Теоретические исследования рабочих процессов, протекающих в распределителях гидравлических рулевых механизмов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

УДК 519.87:658.512:681.587.34

А. В. ЖДАНОВ Ю. Е. МЕРКУШЕВА

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

г. Омск

Омский государственный технический университет

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ,

ПРОТЕКАЮЩИХ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РУЛЕВЫХ МЕХАНИЗМОВ

Рассмотрена работа гидравлического рулевого механизма и описаны его основные элементы. Получены графики зависимости влияния жесткости центрирующей пружины и положительного перекрытия каналов гидрораспределителя на формирование переходных процессов в системе.

Ключевые слова: объемные гидроприводы рулевого управления, гидравлический рулевой механизм, жесткость центрирующей пружины, величина угла положительного перекрытия каналов распределителя, математическая модель.

Для управления поворотом тяжелых строительных и дорожных колесных машин (СДМ) наибольшее применение нашли объемные гидроприводы рулевого управления (ОГРУ), которые включают в себя стандартные гидроэлементы и гидравлический рулевой механизм (ГРМ), называемый в различной литературе также насосом-дозатором или гидрорулем. ГРМ — это отдельный агрегат ОГРУ, являющийся сложной динамической системой с обратной связью, функционирующий по определенным законам, к которому предъявляются соответствующие требования. Поэтому выявления закономерностей, связывающих качество рабочих процессов в ГРМ с конструктивными параметрами их гидрораспределителей является актуальной задачей при проектировании данных устройств.

Основными элементами ГРУ, позволяющими дозировать рабочую жидкость в гидроцилиндры поворота пропорционально скорости вращения рулевого колеса, являются гидрораспределитель и гидромотор обратной связи (рис. 1). Гидрораспределитель кранового типа состоит из золотника 1, связанного кинематически с рулевым колесом, гильзы 2, связанной карданным валом 3 с ротором гидромотора обратной связи 4. Центрирование золотника относительно гильзы происходит за счет центрирующих пружин 5.

Работа гидрораспределителя осуществляется в соответствии со схемой (рис. 2). При вращении рулевого колеса управляющий золотник смещается на угол а, открывая при этом проходные сечения каналов гидрораспределителя, при этом поток рабочей жидкости проходит через гидромотор обратной связи в гидроцилиндры поворота, гидромотор обратной связи осуществляет отрицательную обратную связь посредством смещения гильзы золотника распределителя на угол аоС, регулируя при этом площади проходных сечений каналов гидрораспределителя f и, как следствие, расход рабочей жидкости 0ОС на выходе из ГРМ [1].

Гидрораспределитель описывается уравнениями движения золотника, расходов и давлений рабочей жидкости, проходящей через распределитель, и статической нелинейной характеристикой, описывающей зависимость площади проходных сечений каналов распределителя от разницы углов поворота золотника и гильзы [1, 2]:

.2 ,

13 ■—у + Дз --т;- + с(а + ао) + Яз -г3 =М3((); Ш (И М

сЮ

М

= В

(Аа)-8ідп(ррі-рр2)-

'^'Рж'\Ррі~Рр2\~0

(2)

/(Да) =

0, при |Да| < у;

го2агссов| 1- гзАа То

,приу<|Да|<ф; (3)

<Л - гзЛа)\/2гогзАа - (г3&а)2, ¡мах: при |Ла| > ф ,

где а — угол поворота золотника; Да — угол поворота золотника относительно гильзы (регулируемый угол поворота); у — угол положительного перекрытия золотника относительно гильзы; ф — угол максимального открытия проходных каналов гидрораспределителя; МЗ(Ґ) — момент сил, приложенный к валу золотника; О — расход на выходе золотника; р и рр2 — давления на входе и выходе распределителя соответственно; 1З — момент инерции деталей, приведенных к золотнику; кЗ — коэффициент вязкого трения, приведенный к золотнику; с — жесткость пружины, центрирующей золотник; а0 — угол предварительного сжатия пружины; RЗ — сила сухого трения в паре золотник — гильза; гЗ — радиус золотника; г0 — радиус отверстий гидромоторного ряда распределителя; В — коэффициент, учитывающий инерционность столба жидкости; |1 — коэффициент

