CC BY
80
УДК 625.768.5:531.3
СИСТЕМА ПРИВОДА ЩЕТКИ АЭРОДРОМНОЙ УБОРОЧНОЙ МАШИНЫ С ДРОССЕЛЬНОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ РАБОТЫ ГИДРОМОТОРОВ
А.Т. РЫБАК, А.И. МАРТЫНЕНКО, М.В. УСТЬЯНЦЕВ
(Донской государственный технический университет)
Предлагается математическая модель, которая позволяет проводить теоретические исследования системы привода щетки аэродромной уборочной машины, оснащенной синхронной гидравлической системой на базе мембранного дроссельного делителя потока.
Ключевые слова: аэродромная уборочная машина, синхронная гидравлическая система, мембранный дроссельный делитель потока.
Введение. Аэродромная уборочная машина, общий вид которой приведен на рис. 1, предназначена для очистки ото льда и снега взлетно-посадочных полос и рулежных дорожек аэродромов.
Рис. 1. Внешний вид аэродромной уборочной машины ДЭ-224А
Схема системы привода щетки уборочной машины изображена на рис. 2. Она включает дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), гидравлические насосы Н1 и Н2, установленные на одном валу с возможностью параллельной работы в системе, два одинаковых гидромотора М1 и М2, также включенных параллельно и приводящих в движение вал барабанного щеточного устройства (далее - барабан) через цепные передачи Ц1 и Ц2.
Механическая система включает машину, состоящую из тягача и шарнирно присоединенного к нему полуприцепа. Впереди тягача установлен снегоочистительный отвал для предварительной очистки покрытия от снега. На полуприцепе машины расположен параллелограмный механизм с вращающимся барабаном щеточного устройства, производящего окончательную зачистку поверхности аэродрома от снега. Барабан закреплен на заднем звене параллелограмного механизма, опирающегося на пневматические колеса, которые обеспечивают копирование аэродромного покрытия.
Рис. 2. Расчетная схема системы привода щетки уборочной машины
Постановка задачи исследования. Проведенные ранее исследования аэродромной уборочной машины показали, что механическая система машины не оказывает существенного влияния на
работу системы привода щетки [1]. В результате исследований были также получены оптимальные параметры системы привода щетки, обеспечивающие ее работу в наиболее экономичном режиме - с минимальным расходом горючего на единицу полезной работы [2].
Также выявлена целесообразность применения дроссельной синхронизации работы гидравлических моторов в системе привода щетки. Целью настоящей работы является разработка математической модели, которая позволила бы проводить теоретические исследования системы привода щетки аэродромной уборочной машины, оснащенной синхронной гидравлической системой на базе мембранного дроссельного делителя потока.
Математическая модель системы привода щетки. В качестве источника энергии рассматриваемой системы привода используется дизельный двигатель внутреннего сгорания ЯМЗ-238А. В математической модели опишем его работу через механические характеристики [3] изображенные на рис. 3.
Для удобства использования характеристик двигателя в математической модели, применяя соответствующие компьютерные программы, запишем в виде полиномов:
/
>
/
/ /
/ Г
/
) ч
1 /
1, /
п, об/мин
Рис. 3. Механические характеристики ДВС ЯМЗ-238 (линии Мк1 и N61) и ЯМЗ-238А (линии Мк2 и N62)
Ne1: - 2,447 • 10-5 • Ne13 + 6,867 • 10 3 • Ne12 + 0,591- Ne1 - 27,504 = 0;
Ne2: -1,381 • 10-5 • Ne23 + 5,029• 10 3 • Ne22 + 0,169• Ne2 + 24,122 = 0;
Mkl : 4,192 • 10-6 • Mk13 - 3,321 • 10-3 • Mk1 - 0,709 • Mk1 +123,242 = 0;
Mk2: 3,209 • 10-6 • Mk23 - 2,8 86 • 10 3 • Mk22 + 0,648 • Mk2 +118,625 = 0.
Вал насосов напрямую связан с валом ДВС, а потому можно записать, что
Юн = Юдвс ,
где юн и юдВС - угловые скорости вращения общего вала насосов и вала ДВС соответственно. При этом
Чвс = ~г (МДВС - МН1 - МН2 - Мтр ) ,
J пр.Н
где JnpH - приведенные к валу ДВС моменты инерции насосов и других вращающихся элементов; МдВС, МН1 и МН2 - крутящий момент, создаваемый ДВС, и моменты сопротивления вращению вала со стороны роторов гидронасосов Н1 и Н2 соответственно; Мтр - момент сопротивления сил трения.
