CC BY
38
РАЗДЕЛ I. ТРАНСПОРТНОЕ, ГОРНОЕ И СТРОИТЕЛЬНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 681.587.34:621.878.25
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОПРИВОДА РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОГРЕЙДЕРА
B.C. Щербаков1, Ю.Е. Ионоеа2 1ФГБОУ ВО «СибАДИ», г. Омск, Россия; 2 ФГБОУ ВО «ОмГГУ», г. Омск, Россия
Аннотация. Рассмотрены зависимости поворота передних управляемых колес и складывания шарнирно-сочлененной рамы от хода штоков гидроцилиндров. Предложен механизм синхронизации поворота передних управляемых колес и складывания шарнирно-сочлененной рамы. Получен гидравлический коэффициент пропорциональности между рабочими объемами гидромоторов отрицательной обратной связи и площадями гидроцилиндров поворота колес и складывания шарнирно-сочлененной рамы. Приведен алгоритм ведения автогрейдера по заданной траектории.
Ключевые слова: автогрейдер, гидропривод рулевого управления, исполнительный гидроцилиндр, алгоритм, поворот колес, следование по траектории.
ВВЕДЕНИЕ
Немаловажным фактором при проведении строительных работ является маневренность автогрейдера. Изменение направления движения путем поворота передних управляемых колес осуществляется за счет использования гидравлического рулевого механизма (ГРМ). Синхронизация поворота передних управляемых колес и складывания шарнир-но-сочлененной рамы (ШСР) автогрейдера позволит улучшить маневренность машины и повысить ее конкурентоспособность на мировом рынке.
ПОВОРОТ ПЕРЕДНИХ УПРАВЛЯЕМЫХ КОЛЕС
Посредством рулевой трапеции и системы тяг при появлении управляющего воздействия от рулевого колеса происходит поворот передних управляемых колес. Максимальный угол
поворота передних колес составляет <45° На рисунке 1 представлена кинематическая схема поворота передних управляемых колес с гидроцилиндром поворота колес. Положительным направлением угла т будет поворот колес вправо, угол -т -угол поворота колес влево[1,2].
Рисунок 1 - Кинематическая схема поворота передних управляемых колес
Были получены зависимости между углом поворота колес и ходом штока гидроцилиндра:
апК = b sin т, (1)
где апк - ход штока гидроцилиндра, м; b - расстояние от оси колес до крепления штока гидроци-линдра(конструктивныйразмер),м; т- уголповорота колес.
C^K.T^/V.Kt^lEt/VHI/llE ШАРНИРНО-СОЧJ1ЕН-ННОЙ РАМЫ
Для складывания ша рнирно-сочлененно й р a^^b^inc^nользуются два гидроцилиндра, работающие в противофазе и закрепленные вблизи кабины на моторной раме (рисунок 2).Максимальный угол складывания рамы <Ыа°[3,Ы].
Рисунок 2 - Кинематическая схема складывания шарнирно-сочлененной рамы Зависимость меаду углом складывания LUCP и ходом штока гидроцилиндра:
&ШСР
= гз + 'б — 2l cosА;
(2)
аШСР =
М
l + l2 + U + 15 - 2 + l\ ¡l + 1 5 cosí,
(3)
где 11,12,13, \4,15,1(5 - известные конструктивные размерырамы, Л - угол скл адывания рамы; -ход шсока правого гидроцил индра.
В работе[5] установлено, что для движения п ередних и задних колес по однойколее (рисунок 3) зчол скл адывания шарнирно-сочлененной рамы должен быть п римерно в два раза меньше угла по в орота пе реднихуп р авляемых колес:
^1=-ж2,
(4)
где кн - кинематически й коэффициент пропорциональности.
В общем случае расход жидкости, необходимый для перемещения шток а исполнительного гидроцилиндра,равен:
Р = Ннн',
(5)
где S -рабочая площадь гидроцилиндра, -скорость перемещения штока гидроцилиндра.
