автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Совершенствование систем управления гидроприводов с LS -регулированием

Вінницький державний технічний університет

РГЗ

од

Козлов Леонід Геннадійович

УДК 62-82

Вдосконалення систем керування гідроприводів Ьв-регулюванням

Спеціальність 05.02.03. - Системи приводів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вінниця 2000 р.

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті (ВДТУ) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Бурєнніков Юрій Анатолійович, ВДТУ, декан факультету транспорту, триботехніки та машинобудування.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Пономарчук Анатолій Федосійович, ВДТУ, професор кафедри теплоенергетики, газопостачання та інженерного забезпечення будівництва.

кандидат технічних наук, професор Середа Леонід Павлович, Вінницький державний сільськогосподарський інституту, ректор.

Провідна установа:

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра конструювання металлорізальних верстатів та систем, Міністерство освіти і науки України, м.Київ.

Захист відбудеться “ 2А ” квітня 2000 р. о /у годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.03 Вінницького державного технічного університету, 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького державного технічного університету, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “

березня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Дерібо О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Більшість вітчизняних мобільних робочих машин оснащуються гідроприводами постійного потоку на базі нерегульованих шестеренних насосів. Ці гідроприводи були розроблені і освоєні нашою промисловістю на початку 60-х років і до теперішнього часу не зазнали кардинальних змін. Такі гідроприводи відрізняються надійністю і невисокою вартістю, але не дозволяють регулювати параметри руху робочих органів машин у достатньо широких діапазонах, а отже, не можуть забезпечити оптимального протікання робочих процесів. Це знижує якість виконуваних робіт і продуктивність машин.

У США, Західній Європі і Японії на початку 80-х років почався процес переоснащення робочих машин гідроприводами на базі регульованих насосів. З’явились гідроприводи, які забезпечують одночасну роботу декількох гідроприводів у регульованих режимах при пропорційності тиску на виході насоса найбільшому з навантажень на гідродвигунах. Такі гідроприводи отримали назву "чутливі до навантаження"' або "гідроприводи з LS-регулюванням’.’ Такими гідроприводами оснащують свої машини в CLLIA компанія Allise-Chalmers, в Західній Європі - компанія Atlas-Weyhausen, в Японії - Kato та інші. Провідні компанії випускають гідроагрегати для гідроприводів з LS-регулюванням, серед яких Danfoss (Данія), Rexroth (Німеччина). У СРСР проблемою створення регульованих гідроприводів для мобільних робочих машин займалися такі організації, як ВНДІ Гідропривід, НВО “НАТІ”, ВНДІ Буддормаш.

Однак в Україні не налагоджений випуск гідроагрегатів для гідроприводів з LS-регулюванням, відсутній досвід їх проектування, виробництва і експлуатації. Тому на сьогоднішній день актуальними є задачі створення нових схем дослідження робочих процесів та забезпечення необхідних характеристик гідроприводів з LS-регулюванням. Розв’язання цих задач дозволяє створити регульовані в широких діапазонах гідроприводи робочих мобільних машин, що забезпечують підвищення їх економічністі, продуктивності та якості виконуваних робіт.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі “Технологія та автоматизація машинобудування” Вінницького державного технічного університету (ВДТУ). Тема розробки відповідає науковому напрямку кафедри. У ВДТУ в науково-дослідних лабораторіях “Гідроагрегат” та “Борекс-гідравліка” в 1988-1997 pp. проводилися роботи спільно з НВО “НАТІ” (Росія) та AT “Борекс” (Україна) зі створення та дослідження LS-гідроприводів. В 1997-1999 роках у ВДТУ виконувалась держбюджетна науково-дослідна робота “Створення базової гідросистеми з розширеним діапазоном регулювання для перспективних моделей неповноповоротних екскаваторів”, замовлена згідно з пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки і включена в

координаційний план Міністерства освіти і науки України. В дисертації використаї результати цих робіт. .