Моделирование гидравлической системы привода щетки произведем, используя методологию, основанную на применении объемной жесткости системы гидравлического привода [4]. Для этого разделим всю гидравлическую систему привода условными точками на участки (рис. 2), для каждого из которых будет выполняться условие
dp- = Ср(а2.х -О,),
где dpi - приращение давления в i-й точке рассматриваемой гидравлической системы за время dt; Спр - коэффициент приведенной объемной жесткости соответствующего участка гидравлической системы, определяемый с учетом сжимаемости рабочей жидкости и деформации механических элементов системы [5]; IQBX - сумма всех расходов рабочей жидкости, поступающих в рассматриваемый объем системы за время dt; IQBHX - сумма всех расходов рабочей жидкости, отводимых из рассматриваемого объема системы за то же время;
Определим изменение давления в гидросистеме во время переходного процесса, принимая за время (t = 0) момент начала переключения распределителя Р2 из режима перелива в рабочее положение. В этом случае площади живых сечений каналов распределителя можно определить по формулам:
facP2 = 0 для t = 0 ;
facP2=fOTKp t/AtOTKp для AtoTKp > t > 0
facP2 Уоткр для t — AtOTKp ;
fadP2 Уоткр для t = 0 ;
fadP2=fоткр( 1 -t/AtOTKp) для AtoTKp > t > 0;
fadP2 = 0 для t —AtOTKp ,
где facР2, fadР2 и fadР2 - площади живых сечений соответствующих каналов распределителя в момент времени ^ (/асР2 = ^2); А^откр - время полного переключения золотника распределителя; У0ткр - площадь живого сечения полностью открытого канала распределителя; ^ЬР1 - площадь живого сечения полностью открытого канала аЬ распределителя Р1 {/аЬР1=/0ткр). Динамическая модель гидравлической системы будет описываться дифференциальными уравнениями:
р1 ~ Спр1 (0-Н1 ~ ^-2 ~ QКП1) ' Р2 _ Спр2 (Й-2 _ ^1) '
Рз ~ Спр3 (QР1 _ Q3-5 ) ' Р4 _ Спр4 (QН2 _ QКП2 _ Q4-5 ) '
Р5 _ Спр5 (&4-5 + Q3-5 _ QР2 ) ' Рб ~ Спр6 (QасР2 ~ Q6-7 ) '
где р1 -р6 - величина давления в соответствующих точках расчетной схемы; Спр1-Спр6 - коэффициенты приведенной объемной жесткости соответствующих участков расчетной схемы; 0Н1,2 - действительная подача соответствующих гидравлических насосов; бкш,2 - расходы рабочей жидкости через соответствующие предохранительные клапаны; QР1 и QР2 - полные расходы рабочей жидкости через гидравлические распределители Р1 и Р2; QacР2 - расход рабочей жидкости в канале ас распределителя Р2; Q1-2, Q3-5, Q4-5 и Q6-7 - расходы рабочей жидкости на соответствующих участках гидравлической системы.
Динамика работы синхронной системы привода щетки на базе дроссельного делителя потока мембранного типа с переменными гидравлическими сопротивлениями типа плоский клапан может быть описана с использованием той же методологии [6].
Приращение давления рабочей жидкости в различных точках делителя потока по мере ее продвижения определим по уравнениям:
Р7 = Спр7 ^6-7 — 01 — Ш ;
Р8,9 = Спр8,9(07—8,7—9 + Qобв1,2 — Qч1,2) ;
Р10,11 = Спр10,11 (0ч1,2 — Qм.э1,2 — Qрег1,2) ;
Р12,13 = Спр12,13(—0обв1,2 + 0мэ1,2) ;
Р14.15 Спр14,15 (0рег1,2 0вых.1,2 ^ Qшт — Qотв) ;
Р16,17 = Спр16,17(0вых.1,2 Q16-18,17-19 ) ;
Р18,19 = Спр18,19 (016 -18,17-19 QМ1,М2) ;
Р20,21 = Спр2О,21(0М1,М2 — Q20-22,21-22 ) ,
где р7 -р21 - величина давления в соответствующих точках расчетной схемы; Спр7-Спр21 - коэффициенты приведенной объемной жесткости соответствующих участков расчетной схемы; 01,2 - действительные расходы рабочей жидкости в соответствующих ветвях дроссельного делителя потока ДП; 0обв1,2 - расходы рабочей жидкости через обводные каналы соответствующих ветвей ДП, вызванные перемещением его регулирующего элемента; 0ч1,2 - расходы рабочей жидкости через соответствующие чувствительные элементы, делителя потока;
0м.э1,2 - расходы рабочей жидкости, вызываемые перемещением мембранных элементов соответствующих ветвей ДП; 0рег12 - расходы рабочей жидкости через переменные сопротивления регулятора соответствующих ветвей ДП; 0вых1,2 - расходы рабочей жидкости через выходные каналы соответствующих ветвей ДП; 0шт - расход рабочей жидкости, вызванный движением толкателя (штока переменного сечения) регулятора; 0отв - расход рабочей жидкости, вызванный перемещением мембранных элементов регулятора относительно соответствующих отверстий; 0М1 и 0М2 - полные расходы рабочей жидкости через гидравлические моторы М1 и М2; 07-8, 07-9, 016-18,017-19, 02О-22 и 021-22, - расходы рабочей жидкости на соответствующих участках гидравлической системы.