Расход жидкости для перемещения штока гидроцилиндра передних управляемых колес:
@пК — ЛЬ соб т',
(6)
г,£^е т - скорость перемещения штока гидроцилиндра.
Расход жидкости для перемещения штока гидроцилиндров ШСР:
°вср — л
шср
+ /1- 21316 зт Я',
(7)
где 00 - скорость плремещения —тока гидроцилиндра.
П^дложел гидравлический коэффициент п ропорциональности к- отношение расходов жидкости гидроцилиндров складывани- ШСР и поворота передних колес:
к2 —
°вср
@пк
(8)
Рабочий объем гидромотора отрицательной обратной связи можно рассчитать пофор-муле[6,7,8]:
Латах Яттп Чтт^,
(9)
Рисунок 3 - Схема поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой
где атах- максимальный ход штока гидроцилиндра; - интервал времени для поворота колес из одного крайнего положения в другое; - число оборотов в единицу времени; - число оборотов рулевого колеса; =5, т.к. при работе в аварийном состоянии оператор должен совершить поворот колес из одного крайнего положения колес вдругое за5 оборотов рулевого колеса^ . - минимальное граничное значение рабочего объема гидромотора
Рисунок 4 - Фрагмент модернизированной схемы гидравлической принципиальной гидросистемы
рулевогоуправления автогрейдера
Чтт
(10)
Гидравлический коэффициент пропорци-ональностик рабочих объемов гидромоторов отрицательной обратной связи:
к =
<?ШСР БШСРаШСР
^ПК
Ба
ПК
(11)
где qшcp - рабочий объем гидромотора отрицательной обратной связи ШСР; qпк- рабочий объем гидромотора отрицательной обратной связипереднихуправляемых колес.
МОДЕРНИЗАЦИЯ ГИДРОСИСТЕМЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОГРЕЙДЕРА
Для обеспечения движения передних и задних колес по одной колее и выполнения условия (11) было предложено модернизировать гидросистему рулевого управления. На рисунке 4 изображен фрагмент схемы гидравлической принципиальной гидросистемы рулевого управления автогрейдера.
В предложенной системе рулевого управления автогрейдером к рулевому колесу 1 и рулевой колонкой 2 подключен механизм синхронного поворота «М» 3. К механизму синхронного поворота подключен уже имеющийся гидравлическим рулевым механизмом (ГРМ1), поворота передних управляемых колес и дополнительный гидравлический рулевой механизм (ГРМ2), вход которого соединен с насосной станцией 6, а выходы соединены с гидроцилиндрами поворота шарнирно-сочле-ненной рамы10.
Угол поворота задается рулевым колесом 1, которое через рулевую колонку 2 и механизм синхронного поворота «М» 3 вращает золотники, входящие в состав гидрораспределителей 4 и 5 на одинаковые углы, которые подают жидкость, поступающую от насосной станции 6, проходящую через соответствующие гидромоторы отрицательной обратной связи 7 и 8, соответственно в гидроцилиндры поворота передних колес 9 и гидроцилиндры поворота хребтовой рамы относительно моторной 10.
За счет различных рабочих объемов гидромоторов отрицательной обратной связи 7 и 8 реализуется соотношение между углами поворота передних управляемых колес и складывания хребтовой рамы относительно моторной с целью движения передних и задних колес автогрейдера по одной колее.
Предложенная система рулевого управления автогрейдера позволяет осуществлять синхронный поворот передних управляемых колес и хребтовой рамы относительно моторной рамы с целью движения передних и задних колес автогрейдера по одной колее, что позволит повысить маневренность и мобильность автогрейдера.