Метою роботи є створення вдосконалених систем керування, яі характеризуються зниженими гідравлічними втратами та габаритними розмірами забезпечують для гідроприводів з ЬБ-регулюванням мобільних робочих маши необхідні статичні та динамічні характеристики. . .

Для досягнення поставленої мети розв’язані такі задачі: розроблені. схем систем керування гідроприводів, створені математичні моделі, які включают експериментально отримані характеристики розроблених систем керуванні досліджені особливості роботи гідроприводів з ЬБ-регулюванням; розроблені засоб зниження гідравлічних втрат в системах керування і забезпечені необхідні статичні динамічні характеристики; виконана оптимізація гідроагрегатів, на базі яки розроблена схема гідросистеми неповноповоротного екскаватора.

Наукова новизна. - Вперше створені математичні моделі гідроприводів з Ь£ регулюванням на базі регульованого і нерегульованого насосів, в яких враховаї нелінійні, експериментально отримані залежності втрат тиску на діляш регулювання гідророзподільника;

- Вперше виявлено вплив параметрів регуляторів та величин керуючи перепадів золотників регуляторів на характеристики гідроприводів, що мають п два регулятори, одночасно працюючі на один об'єкт регулювання;

- Вперше знайдені діапазони параметрів регуляторів, які забезпечують різн чутливість статичних та динамічних характеристик гідроприводів до змін: параметрів регуляторів, що дозволяє забезпечити статичні характеристики з рахунок регулятора потоку, а динамічні - за рахунок переливного клапана аб> регулятора насоса, зменшити керуючі перепади та гідравлічні втрати гідроприводах.

■ Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи

Спроектовано і виготовлено гідророзподільник та регулятор насоса Гідророзподільник характеризується зменшеною на 25% довжиною розподільноп золотника у порівнянні з аналогом типу МР18 фірми КехгоЛ. Гідроагрегаті характеризуються також зменшеною величиною керуючих перепадів у порівнянії з аналогами МР18 і А10У фірми ЯехгоШ.

. . Розроблений гідророзподільник, а також програма розрахунку статичних динамічних та енергетичних характеристик гідроприводів, передані АТ "Борекс м.Бородянка для використання згідно з планами підприємств. Оснащення мобільни; робочих машин гідроприводами з розробленими системами керування підвищиті технічний рівень машин та їх конкурентоспроможність на світових ринках. '

Особистий внесок здобувана. Результати досліджень отримані авторор. самостійно. Постановка задач і аналіз результатів виконані спільно з науковт керівником.

Апробація результатів дисертації відбулася: в 1990 р. на ВДНГ України експонувався гідророзподільник, який був відмічений дипломом II ступеня; зроблені доповіді: в 1992 р. на другій конференції Асоціації спеціалістів промислової гідравліки і пневматики в м. Києві; в 1993р. на конференції "Гідроапаратура та гідроприводи сільськогосподарських машин" у м. Вінниці; в 1996р. на конференції "Гідромеханіка в інженерній практиці", м. Київ; в 1990-99р. на обласних конференціях у ВДТУ; в 1999 р. на міжнародних конференціях "Контроль та управління в складних системах", м. Вінниця і “Optimization of the technologies, technological systems and materials in the machine-building field” у Румунії, м. Бакеу.

Матеріали дисертації опубліковані в 10 наукових працях, у тому числі 7 статтях, одній депонованій статті, одній доповіді у збірнику праць науково-технічної конференції, отримане авторське свідоцтво.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 6 глав, висновків і 5 додатків. Обсяг роботи 320 сторінок машинописного тексту, втому числі 148 сторінок основного тексту, 87 рисунків на 63 сторінках, 34 таблиці на 21сторінці, список 137 використаних джерел на 15 сторінках, 73 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, висвітлений її зв’язок із сучасними науковими напрямками та програмами, сформульовані мета та задачі роботи, визначена наукова новизна, наведені дані про практичну цінність этриманих результатів.

У першому розділі наведено матеріали щодо вимог до гідроприводів мобільних робочих машин, висвітлені тенденції їх розвитку, показано закономірність переходу до гідроприводів з LS-регулюванням. Проведено огляд зобіт по дослідженню робочих процесів у регульованих гідроприводах.

