применительно к зерноуборочному комбайну, представлена на рис. 1.

Математическую модель, описывающую воздействие силовой нагрузки на гидроцилиндры горизонтирования при изменении угла склона, получали по правилам теоретической механики из условия, что

Рис. 1. Схема силовой нагрузки на гидроцилиндры горт зр нтиров ания при изменении угла склона

Полузенные математические модели изменения силовых нагрузок Hl и H2 на гидроцилиндрах горезонтирования при измен ении угла склона имеют нид:

= Ле-[я- (сг>о(а(г')))2 + Z • сго(а(г)) • оЬ(а(г))] () Н(Я • соо(р(р))

Н2()) е

• [я • (соо(орг)))2 н Z ( соо ((^(г)) • oin((p(())] 22- • coo(o((()))

. (4)

Задараясь интервалом изменения угла склона а, нмзвимер, от 0° до 10° и параметрами физиче гкой модели техн ологга вс1сой муша-ны (принммая Мо-=4^р00 Н — г-м- пустого Зун -не]аас и Сг=67960 Н — для бункера с зерном; Z= 1,4 м — коогдиниту центра тяжести; Ь= 1, 901 -з, можно ^осиучитм завтсгмрстъ н<ггрузки на силс-вых цилирдрах от угла склона.

Коэфрисщенты изменения нагрузки гидроцилиндров при режиме мвгаматтпрсосуо аоризон-тирования определяютмя по (У^ормууз-^ам:

Km()) н

над

НЩ

K2m)i) е

ЛГ • l(i) е Н1(г) • Я(Н) - Н2(z) • Я) )

а (

КСт) е

H2i

Н 2)нС)

над

НЦ-С)

(5)

где <3Т — ме с уамбайна ( 1С() т -0 • ггсп(м( ()) и И(() т и • соо(м( ()) — текущее значение длины плеч иилосых нагрузок на гидроциоша/смах горизонриросуная при изменении угла склона; МЦ () т рЯ1 • сугсас ()), рЗс () т р3 • согсас ()), рЗр) т ГГТ п Мl(г), — текущие значения силовых нагрузок на гидроцилиндрах горизонтирования при изметрнхи угла с^она.

После преобразования выражения (1) полу-

чаем:

[z ■ соо(оО)) ( sin)p+)) -I- о00) ((^(°)(( е 2Н2С(г) - -Я - с»<г:с((^(г)(.

(2)

Полученная математическая модель силовых нагрузок гидроциеидр ов +оризсзн^и+ов^=^:ния п о-зволяет определить их текущие значения в процессе автомьтического бокового выравнивания технологический м++шны.

Для исслидования мембранвого датчиеа крена и гидросистемы в аналитических выражениях и символах Matlab SimulinO [10, 11] использовали буквенные обозначения оараоьтроу приведенные в табл. 1 и табл. 2.

Для математического моделирования и исследования гикавшие ских си стем горизонтирования в давной работе иепольаовали мротраммное обеспечение SimHydraulics — среда моделирования дво инженерного проектирования и имитации гидрае;шуоскьх систем в MatlabSimulink, а также Simscape — основную библиотеку

Геометрические и кинематические параметры матмодели

№ Параметр Обозначение Значение Единицы

1 Угол склона сф) 0...5...10 градусы

2 Интервалы варьирования } — 1...9...19

3 Расстояние между центрами мембран 1 1,94 м

4 Перепад высот между центрами мембран при наклоне датчика крена ад 0.0,337 м

5 Эффективная площадь мембраны 5т(;) 9,53^10-3 м2

6 Перемещение жесткого центра мембраны Хт (0...2,37...4,73)^10-3 м

7 Диаметр трубопровода датчика йр 1210-3 м

8 Диаметр дросселя йШ 3^10-3 м

9 Скорость перемещения жестких центров мембран датчиков, м/с У1, У2 0...0,6^10-3 м/с

10 Сила предварительного сжатия пружины Ро 3 Н

11 Сила действия пружины по центру нижней мембраны при наклоне датчика крена ПД 3...5,3?...7,73 Н