ДВИЖЕНИЕ АВТОГРЕЙДЕРА ПО ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ
Начало
' Габаритные 1
к- размеры АГ,
1 к=Л/г, V, !та1 ' \
Расчет координат габаритного коридора
(Координаты габаритного коридора
нет Построение траектории движения
Построение габаритного коридора
Конец
Рисунок 5 - Блок-схема алгоритма движения автогрейдера по заданной траектории
В процессе; выполнения работ автогрейдер со в ершает движение по различным траекториям. Разработан алгоритм ведения автогрейдера по заданной траектории, суть которого заключается в разбивании траектории движения на условные участки и расчет углов наклона касательных к границам этихучастков, при этом разность последующего и предыдущего угла будет давать угол поворота передних управляемых колес. Блок-схема алгоритма представлена на рисунке 5.
Для выполнения алгоритма необходимо ввести исходные данные:
- габаритные раз меры автогрейд ера;
- гидравлический коэффициент пропорци-он а льностик;
- количество шагов i;
- уравнение траектории движения;
- длина траекторииЬ.
Последовательно производится расчет ми-нимальногоперемещения Дх вдоль оси х, расчет углов поворота колес и ШСР, координат х и у траектории движения автогрейдера и ширины габаритного коридора.
В качестве п римера представ лена траектория движение автогрейдера по синусоиде у = A sin (wt). По алгоритму получе на траекто-риядвижения оси машины иширинагабарит-ного коридора(рисунок 6).Угол по ворота колес т в точках х представлен на рисунке 7.
3
A, м 2
1
-2 -3
л зво со л с э / Т] за ектс Р ия
/
2 0 4 0 6( 0
0 L, м 1 0
аво г <0 лесс
Рисунок 6 - Траекториядвижения автогрейдера (у) и ширина габаритного коридора
30 т,
20
10 0 -10 -20 -30
о
2 10 4 10 6 10 8( 10 i 10
Рисунок 7 - Угол поворота колес т в точкахх1
По графику на рисунке 7 можно сделать вывод что угол поворота колес составляет менее 200, что является допустимым для выполнения условия4, являющегося требованием для ведения передних и задних колес по одной колее с сохранением минимальной ширины габаритного коридора при входе в поворот и удовлетворяющего требование на максимальный угол поворота колес и складывание ШСР.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для ведение передних и задних колес автогрейдера по одной колее с целью уменьшения габаритного коридора предложена модернизация гидросистемы рулевого управления, заключающаяся в подключении к рулевой колонке через механизм синхронизации дополнительного ГРМ, управляющего поворотом ШСР.
Разработанный алгоритм позволитпрове-сти автогрейдер по заданной траектории с минимальной шириной габаритного коридора.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Щербаков B.C. Научные основы повышения точности работ, выполняемых земле-ройно-транспортными машинами: дис. д-ра техн. наук: 05.05.04. Омск. 2000. 416 с.
2. Портнова, A.A. Зависимость угла поворота передних колес автогрейдера от хода штока гидроцилиндра поворота /A.A. Портнова II Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона (Омскресурс - 3 - 2013): матер. III Межвуз. науч. конф. студ. и аспир. / отв. ред. Т.П. Ковтун, A.A. Начвина. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. - С. 204 - 206.
3. Заболоцкий Ф.Д. Автогрейдер. 2-е изд. М.: Транспорт, 1970. - 182с.
4. Алексеева ТВ., Артемьев К.А., Бром-берг А.А.и др. Дорожные машины. Машины для земляных работ, изд. 3-е,перераб. и доп. /Т.В. Алексеева, К.А. Артемьев, A.A. Бромберг и д р./— М.: Машиностроение, 1972. — 504 с.
5. Портнова, A.A. Зависимость между углами поворота передних управляемых колес и шар-нирно-сочлененной рамы автогрейдера / A.A. Портнова // Омский научный вестник. - Омск: ОмГТУ, 2013. - Вып. 3 (123). - С. 157 - 159.
6. Башта Т.М. Гидропривод игидропневмо-автоматика. Москва: Машиностроение, 1972. -320 с.