Фундаментальні роботи Башти Т.М., Бочарова В.П., Попова Д.М, Ісковича-іїотоцького Р.Д., Яхно О.М., Струтинського В.Б., Пономарчука А.Ф., Лурье З.Я., Засільєва Л.В., Любімова Б.А., Немировського І.А., Габая Е.В. та ін. створили теоретичну базу для розробки схем та елементів, що відповідають світовому рівню розвитку гідроприводів. Виявлено, що ряд питань, пов’язаних з особливостями юботи гідроприводів з LS-керуванням, вивчені недостатньо. Зроблено висновок, що юзв’язання цих питань дозволить створити більш досконалі схеми та конструкції '.истем керування гідроприводів з LS-регулюванням. Сформульована мета дасертаційної роботи та задачі, які планується розв’язати в ході її виконання.

У другому розділі наводяться схеми та конструкції систем керування їдроприводів з LS-регулюванням. Система керування для гідропривода з

нерегульованим насосом включає пдророзподшьник, а для гідропривода регульованим насосом - гідророзподільник та регулятор насоса. Системи керуванн дозволяють забезпечити підключення , реверс та одночасну роботу від одног насоса декількох гідродвигунів і забезпечують роботу гідроприводів на холостом ході, в режимах ЬБ-регулювання, перевантаження та постійного поток} Гідродвигуни можуть працювати в регульованих режимах, при цьом забезпечується стабілізація величини потоку і пропорційність величини тиску н виході насоса найбільшому, із навантажень на гідродвигунах. Розташуванн переливної секції в середині пакета робочих секцій на відміну від відомих аналогі

фірм БапГозэ, ЛехиЛ створює умови дл зменшення гідравлічни: втрат тиску :

гідроприводах.Схем; робочої секці

гідророзподільника, щ< подана на рис.1, включав розподільний золотник 1 регулятор потоку 2 і: зворотним клапаном регульований дросель З логічні клапани 4 і 5 Насос підключається де гідролінії 6, а гідродвигун до ліній 7 і 8. За рахунок використання і гідророзподільнику отворів, розточок 11 та 12, а також сполучення цих елементів : логічним клапаном 6 вдалося скоротити на 25% довжину розподільного золотника корпуса робочої секції в порівнянні з аналогом МР-18 фірми ЯехгоЛ.

Третій розділ присвячений викладенню методики та результатії експериментальних досліджень. Для визначення. характеристик гідророзподільникг створений його макетний зразок. Макетний зразок обладнаний індуктивний датчиком положення золотника і системою каналів, що забезпечують відбір робочоі рідини з різних точок гідророзподільника і подачу до манометрів або датчикІЕ тиску. На спеціальному стенді визначено значення величини сили тертя між золотником і втулкою і гідродинамічної сили на золотниках регуляторів.

При вимірюванні гідродинамічної сили на золотнику регулятора потоку, виконаному із застосуванням методу математичного планування експерименту, визначена її нелінійна залежність від величин переміщення золотника та перепаду тиску Др на його робочому вікні.

Иу =46,2 + 26,7

у-0,3-10

-3

0,2 10

-3

+ 19,9

^Др-^б-Ю6

2,5-10°

+ 10.6

Ґ -Л V

у-0,3 10 * 1

0,2-10

-3

Др-5,5-10 2,5-106

при > = (0...0.5)-10 3

( -"О . у-1,0-10 3 + 24,5 Др-5,5-100 -6,1 ( \ у-1,0-10 3 ( &\ Др-5,5-10

_ -5 V 0,5-10 , , 2,5-106 ч 0,5-10-3 , , 2,5-Ю6 ,

(1)

(2)

при у = (0.5...3.0)-Ю_3 м. .