Приращение давления рабочей жидкости в сливных магистралях гидравлической системы привода определятся по уравнениям:
Р 22 = Спр22 (020 —22 ^ 021—22 — 022 23 ) ;
Р23 = " Спр23 (022 —23 + 0М3 0ДР 023—25 ) ;
Р24 = Спр24 (0слР2 — 024—25 ) ;
Р 25 = Спр25 (023 —25 ^ 024—25 — 025 26 ) ;
Р 26 = Спр26 (025 26 + 029 26 — 0вс .Н2) ;
Р27 = " Спр27 (0ДР — 0 Ф 027—28 ) ;
Р 28 ^пр28 (027 -28 6КП4) ;
Р29 = ^пр29 (6КП1 + 0КП2 + бсл.Упр -029-26 ) ,
где р22-р29 - величина давления в соответствующих точках расчетной схемы; Спр22-Спр29 - коэффициенты приведенной объемной жесткости соответствующих участков расчетной схемы; 6М3 - расход рабочей жидкости через гидравлический мотор стеклоочистителя М3, 6М3 = 0; 6кП4 - расход рабочей жидкости через предохранительный клапан КП4; 6вс.Н2 - расход рабочей жидкости всасываемой насосом Н2; 6Ф и 6дР - расходы рабочей жидкости через фильтр Ф и дроссель Др соответственно; бсл.Упр - расход рабочей жидкости в сливной системе управления гидравлическими цилиндрами, 6сл.Упр = 0; 622-23, 623-25, 624-25, 625-26, 627-28 и 029-26, - расходы рабочей жидкости на соответствующих участках гидравлической системы; 0слР2 - полный расход рабочей жидкости на сливе гидрораспределителя Р2 .
Расходы рабочей жидкости через местные гидравлические сопротивления, входящие в уравнения расчета приращения давлений, определим с учетом свойств гидромагистралей и гидравлических аппаратов по формуле [7]
6 = ^сопр^2Рвх - Рвых|^п(Рвх - Рвых ) ,
где цсопр - коэффициент расхода соответствующего гидравлического сопротивления; ^сопр - площадь живого сечения соответствующего гидравлического сопротивления; Рвх и Рвых - соответственно давление рабочей жидкости на входе и выходе рассчитываемого гидравлического сопротивления; р - плотность рабочей жидкости.
Потери давления на различных участках трубопровода гидравлической передачи можно определять по известной зависимости
АРтр = Р^т
'тр г”тр и 4^2
тр тр
где АРтр - потеря давления на рассматриваемом участке трубопровода; Итр, 1тр и ,Ртр - диаметр, длина и площадь живого сечения рассматриваемого участка трубопровода соответственно; ^тр - коэффициент гидравлического трения трубопровода, который определяется с учетом режима течения жидкости и свойств трубопровода; 6тр - расход рабочей жидкости на рассматриваемом участке трубопровода.
Расход рабочей жидкости на участках трубопровода можно определить, выражая его из уравнения потерь давления, либо по расходному уравнению, при этом ^сопр = ^тр, а коэффициент расхода определяется как приведенный коэффициент расхода трубопровода (ртр.пр):
= 1 ^сопр ^тр.пр I
\ тр ^ Т
тр
Скорость движения регулирующего элемента делителя потока определим из уравнения его движения:
Иу
трег = (Рэф1 2 - Ршт )(Р12 - Р13) + Ршт( Р14 - Р15 ) + Ротв (Р15 - Р14) +
+ тС^о.нар -^отв)(Р11 + Р15 - Р10 - Р14 ) + С^эф1.2 -^о.нар)(Р11 - Р10) + (6рег1 - 6рег2 ) ,
2 ^отв
где ^шт - площадь поперечного сечения штока (толкателя) в его расширенной части; ^отв и ^онар - площади дросселирующего кольца седла переменных гидравлических сопротивлений по внутреннему и наружному диаметрам соответственно; трег и урег - масса и ско-
рость перемещения подвижной части регулирующего элемента ДДП (мембранные элементы совместно с штоком) соответственно.