12 Сила давления жидкости по центру нижней мембраны при наклоне датчика крена Р2Д 29,645 Н

13 Сила действия пружины по центру верхней мембраны при наклоне датчика крена РпД е.,.о,бз... 0.-1,73 Н

14 Гидростатическое давление по центру нижней мембраны при наклоне датчика крена РД 744 Па

15 Жесткость пружины С 1 Н /м м

16 Длина трубопровода 1 2,1 м

81ти1тк для моделирования таких объектов. Это позволяет строить модели объектов для различных задач анализа и разработки систем горизон-тирования технологических мобильных машин [10, 11].

Математическая модель, разработанная для датчика крена, представлена уравнениями расхода жидкости через дроссель, изменения давления в камерах и уравнениями движения мембранного элемента датчика [12, 13].

При этом принимали в качестве допущений постоянство площади мембраны датчика 5т1 и сил сопротивления движению мембраны, со-

4ш -1

V р

Ош 'Т' ^л 2 ре - Ро - Рр), (6)

средотоиеоных в о .оду результирующую Я [14]. Расчетная схема дат-ика представлена на рис. 2.

Для определения изменения давлений в камерах датчика кренд тлияющих на его функцио- р нирование, нсзобходимо найти объемный расход рабочей жидкости (дизтопливо) между камерами датчика. Объемный расход жидкости между камерами датчика крена можро определить как расход жидкости через дроссель (рис. 2) по фор- | муле:

>

13

Гидрдвечеокие параметры математической модели

№ Параметр Обозначение Значение Единицы

1 Удекеныб кео рзбочзй жидкости У 8613 Н/м3

2 Плдтнтезь рдбочеРжидкости Р 878 кг/м3

3 Коэффициент кинематической вязкости рабочей жидкости V 6-10-6 м2/с

4 Расдод жидкости чедез дзоссель от 2-10-5 м3/с

5 Изменение расхода при перемещении кембраны От 6-10-6 м3/с

6 Коэффициент расхода дросселя Да 0,66

7 Начальный объёмжидкости в камерахдатчика 0,199-10-3 м3

8 Изменение объёма жидкости в дакеррх щт1 0,237-10-3 м3/с

9 Коэффициент гитравлического трения X 32

10 Суммарный коэффициент местного сопротивления 2,7

11 Модуль упругодо жо.кости в датчике Е 4,2-107 Па

12 Приддендые массы жидкости т1 0,279 кг

т2 0,279

где

Рр б

А.--0- и —

V - ,

о-р-ое

сР. -

Ор0 бО-Он)-<н

^ИГ б(-Одш+О°н е )-

(7)

(8)

(9)

Движение центров мембран датчика крена описывается следующими уравнениями, с учетом вышеупомянутых допущени й:

dv 1 _ р1 ■ Ящ! ~ С1 • (х01 + Хт1)~

т

Ии2 мм

р2 • $т2 СС • (х02 + Хт2) ^2

(10)

(11)

т

Полученная математическая модель может быть решена различными численными методами (методы Эйлера, Рунге — Кутта, и т.д.) или с помощью специальньк вычислительных программ, таких как МаНаЪ, МаШсаё и т.п. Модель позволяет оценивать перехоньые процессы, возникающие

Рис. 2. Расчетная схема датчика крена мембранного типа

в датчике крена при различных управляющих воздействиях (изменениях угла наклона).

Разработанная Б1тиИпк модель гидропривода АСГ создана в виде подсистемы, имеющей входы и выходы для взаимодействия с подсистемой датчика крена в общей БтиИпк-модели технологической машины [9].

Результаты экспериментальных исследований. Результаты динамического расчета гидропривода АСГ в графической форме приведены на рис. 3-8.