Втрати тиску на ділянці регулювання гідророзподільника, що включає регульований дросель 3, з’єднувальний канал 13 і робоче вікно розподільного золотника 1 (рис.1), обчислені по залежності, що визначена за результатами експерименту

Дрск -

2М^д2

с>2 +

<52 + ас<32;

(3)

11 9 Я •

де, Ас =1.12-10 Не /м - опір з’єднувального каналу гідророзподільника.

Створено також макетний зразок регулятора насоса з використанням якого на стенді досліджена залежність моменту опору на планшайбі насоса, яка має вигляд:

Мс= 26,41-3,17

( рн -9,0-10° -9,86 Он-0,67-10 Г -2,2 ( 6 ^ Рн “9,0-10 Ґ(Зи-о.67іо_3'

, 7,0-Ю6 , ч 0,5-10_3 _ ч 7,0-Ю6 , [ 0.5 • 10-3 ,

;(4)

де, <3н - потік, що подається насосом, р„ - тиск на виході насоса.

Адекватність визначених залежностей для діапазонів тиску рн = (і.5...20.0) МПа і потоку <3Н = (0.17... 1.67) • 10_3 м3 / с підтверджена за критерієм Фішера.

Знайдені експериментальні залежності використані при розробці математичних моделей. Створений також стенд для дослідження характеристик гідроприводів, обладнаний датчиками тиску і необхідною контрольно-вимірювальною апаратурою. На стенді отримані осцилограми перехідних процесів гідроприводів під час стійких і нестійких режимів роботи при ступеневій зміні зустрічного навантаження, які підтверджують працездатність розроблених систем керування.

В четвертому розділі подані математичні моделі гідроприводів. Розрахункова схема гідропривода на базі регульованого насоса і одного гідродвигуна представлена на рис. 2.

Розрахункова схема включає насос 1 з регулятором 2, планшайбою З, сервоциліндрами 4, 5, гідроциліндр 6, секції 7 та 8 гідророзподільника. Секція 8 містить золотник 9 регулятора потоку та дроселі 10, 11, 12 і 13, провідність яких еквівалентна провідності регульованого дроселя 3 (рис.1), робочого та зливного вікон розподільного золотника 1 та провідності лінії нагнітання гідророзподільника. Регулятор насоса включає золотник 14 з дроселем 15, запобіжний клапан 16 і дросель 17.

Працкн гідропривод такт чином. Потік ві/ насоса 1 над-ходиті через секції 7 і 8 де гідроциліндра 6 і далі від нього через дросель 12 на злив у бак. Величина потоку до гідроциліндра, регулюється зміною провідності дроселів 10 або 11. Золотник 9 регулятора потоку з дроселями 10 та 11 забезпечує стабілізацію величини потоку незалежно від навантаження на гідроциліндр, підтримуючи постійним значення перепаду тиску Ар, на ділянці регулювання гідро-розподільника, що

включає регульовані дроселі 10, 11 та з’єднувальний канал 18. Золотник 14 регулятора насоса 2 підтримує постійним перепад тиску Лрина ділянці від виходу насоса 1 до виходу дроселя 11, забезпечуючи таким чином відповідність потоку, що подається насосом 1, потоку, що споживається гідроциліндром 6. Перепади тиску Др3 та Дрн, в подальшому позначені, як керуючі перепади, діють на золотники

регуляторів і забезпечують їх переміщення в процесі регулювання Запобіжний клапан 16 забезпечує захист елементів гідроприводів від перевантаження. Особливістю гідроприводів з Ь8-регулюванням є наявність двох регуляторів, одночасно працюючих на один об’єкт регулювання. У випадку гідропривода з регульованим насосом - це регулятор потоку та регулятор насоса, а у випадку гідропривода з нерегульованим насосом - це регулятор потоку і переливний клапан.