7. Л юбимовБ.А.,Ч ервяков E.H. Обоснование схеми осн овныхпараметров унифициро-ванныхобъемных гидропрриводов рулевого
0
управления колесных тракторов / Б.А. Лю- 8. Галдин Н.С. Основыгидравликиигидро-
бимов, Е.Н. Червяков //Тр. НАТИ.- М., НАТИ, привода: уч. пособие. - Омск: Изд-воСибАДИ, 1975. -Вып.242. -С.31-38. 2006. - 145 с.
IMPROVING THE HYDRAULIC DRIVE OF THE MOTOR GRADER
V. S. Sherbakov,Yu.E. lonova
Annotation. The dependences of the turning of the front steerable wheels and the folding of the articulated frame off displacement of the rods of the hydraulic cylinders are considered. The machinery for synchronizing the turning of the front steerable wheels and folding the articulated frame is proposed. The hydraulic coefficient of proportionality between the working volumes of the negative feedback hydraulic motors and the displacement of the rods of the hydraulic cylinders turning the wheels and folding the articulated frame is obtained. The algorithm of motion the motor grader for a given trajectory is given.
Keywords: motor grader, hydraulic steering, executive cylinder, algorithm,turning of wheels,trajectory tracking.
REFERENCES
1. ShherbakovV.S. Nauchnye osnovy povy-shenija tochnosti rabot, vypolnjaemyh zemleroj-no-transportnymi mashinami [Scientific basis for increasing the accuracy of work performed by earth-moving machines]. Doctor's thesis. Omsk, 2000. 416 p.
2. Portnova A.A. Dependence of the angle of turning of the front wheels of the motor grader from displacement of the rods of the hydraulic cylinder of the turn. Prirodny e iintellektual'nye resursy Omskogo regiona. Mater. III Mezhvuz. nauch. konf. stud. iaspir. Omsk, OmSTU, 2013. pp. 204-206.
3. Zabolockij F.D Avtogrejder [Motor grader]. Moscow, Transport, 1970. 182 p.
4. Alekseeva T.V., Artem'ev K.A., Bromberg A.A. Dorozhnye mashiny. Mashiny dlja zemljanyh rabot [Road machines. Machines for excavation works]. Moscow, Mashinostroenie, 1972. 504 p.
5. Portnova A.A. Dependence between the angles of turnion of the front steerable wheels and the articulated frame of the motor grader.Omskij nauchnyj vestnik, 2013, no. 3 (123). pp 157-159.
6. Bashta T.M. Gidroprivod I gidropnev-moavtomatika [Hydraulic drive and hydropneu-moautomatics]. Moscow, Mashinostroenie, 1972. 320 p.
7. Ljubimov B.A., Chervjakov E.N. Substantiation of schemes and basic parameters of unified
volumetric hydraulic steering gears for wheeled tractors. trudy NATI, Moscow, RTI, 1975, no.242. pp. 31-38.
8. Galdin N.S. Osnovy gidravlik I igidroprivo-da: uch. posobie [Fundamentals of hydraulics and hydraulic drive: a manual] Omsk, SibADI, 2006. 145 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Щербаков Виталий Сергеевич (Омск, Россия) - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов и электротехника» ФГБОУ ВО «СибАДИ».(644080, г. Омск, пр. Мира, 5, e-mail: [email protected]).
Vitaliy S. Sherbakov (Omsk, Russia) - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department "Automation of industrial processes and electrical", The Siberian Automobile and Highway University (644080, Omsk, pr. Mira, 5, e-mail: [email protected]).
Ионова Юлия Евгеньевна (Омск, Россия) - преподаватель кафедры «Инженерная геометрия и САПР» ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет» (644080 г. Омск, пр. Мира, 11, e-mail: juliqmer@ gmail.com).
Yuliia E. lonova (Omsk, Russia) - lecturer department of Engineering geometry and CAD, Omsk State Technical University (644080, Omsk, pr. Mira, 11, e-mail: [email protected] ).