При въезде технологической машины на склон с параметром угла а, равным пяти градусам, ее корпус с закрепленным на нем датчиком

а)

б)

Рис. 3. Угловые и линейные перемещения системы АСГ

а)

б)

Рис. 4. Давление в мембранных камерах 1 и 2

а) б)

Рис. 5. Перемещение жесткого центрамембрандатчика крена

крена, отклоняется от горизонта на параметр Л = 0,122 м (рис. 3).

Через промежуток времени ( = 2,2 с срабатывает блок выходного контроля и начинается процесс горизонтирования, угол наклона и смещение корпуса машины уменьшаются и на отметке времени ( = 3,1 с — равны нулю, а датчик крена принимает горизонтальное положение.

Давление на жесткий центр мембраны нижней рабочей камеры датчика крена возрастает и при максимальном перемещении мембран Хт = 3,540-3 м на отметке времени ( = 2,8 с со-

ставсшет 820 Па (рис. 4а и 5а), а на жестком центре верхней мембранной камеры, наоборот, уменьшается до 100 Па (рис. 5б).

Расход жидкости через дроссель датчика винтервале времени от ( = 0,8 с до ( = 2,2 с изменяется незначительно: от ОСг т л,4 • Л0~5 до ОСг т л,2 • Л0~5 м3/с, а на отметке ( = 2,8 с — 0йг=0. Далее Ойг меняет знак и затем возвращается к нулевому значению (рис. 7а).

Динамическая характеристика перемещения управляющего золотника (рис. 6б), на отметке времени срабатывания его электромагнита,

о

го >

а) б)

Рис. 6. Расход жидкости через дроссель и перемещения золотника гидрораспределителя

Ус1, м/с

а) б)

Рис. 7. Нагрузка на телескопических гидроцилиндрах

Ус2, М/С

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3,5 с а)

0 0.5 1 1.5 б)

Рис. 8. Скорость движения плунжеров гидроцилиндров

( = 2,2 с, имеет скачок Уго1 т 6,0 • 10" м, а на отметке ( = 3,1 с золотник возвращается в нейтральное положение УгЫ = 0, что соответствует окончанию процесса выравнивания корпуса машины.

Изменение нагрузки на гидроцилиндрах, заданной как функция угла склона [15—17], по-

казано на рис. 7. Нагрузка при горизонтиро-вании на нижнем гидроцилиндре возрастает до 2,14-104 Н, а на верхнем — уменьшается до 2,16104 Н.

Перемещение плунжеров гидроцилиндров (рис. 8) на отметке времени ( = 3,1 с составило

Xc = 0,06 м. Динамические характеристики скорости перемещения плунжеров гидроцилиндров в интервале времени от t = 2,2 с до t = 3,1 с имеют установившееся значение Vc = 0,075 м/с, характерное для таких систем [18]. На отметке времени t = 2,2 с, в момент начала перемещения плунжеров гидроцилиндров, имеет место скачок скорости до Vc =0,1 м/с [19, 20].

Выводы. Разработанные математические модели в среде Simulink, как совокупность моделей подсистем датчика и гидропривода сложной АСГ крутосклонной машины, позволили решить задачи анализа и оценки параметров ее основных устройств. Выполненные экспериментальные исследования подтверждают работоспособность разработанных моделей подсистем АСГ, которые позволяют определять ее рациональные параметры и диапазоны функционирования, что актуально при совершенствовании других типов мобильных и стационарных машин.

Библиографический список

1. Жалнин Э. В. Основные требования к перспективной системе зерноуборочных машин // Модернизация сельскохозяйственного производства на базе инновационных машинных технологий и автоматизированных систем: сб. докладов XII Междунар. науч.-техн. конф. Всерос. на-уч.-исслед. ин-т механизации сельского хоз-ва. М.: Известия, 2012. С. 623-631.

2. Щербаков В. С., Зырянова С. А., Корытов М. С. Система автоматизированного моделирования стрелового грузоподъемного крана: моногр. Омск: СибАДИ, 2009. 106 с.

3. Щербаков В. С., Корытов М. С., Григорьев М. Г. Автоматизация проектирования устройств управления положением платформы строительной машины: моногр. Омск: СибАДИ, 2011. 119 с. ISBN 978-5-93204-576-3.