При розробці розрахункової схеми та математичної моделі були прийняті такі припущення: розглядалася робота гідропривода при підключенні від крайньої

робочої секції одного споживача; відстані між гідроагрегатами незначна, що зводить нанівець вплив хвильових процесів у гідромагістралях; параметри гідропривода розглядались як зосереджені; температура робочої рідини постійна; коефіцієнти потоку через дроселі та золотникові елементи є постійними; режими роботи гідропривода - безкавітаційні; об’єм гідроліній за час перехідного процесу не змінювався; втрати тиску в гідролініях за виключенням гідролінії нагнітання гідророзподільника та його ділянки регулювання не враховувалися; сила тертя в золотникових елементах не залежить від швидкості їх переміщення; маса золотника регулятора насоса не враховувалась; перетікання робочої рідини в щілинах гідроагрегатів не враховувалось за виключенням вузла регулювання гідророзподільника; величина зазорів у з’єднаннях гідророзподільника мала, течія в утворених щілинах носить ламінарний характер; коефіцієнти податливості газорідинної суміші та резино-металевих рукавів враховувались як середні величини для розглянутих діапазонів зміни тиску.

Математична модель гідропривода включає рівняння сил, що діють на шток гідроциліндра, золотники регуляторів, моментів, що діють на планшайбу насоса, а також рівняння нерозривності потоків для гідроліній, що поєднують між гідроагрегатами та регулюючими елементами. З урахуванням припущень математична модель має вигляд

(10)

(П)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Из*з(УХ

.^Рр~Ро) м В-Р-0_РЕ>-

= Мз^(У).

(12)

Р

Р

/

А

/

(16)

(17)

де, рн, Рр, ро, р6, ри, рп, Рд, Рк - тиски в магістралях гідропривода; и, у, г, е, у„. Уу, у7, уе - координати положення та швидкості переміщення штока гідроциліндра золотників 9, 14 та 16; Ои, сі3, сІр, (10, сі7, с18 - діаметри поршня гідроциліндра, золотника 9, золотників 14 і 16, поршнів насоса, кола контакту поршнів з планшайбою; І — плече дії гідроциліндрів 4, 5; уп, гр, е0 - попереднє стискання пружин золотників 9, 14, 16; Р„, Рр, Р0, Р3, Г4, Т5, їр, {р ґ7, {к, ґо, - площі штока гідроциліндра, торців золотників 16, 14, гідроциліндрів 4, 5, дроселів 10, 11, торця золотника 14, дроселів 17, 15, 12; ґ0(е), ґ3(у), ґ5(у), Цг) - площі робочих вікон регуляторів; \УН, Wp, \У0, Wu, Wn, \УЦ, Wk - об’єми гідроліній; у - кут повороту планшайби насоса; гпц, т3 - приведена маса робочих органів, маса золотника 9; І( І)

- момент інерції планшайби насоса; Ти, Т3, Тр приведені сили тертя на робочих органах, сила тертя в золотниках 9,14; Мс - момент опору на планшайбі насоса; N -приведене навантаження на робочих органах; коефіцієнти потоку

золотникових та дросельних елементів; І1и, І13, Яр, Б-у - сили в’язкого тертя в гідроциліндрі, демпфування золотників 9, 14, 16, планшайби 3; Ьи, Ь3, Ьр, Ь©, Ь7Рі -коефіцієнти в’язкого тертя в гідроциліндрі, демпфування золотників 9, 14, 16, планшайби 3, податливості рідини і гідроліній; кг, к3, кпр, ку — коефіцієнти підсилення робочих вікон золотників 14,. 9, коефіцієнти перетікання в гідророзподільнику, втрат в насосі; к - число поршнів насоса; п - число обертів вала насоса; Со, с3, ср - жорсткості пружин золотників 16, 9, 14; Аг, Ас — опір дроселя 13 і ділянки регулювання гідророзподільника.

Розроблена також математична модель гідропривода з нерегульованим насосом.

У математичних моделях гідроприводів з Ь8-регулюванням вперше враховані нелінійні, експериментально отримані залежності втрат тиску на ділянці регулювання гідророзподільника, що дозволило створити моделі, які більш точно відтворюють робочі процеси в гідроприиодах.

Адекватність моделей підтверджена за критерієм Фішера шляхом співставлення результатів моделювання з експериментально отриманими осцилограмами перехідних процесів у гідроприводах.