Рис. 1. Основные элементы гидравлических рулевых механизмов

Рис. 2. Фрагмент схемы регулирования расхода рабочей жидкости, проходящей через гидрораспределитель при повороте вправо

Си

ИГ

сч

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

к

\ 1 1 1

Чс 1 1 1

1 » 1 1

J \ ч

0,2

0,4

0,6

0,8

и с

1,2

1,4

Рис. 3. График переходного процесса скорости вращения гильзы гидрораспределителя при единичном ступенчатом воздействии на золотник 2п рад/с

расхода; ДЛа) — регулируемая площадь проходных сечений гидрораспределителя; рЖ — плотность рабочей жидкости; z — число отверстий гидромоторного ряда распределителя.

Гидромотор обратной связи описывается уравнениями расходов и движения ротора гидромотора [1, 2]:

^2(Хос

<и2

_д (1аос ;

0ос-^~^гЦоВ;

чіросі-Росі)-Мгм(І) + [ЬР\poci - РОС21 ос

1гм

+ +Ь] відп-

(4)

(5)

где Оос — расход рабочей жидкости,проходящей через гидромотор обратной связи; аОС — угол поворота ротора гидромотора; 1ГМ — момент инерции вращающихся частей, приведенных к ротору гидромотора; q — рабочий объем гидромотора обратной связи; роС1 — давление рабочей жидкости на входе в гидромотор; роС2 — давление рабочей жидкости на выходе из гидромотора; МГМ — момент сопротивления на валу гидромотора; Ьр — коэффициент гидромеханических потерь; Ь — постоянная гидромеханических потерь; пОБ — объемный КПД гидромотора.

В ходе совместного решения уравнений (1) — (5) были получены графики переходных процессов в

ГРМ при единичных ступенчатых воздействиях на включение и отключение привода.

Для оценки точности слежения представлен график переходного процесса скорости вращения гильзы гидрораспределителя (рис. 3).

Проанализировав конструктивные параметры рассматриваемой динамической системы, можно отметить, что значительное влияние на формирование переходных процессов оказывает центрирующая пружина гидрораспределителя, поскольку представляет собой упругий элемент, жёсткость которого влияет на колебательность характеристик. Однако в то же время пружина должна возвращать золотник распределителя в нейтральное положение при прекращении воздействия на рулевое колесо, и чем выше ее жесткость, тем меньше будет время отключения.

На графике также наблюдается запаздывание при нарастании характеристики, что вызвано наличием углов положительного перекрытия каналов гидрораспределителя, так называемой зоной «нечувствительности». Из теории автоматического управления известно, что зоны «нечувствительности» улучшают устойчивость систем, однако, вместе с тем, повышают время чистого запаздывания.

Колебательные процессы, обусловленные высокой жесткостью пружины, нежелательны в гидроприводах, но в то же время небольшая жесткость пружины приведет к увеличению времени закрытия окон распределителя. Таким образом, целесообраз-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013

Сэ

о

о*

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

¡0 ДО4 ^Гх^С и с3 с4

§г^ - С2 С1

1

V к

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

Рис. 4. Графики переходных процессов расхода рабочей жидкости на выходе из ГРМ для различных значений жесткости пружины сг.. с4 при угле перекрытия каналов распределителя у1

1,4

1,2

О , 1 1

2 ^ - 0,8

о 0,6

0,4 0,2

АЛ

т 7 С2 С3 С4

иг ¡щ

Г в» ¡[И г С1

к| Е р И к

1

lv.iL

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

t, С

Рис. 5. Графики переходных процессов расхода рабочей жидкости на выходе из ГРМ для различных значений жесткости пружины с1. с4 при угле перекрытия каналов распределителя у2

1,4

1,2

о 1 1

■ч- - 0,8

С) О 0,6

0,4 0,2

/ С7 С3 С4

1

/

1

?! I

!1 и

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

I, С

Рис. 6. Графики переходных процессов расхода рабочей жидкости на выходе из ГРМ для различных значений жесткости пружины с1. с4 при угле перекрытия каналов распределителя у3

Рис. 7. Временная зависимость расхода на выходе из ГРМ при синусоидальном воздействии на рулевое колесо

1,2

0,8

О

"а 0,4

05

^ О

о

-0,8

"1,2-0,4 -0,2 0 0,2 0,4

а-2я, рад/с

Рис. 8. Зависимость расхода рабочей жидкости на выходе из ГРМ от скорости вращения рулевого колеса

но исследовать поведение системы при различных жесткостях центрирующей пружины и углах положительного перекрытия гидрораспределителя.