4. Семенов С. Е., Андреев М. А. Алгоритм горизонти-рования транспортной платформы // Инженерный вестник. 2014. № 10. С. 12-18.

5. Lu L., Wang X., Wang H. Leveling System Controlled by Electro-hydraulic Proportional Valves in self-propelled modular transporter (SPMT) // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2014. Vol. 5, Issue 6. P. 1250-1254.

6. Сущенко О. А. Математическая модель системы определения курса в режиме точного горизонтирова-ния // Вгсник национального авiацiйного ушверситету. 2006. Т. 1, № 27. С. 52-56.

7. Сороченко С. Ф. Конкурентоспособность зерноуборочных комбайнов, предназначенных для работы на склонах // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2016. № 9 (143). С. 158-164.

8. Тумаков А. А., Полешкин М. С., Ульяненко Д. С. [и др.]. Автоматизированная система управления гидроприводом горизонтирования мобильной машины // Инновации, экология и ресурсосберегающие технологии (ИнЭРТ-2014): материалы XI Междунар. науч.-техн. форума, 7-10 окт. 2014 г. / ДГТУ. Ростов н/Д, 2014. С. 577-597.

9. Зорченко М. Ю., Тумаков А. А. Исследование силовой нагрузки гидроцилиндров горизонтирования крутосклонной технологической машины в режиме бокового выравнивания // Молодой исследователь Дона. 2017. № 3 (6). С. 29-34.

10. Хант Б. Р. Matlab R2007 с нуля: пер. с англ. М.: Лучшие книги, 2008. 352 с. ISBN 978-5-93673-095-5.

11. Чен К., Джиблин П., Ирвинг А. Matlab в математических исследованиях: пер. с англ. М.: Мир, 2001. 346 с. ISBN 5-03-002821-8.

12. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро-и пневмосистем. М.: Машиностроение, 1976. 424 с.

13. Tumakov A. A., Grishchenko V. I, Kozhukhova A. V. Mathematical modeling of the sensor tilt membrane type // Procedia Engineering. 2017. Vol. 206. P. 421-426. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.10.495.

14. А. с. 1675129 СССР, МПК В 60 G 21/05. Система автоматической стабилизации положения остова крутосклонного транспортного средства / Негодов В. Н., Тумаков А. А., Чернавский В. А. № 4660528; заявл. 09.03.89; опубл. 07.09.91, Бюл. № 33.

15. Щербаков В. С., Корытов М. С., Григорьев М. Г. Алгоритм работы системы автоматического горизонтирования опорной платформы строительной машины // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6, № 3. С. 88-91.

16. Мушкин О. В., Николаева Н. Д., Труханов В. М. Оптимизация системы горизонтирования и вывешивания платформы // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2015. № 11 (173). С. 61-65.

17. Григорьев М. В. Система автоматической стабилизации платформы // Вестник СибАДИ. 2009. № 3 (13). С. 54-58.

18. Аверченков В. И., Федоров В. П., Хейфец М. Л. Основы математического моделирования технических систем. Изд. 2-е, стер. М.: Флинта, 2011. 274 с. ISBN 978-59765-1267-2.

19. Смолинский С. В. Технические принципы устойчивости работы машинных агрегатов на склоне // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2015. Т. 3, № 9-3 (20-3). С. 164-168.

20. Сидоренко В. С., Антоненко В. И., Фридрих Р. А. [и др.]. Сельскохозяйственные машины: теория, расчет, конструкция, использование: моногр. Зерноград: АЧГАА, 2013. Т. 7, ч. 2. 696 с. ISBN 978-5-91833-133-0.