П’ятий розділ присвячено дослідженню характеристик гідроприводів та оптимізації систем керування. Стійкість гідроприводів оцінювалась по сходимості

дотично! до максимумів перехідної функції. За графіком перехідної функції, визначався час регулювання 1р, а також величина перерегулювання а.

Розглядались слідуючи режими навантаження: робота на холостому ходу, зустрічне та попутне навантаження, робота в режимі періодичного навантаження та перевантаження. Для режиму періодичного навантаження визначалась амплітудно-частотна характеристика.

Як показник, що описує якість роботи гідропривода в статичному режимі роботи, використовувалося значення 5 - похибки стабілізації потоку до гідродвигуна, а енергетичні характеристики оцінювались за величиною гідравлічного ККД.

Для визначення чисельних величин 5 та гідравлічного ККД гідроприводів використовувались значення тисків та потоків в гідроприводах, що визначались за результатами розрахунків по математичним моделям з початковими умовами, близькими до сталих значень.

З метою отримання перехідних функцій гідропривода, а також значень змінних, що описують його роботу в сталих режимах, розроблена програма на мовах Паскаль та Эе1рЫ для ПК. Рішення систем нелінійних диференційних рівнянь, що складають математичні моделі гідроприводів, виконано чисельним методом Рунге-Кутта.

Особливістю гідроприводів з І-Б-регулюванням є наявність декількох одночасно працюючих регуляторів, золотники яких переміщуються під дією керуючих перепадів, що формуються на елементах регулювання гідророзподільника та в гідролініях нагнітання.

Керуючі перепади складають величину порядку 1,2...2,0 МПа у різних модифікаціях гідроагрегатів фірм ІІехгоШ, БапґоБз. Наявність керуючих перепадів призводить до підвищення гідравлічних втрат в гідроприводах з Ь8-регулювашіям у порівнянні з гідроприводами, що працюють в режимі постійного потоку, тому бажаним є зменшення величин керуючих перепадів. При виборі величин керуючих перепадів необхідно враховувати схему та конструкцію систем керування гідроприводами. На рис.З представлена розрахункова схема керування гідроприводом з регульованим насосом. Розрахункова схема включає насос 1 з регулятором 2, гідролінію нагнітання 3, дроселі 4...11, провідності яких еквівалентні провідності гідролшії нагнітання гідророзподільника, що включає 8 робочих секцій. Гідродвигун підключений до крайньої робочої секції, яка включає золотник регулятора потоку 12, зворотний клапан 13, регульований дросель 14, з’єднувальний канал 15, робоче вікно 16 розподільного золотника. Розрахункова схема дозволяє обгрунтувати вибір величин керуючих перепадів: Др3 - на

золотнику регулятора потоку та Арн- на золотнику регулятора насоса.

Величини Др^ та Др(і повинні вибиратись, виходячи з умов Др3 > Дррз + Дрск + ЛРдр + Арзк ; (18)

ДРн > ЛРрЗ + АРск + АРдр + ЛРР + ДРр + ДР'ВХ +• ДРЗК; . (19)

де, Дррз - перепад тиску на робочому вікні 16 розподільного' золотника, Арск~

перепад тиску в з’єднувальному каналі 1-5, Ардр-

перепад тиску. на регульованому дроселі 14, Дрзк-

перепад тиску на клапані 13,

ДРрДРр “ перепади тиску на золотнику 12 при повному - та частковому його відкритті,

дрВх,др;х-

Рис.З. Розрахункова схема системи керування

перепади тиску у гідролініях нагнітання пдророзподшьника та гідропривода.

Величину Др„ у відомих схемах вибирають для -таких умов роботи гідропривода, при яких насос 1 підключений до крайньої зліва секції, а гідродвигун -до крайньої справа робочої секції. При цьому величина Др’вх повинна включати

втрати тиску в гідролішї нагнітання восьми робочих секцій. В розробленій схемі системи керування насос підключений до середини пакета робочих секцій (штрихова гідролінія, рис. 3) і величина Дрвх включає втрати тиску тільки в

чотирьох робочих секціях. Це створює умови для зниження величини керуючого перепаду Дрн, зменшення втрат тиску в гідророзподільнику і підвищення гідравлічного ККД гідропривода.