Для исследования были взяты значения жесткости пружины с1 = 40Н^м/рад, с2 = 60Н^м/рад, с3=80Н^м/рад, с4=100Н^м/рад и углов перекрытия гидрораспределителя у1 = 0,05 рад, у2 = 0,065 рад, у3 = 0,08 рад. Рабочий объем гидромотора обратной связи д=125^10-6 м3. Номинальное давление в гидросистеме р1 = 16*106 Па.

В качестве примера представлены графики переходных процессов в ГРМ при пуске и отключении привода (рис. 4, 5 и 6).

Графики показали, что увеличение угла положительного перекрытия каналов распределителя при номинальной скорости вращения рулевого колеса приводит к увеличению времени чистого запаздывания, что приводит к несоответствию угла поворота рулевого колеса углу поворота машины и статической погрешности при цикличном вращении рулевого колеса в разные стороны.

Для иллюстрации погрешности, вызванной большими углами зоны нечувствительности, в качестве входного сигнала был выбран синусоидальный сигнал скорости поворота рулевого колеса, получен график нарастания и падения расхода рабочей жидкости на выходе из ГРМ при таком управляющем воздействии (рис. 7).

Наиболее наглядно несоответствие расхода рабочей жидкости на выходе из ГРМ и скорости вращения рулевого колеса при циклических воздействиях можно наблюдать на графике (рис. 8). Вследствие наличия зоны нечувствительности наблюдается петля гистерезиса, что говорит о запаздывании мгновенного отклика системы на управляющее воздействие.

Результаты проведенных исследований говорят о значительном влиянии таких конструктивных параметров гидрораспределителя ГРМ, как жесткость центрирующей пружины и величина угла положительного перекрытия каналов распределителя на качество выходных характеристик ГРМ, а именно расхода рабочей жидкости на выходе. Колебательность, низкая скорость нарастания и падения расходов и давлений, а также время запаздывания при открытии окон гидрораспределителя приводят к несовершенству динамических и статических характеристик ГРМ, что сказывается на качестве рабочих процессов СДМ, производимых в процессе изменения направления движения машины.

Проведенные исследования могут послужить теоретической базой при решении задач синтеза ГРМ с целью повышения качества переходных процессов в ОГРУ.

Библиографический список

1. Щербаков, В. С. Оптимизация конструктивных параметров гидравлических рулевых механизмов строительных и дорожных машин : моногр. / В. С. Щербаков, А. В. Жданов. — Омск : СибАДИ, 2010. - 176 с.

2. Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ / Е. Ю. Малиновский [и др.]. — М. : Машиностроение, 1980. — 216 с.

ЖДАНОВ Алексей Валерьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.

МЕРКУШЕВА Юлия Евгеньевна, аспирантка кафедры «Инженерная геометрия и САПР» Омского государственного технического университета. Адрес для переписки: zuy89@mail.ru

Статья поступила в редакцию 11.12.2012 г.

© А. В. Жданов, Ю. Е. Меркушева

Книжная полка

681.5/С36

Силков, М. В. Нелинейные системы автоматического управления : конспект лекций / М. В. Силков; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 43 с.

В конспекте лекций по дисциплине «Нелинейные системы автоматического управления» рассмотрены наиболее распространенные методы анализа нелинейных систем автоматического регулирования, в частности метод гармонической линеаризации, метод фазовой плоскости, методы линеаризации нелинейных систем. Даны основные теоретические основы этих методов, приведено необходимое количество примеров для конкретных систем.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