Расходы рабочей жидкости через гидравлические машины, входящие в уравнения расчета приращения давлений, определяются с учетом свойств гидравлические машины по формулам
бц.М1,2 _ П WM!,2^W.1,2.1 ; бц.Н1,2 _ По.Н1,2^Н1,2^ДВС ;
По.М1,2
Qbc.H2 _ ^Н2^ДВС ; По.ГМ _ 1 _ (1 _ По.ГМ.ном ) ,
Рном.ГМ
где ,2 - действительные расходы рабочей жидкости проходящие через гидромоторы М1 и М2; Q^m,2 - действительные расходы рабочей жидкости проходящие через гидронасосы Н1 и Н2; wM1,2 и wH1,2 - характерные объемы соответствующих гидромоторов и гидронасосов; ПоМ1,2 и поН1,2 - объемные коэффициенты полезного действия соответствующих гидромоторов и гидронасосов; по.ГМ - текущие значения объемных коэффициентов полезного действия соответствующей гидромашины; по.ГМ.ном - номинальные значения объемного коэффициентов полезного действия соответствующей гидромашины, принимаются равными объемным коэффициентам полезного действия гидромашины при номинальном давлении; рном.ГМ - номинальное давлении соответствующей гидромашины; рГМ - текущее значение перепада давления на соответствующей гидромашине; юЗв1л,2л - угловые скорости вращения звездочек 1.1. и 2.1, непосредственно установленных на валы соответствующих гидромоторов, скорости вращения которых определятся по уравнениям:
Чм1 _ J (ММ 1 _ МЗв.1.1 ) ; Чм2 _ J (ММ 2 _ МЗв.2.1) ;
J пр.М1 J пр.М2
ММ1 _ ^М1( Р 20 _ Р18 )Пм.М1 ; ММ 2 _ ^М2(р21 _ Р19)Пм.М2 ;
1
1
^Зв1.2 _
"^пр.ЗвЛ.2
Пц1 i МЗв1.1 Мщ1.2
ц.п
^Зв2.2 _
Jnp.3B.2.2
Пц2 i МЗв2.1 Мщ2.2
ц.п
Мщ = М+ ^Ющ ,
где юМ1,2 - угловые скорости вращения валов соответствующих гидромоторов; ММ1 и Мм2 - крутящие моменты, развиваемые соответствующими гидромоторами; МЗвЛл и МЗв.21 - моменты сопротивления вращению валов гидромоторов со стороны соответствующих звездочек; •/пр.Ми - моменты инерции вращающихся частей, приведенные к валам соответствующих гидромоторов; Упр.Зв.1.2,2.2 - моменты инерции насосов вращающихся частей, приведенные к валам соответствующих звездочек; пц1,2 - коэффициенты полезного действия соответствующей цепных передач; МщЛ.2,22 - моменты сопротивления вращению со стороны щетки, приведенные к валам звездочек 1.2 и 2.2; Мщ - полный момент сопротивления вращению щетки со стороны очищаемой поверхности; М - постоянная составляющая момента сопротивления вращению щетки; у - коэффициент пропорциональности, который определяет зависимость момента сопротивления вращению щетки со стороны очищаемой поверхности от скорости ее вращения, вычисляется экспериментально [8]; юЗв1222 - угловые скорости вращения звездочек 1.2. и 2.2, непосредственно установленных на валу барабана щеточного устройства.
Расход через предохранительный клапан определяется из условия:
если РКП < Ртах.КП , то QкП = 0 ;
если РКП > Ртах.КП , то 0кП = бном.КП ^ ,
ном.КП
где ртахКП - давление настройки предохранительного клапана; Qном.КП - номинальный расход через предохранительный клапан; рКП - величина давления на входе соответствующего пре-
дохранительного клапана; Д/>ном.КП - перепад давления на предохранительном клапане при номинальном расходе.
Определение параметров источника энергии (ДВС). После построения нагрузочной характеристики системы можно определить потребные параметры источника энергии, в нашем случае
- ДВС. Соответствующие рассчитанным значениям юм и Мм, величины угловой скорости вращения вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) юдВС и необходимые для ее обеспечения крутящий момент и мощность ДВС МдВС и ^ВС определим по формулам
(
МДВС _ рн
WH1 + WH2
^ДВС МДВС® ДВС ,
Пдвс
, Пм.Н1 Пм.Н2 J
где Пм.ш,2 - механический коэффициент полезного действия соответствующих насосов;
ПДВС - коэффициент полезного действия ДВС.