Розподіл втрат тиску в гідророзподільнику показаний на рис.4. Заштрихована зона, показує величину зменшення втрат тиску в гідророзподільнику при переході від відомих схем керування до розроблених.

Величини керуючих перепадів Др3,Дрн визначають величини церестановочних зусиль, що переміщують золотники регуляторів і багато в чому визначають статичні та динамічні характеристики гідроприводів Тому остаточний вибір величин керуючих перепадів повинен здійснюватись з урахуванням їх впливу на ці.характеристики. •

Досліджено вплив величин керуючих перепадів на динамічні характеристики.

Зменшення різниці МІЖДр3 і Дрн підвищує

стійкість гідроприводів і зменшує

регулювання .'

час

З

Рис.4. Розподіл втрат тиску в робочий секції гідророзподільника

точки зору

забезпечення стійкості , кращі умови забезпечуються ' при Дрн - Др3 < 0.7 МПа. При збереженні різниці

Дрн - Дрз^СОПБІ і

одночасному зменшенні величин Дрн та Дрк вплив величин керуючих перепадів неоднозначний. При

міні Др3 в діапазоні від 1,7 МПа до 0,8 МПа для гідропривода з регульованим тсосом і Др3 в діапазоні від 1,5 МПа до 0,7 МПа час регулювання ір зменшується, і при подальшому зменшенні Др3 величина ір зростає, але в незначній мірі. Значного

іпливу величин керуючих перепадів на величину перерегулювання та амплітудно-(астотну характеристику не виявлено.

Таким . чином, з точки зору забезпечення необхідних динамічних характеристик, зменшення величин керуючих перепадів можливе при збереженні іізниці Дрн-Др3< 0.7 МПа. Час регулювання при цьому в значній мірі не міняється в юзглянутих діапазонах зміни величин'Др3,Дрн. .

Найбільш помітний вплив на величину 5 має Др5. Так при зменшенні Др3 з 1,1

ЛПа до 0,4 МПа величина 5 зростає з 10 до 35 %, що є досить небажаним явищем. Іменшення величини Др„ також зумовлює збільшення 5, але в значно меншій мірі, [іж зменшення Ар,. Отже, зменшення величин керуючих перепадів Дрз, Дрн упроводжується підвищенням похибки стабілізації 5, що є небажаним явищем і ютребує розробки заходів щодо усунення зазначеного негативного впливу.

Досліджено характер параметрів регуляторів на величину похибки стабілізації . Виявлено, що найбільший вплив на величину 5 мають параметри регулятора отоку. Чутливість величини 5 до зміни параметрів регулятора насоса і переливного лапана незначна. Компенсувати підвищення величини 5, що виникає при меншенні керуючих перепадів, можна за рахунок суттєвого збільшення діаметра

золотника регулятора потоку с13 до значень (20.. .24)' 10'3 м, та за рахунок зменшення величини гідродинамічної сили Л8 на золотнику регулятора потоку. Зменшення величини гідродинамічної сили досягнуто за рахунок застосування в конструкції гідророзподільника золотника трубчастої форми, в якому робоче вікно регулятора потоку формується за рахунок взаємодії корпуса регулятора та системи радіальних отворів діаметром 1,0 мм в золотнику регулятора потоку. Двократне зниження величини гідродинамічної сили досягається при коефіцієнті підсилення робочого вікна золотника к3 = (20...ЗО)-10'3 м. При виборі <і3 та к3 з вказаних діапазонів досягається зниження величини 6, але при цьому погіршуються динамічні характеристики і виникають умови для втрати стійкості гідроприводів.

З метою підвищення стійкості гідроприводів і покращення їх динамічних характеристик досліджений вплив на них параметрів регуляторів. Виявлено, що в найбільшій мірі на динамічні характеристики гідропривода з регульованим насосом впливають параметри регулятора насоса, а на динамічні характеристики гідропривода з нерегульованим насосом - параметри переливного клапана.