ГРИЩЕНКО Вячеслав Игоревич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидравлика, гидропневмоавтоматика и тепловые процессы». 8Р1Ы-код: 1839-5387 ЛиШогГО (РИНЦ): 544150 Адрес для переписки: vig84@yandex.ru ТУМАКОВ Александр Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Гидравлика, гидропневмоавтоматика и тепловые процессы». 8Р1Ы-код: 1232-4663 АиШогГО (РИНЦ): 774736 Адрес для переписки: tumakov40@mail.ru ПОЛЕШКИН Максим Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидравлика, гидропневмоавтоматика и тепловые процессы». 8Р1Ы-код: 9550-9990 АиШогГО (РИНЦ): 730446

Адрес для переписки: poleshkin.maks@gmail.com КИЛИНА Мария Степановна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидравлика, гидропневмоавтоматика и тепловые процессы». 8Р1Ы-код: 8039-0060 АиШогГО (РИНЦ): 790940

Адрес для переписки: Mariya-kilina@yandex.ru

о

го >

ДыМОчКин Денис Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидравлика, гидропневмоавтоматика и тепловые процессы». 8Р1Ы-код: 8580-4935 ЛиШотГО (РИНЦ): 765380

Адрес для переписки: dydedmi_77_06_02@mai1.ru

тической системы горизонтирования крутосклонной мобильной машины с гидравлическим датчиком крена // Омский научный вестник. 2019. № 2 (164). С. 11-18. Б01: 10.25206/1813-8225-2019-164-11-18.

Для цитирования

Грищенко В. И., Тумаков А. А., Полешкин М. С., Килина М. С., Дымочкин Д. Д. Моделирование автома-

Статья поступила в редакцию 21.01.2019 г. © В. и. Грищенко, А. А. Тумаков, М. С. полешкин, М. С. Килина, Д. Д. Дымочкин

УДК 621.9.015:629.014.7

йО!: 10.25206/1813-8225-2019-164-18-22

М. и. БИСЕРИКАН С. В. ПЕТРОЧЕНКО К. В. АВЕРКОВ

Омский государственный университет путей сообщения,

г. Омск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВАГОННОГО КОЛЕСА ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТИ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С РЕЛЬСОМ

Выполнен анализ процессов, протекающих при взаимодействии колеса с рельсом. Проведены исследования процессов, протекающих при взаимодействии колеса с рельсом по методу подобия. Визуально проконтролировано возникновение контактно-усталостных поверхностных дефектов. Сделан вывод о связи максимальной высоты волнистости на поверхности ролика и скорости повреждения его поверхности. Построена зависимость, позволяющая определить число циклов воздействия приложенной к поверхности ролика нагрузки, в зависимости от макроге-ометрических параметров его поверхности. Сделаны выводы об ускорении развития контактно-усталостных дефектов при увеличении макрогео-метрических отклонений.

Ключевые слова: контактно-усталостные явления, износ, усталостный дефект, колесо повышенной твердости, взаимодействие колеса и рельса, механическая обработка.

Движение колеса грузового вагона по рельсу характеризуется значительными динамическими нагрузками, изменяющимися в широких пределах. В связи с этим возрастают механические напряжения в ободе колеса, что вызывает ускорение процесса накопления усталостных повреждений и скорости абразивного изнашивания трущихся поверхностей. Для уменьшения данного эффекта был изменен химический состав стали, применяемой для производства колес грузовых вагонов, за счет увеличения значения временного сопротивления до ав = = 1020-1180 МПа и твердости до НВ = 3200-3600 МПа, при сохранении значения ударной вязкости КСи = 16 Дж/см2 [1]. В результате

данного мероприятия уменьшилось число отцепок грузовых вагонов на неплановые ремонты в результате износа по таким дефектам как прокат поверхности катания на 30-35 % и подрез гребня на 45-54 %. Вместе с тем было отмечено увеличение числа отцепок по термомеханическим повреждениям — ползунам на поверхности катания и усталостным повреждениям — выщербинам [2]. Наличие выщербин на поверхности катания колеса является фактором, напрямую влияющим на эксплуатационный ресурс колес. Колесные пары с подобными дефектами изымаются из эксплуатации и подвергаются восстановлению профиля поверхности катания за счет лезвийной обработки на специализированном