Заключение. Предлагаемая модель системы привода аэродромной уборочной машины позволяет произвести ее динамический расчет с учетом взаимного влияния всех элементов системы (источника энергии, силового гидравлического привода и механической системы) друг на друга и осуществить подбор и оптимизацию их параметров.
Библиографический список
1. Жаров В.П. Динамическая модель гидромеханической системы аэродромной уборочной машины / В.П. Жаров. А.Т. Рыбак, А.В. Корчагин // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.
- 2006. - № 2. - С. 68-73.
2. Артюнин А.И. Моделирование и оптимизация динамики аэродромной уборочной машины / А.И. Артюнин, В.П. Жаров, А.Т. Рыбак // Проблемы механики современных машин: материалы 3-й междунар. конф. - Улан-Удэ, 2006. - Т.3. - С. 130-136.
3. Чернышев Г.Д. Двигатели ЯМЗ-236, ЯМЗ-238. / Г.Д. Чернышев [и др.]. - М.: Машиностроение, 1968. - 230 с.
4. Рыбак А.Т. Совершенствование методики расчета систем приводов технологического оборудования / А.Т. Рыбак, И.В. Богуславский // Вестн. машиностроения. - 2010. - № 10.
- С. 39-47.
5. Богуславский И.В. Научно-методологические основы проектирования приводов технологических машин / И.В. Богуславский, А.Т. Рыбак, В.А. Чернавский. - Ростов н/Д: ИУИ АП, 2010.
- 276 с.
6. Рыбак А.Т. Моделирование синхронной гидромеханической системы и анализ ее динамики / А.Т. Рыбак, В.П. Жаров // СТИН. - 2007. - № 2. - С. 6-10.
7. Рыбак А.Т. Гидромеханические системы. Моделирование и расчет: монография /А.Т. Рыбак. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008. - 145 с.
8. Корчагин А.В. Динамика аэродромной уборочной машины: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Ростов н/Д, 2007. - 18 с.
Материал поступил в редакцию 14.03.11.
References
1. Jarov V.P. Dinamicheskaya model' gidromehanicheskoi sistemy aerodromnoi uborochnoi mashiny / V.P. Jarov. A.T. Rybak, A.V. Korchagin // Izv. vuzov Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki. - 2006.
- № 2. - S. 68-73. - In Russian.
2. Artyunin A.I. Modelirovanie i optimizaciya dinamiki aerodromnoi uborochnoi mashiny / A.I. Artyunin, V.P. Jarov, A.T. Rybak // Problemy mehaniki sovremennyh mashin: materialy 3-i mejdu-nar. konf. - Ulan-Ude, 2006. - T.3. - S. 130-136. - In Russian.
3. Chernyshev G.D. Dvigateli YaMZ-236, YaMZ-238. / G.D. Chernyshev [i dr.]. - M.: Mashinost-roenie, 1968. - 230 s. - In Russian.
4. Rybak A.T. Sovershenstvovanie metodiki rascheta sistem privodov tehnologicheskogo oboru-dovaniya / A.T. Rybak, I.V. Boguslavskii // Vestn. mashinostroeniya. - 2010. - № 10. - S. 39-47. - In Russian.
5. Boguslavskii I.V. Nauchno-metodologicheskie osnovy proektirovaniya privodov tehnologiches-kih mashin / I.V. Boguslavskii, A.T. Rybak, V.A. Chernavskii. - Rostov n/D: IUI AP, 2010. - 276 s. - In Russian.
6. Rybak A.T. Modelirovanie sinhronnoi gidromehanicheskoi sistemy i analiz ee dinamiki / A.T. Rybak, V.P. Jarov // STIN. - 2007. - № 2. - S. 6-10. - In Russian.
7. Rybak A.T. Gidromehanicheskie sistemy. Modelirovanie i raschet: monografiya / A.T. Rybak.
- Rostov n/D: Izdatel'skii centr DGTU, 2008. - 145 s. - In Russian.
8. Korchagin A.V. Dinamika aerodromnoi uborochnoi mashiny: avtoref. dis. ... kand. tehn. nauk.
- Rostov n/D, 2007. - 18 s. - In Russian.
BRUSH DRIVE SYSTEM OF AERODROME SWEEPER WITH HYDROMOTOR THROTTLE SYNCHRONIZATION
A.T. RYBAK, A.I. MARTYNENKO, M.V. USTYANTSEV
(Don State Technical University)
A mathematical model that enables to pursue a theoretical study on the brush drive system of the aerodrome sweeper fitted with the synchronous hydraulic system based on the membranous throttle flow divider is offered. Keywords: aerodrome sweeper, synchronous hydraulic system, membranous throttle flow divider.