На рис. 5 показано розташування зон стійкості гідропривода з регульованим насосом та вплив на їх розташування параметрів регулятора насоса Го, к2 та сір. При сприятливому сполученні значень параметрів регулятора насоса к7 = 2-Ю'3 м; їо = 3-Ю'3 м2; сір = 7-Ю'3 м (крива 1, рис. 5). Зона стійкої роботи гідропривода розширюється. На рис. 6 представлений вплив безрозмірних величин параметрів к3 та сі3 та час регулювання Ір при різних сполученнях параметрів регулятора насоса.

Так при сполученні значень параметрів к7 = 20-10'3 м; ^ = 7-Ю'6 м2, сір = 9-Ю'3 м (залежності 2), параметри к3 та (13 впливають на величину Ір в значній мірі, а при сприятливому сполученні значень ґо, сір (залежності 1) чутливість величини 1р до зміни к3 та сі3 незначна. Використання

сприятливого сполучення параметрів регулятора насоса дозволяє забезпечити стійку роботу гідропривода і необхідний час регулювання і одночасно забезпечити можливість змінювати к3 та с13 в діапазонах (20...30)-10‘3 м та (20..24)-10'3 м, не погіршуючи динамічних характеристик гідропривода. Вибір к3 та ё3 з вказаних діапазонів забезпечує зменшення величини похибки 5, що виникає у випадку переходу гідропривода на роботу із зниженими величинами керуючих перепадів.

Рис.5. Зони стійкості гідропривода

Сприятливе сполучення коефіцієнта демпфування Ьк та діаметра золотника сік переливного клапана і кута нахилу ак його робочої кромки, що забезпечують стійкість та необхідні динамічні характеристики, а також значення кз та сіз, що забезпечують необхідні статичні характеристики при зниженні величин керуючих перепадів, знайдені також для гідропривода з нерегульованим насосом.

Таким чином, знайдені діапазони змін параметрів регуляторів, які

забезпечують різну чутливість статичних та динамічних характеристик

гідроприводів до зміни параметрів регуляторів, що дозволяє забезпечити статичні характеристики за рахунок параметрів регулятора потоку, а динамічні - за рахунок

параметрів переливного клапана

або регулятора насоса, зменшити керуючі перепади та гідравлічні втрати в гідроприводах.

Враховуючи, що вплив параметрів регуляторів на

динамічні характеристики

неоднозначний для різних режимів навантаження і вибір конкретних значень величин параметрів під час розробки конструкцій' систем

керування утруднений, то даний

вибір виконаний в процесі параметричної оптимізації за

До критерію оптимізації включені показники: стійкість гідропривода, час регулювання, величина перерегулювання, ширина зони в низькочастотному діапазоні на амплітудно-частотній характеристиці в якій відношення амплітуд вхідної та вихідної величини не перевищує Л/А[ < 1,1.В число параметрів оптимізації цля гідропривода з регульованим насосом включені параметри регулятора насоса кг, ір, ^0, а для гідропривода з нерегульованим насосом- параметри переливного клапана їк> ьк. Оптимізація виконана за методикою ЛП-пошуку для різних режимів «вантаження: зустрічного, попутного, при суміщені роботи двох споживачів, іеревантаженні та періодичному навантаженні.

Знайдені оптимальні значення параметрів регуляторів використані при іроектуванні регулятора насоса та гідророзподільника. Розроблений

■ідророзподільник характеризується зменшеною на 25% довжиною розподільного олотника в порівняні з аналогом МР18 фірми КехгоіН. Розроблений

ідророзподільник та регулятор насоса, що складають систему керування, ідроприводом, працюють при зменшених величинах керуючих перепадів 0,8...0,9 ЛПа, що в порівняні з аналогами МР18 та АЮУ фірми ЛехгоШ забезпечує

Рис.б. Вплив параметрів регуляторів на час регулювання

критерієм, що включав декілька показників.

підвищення гідравлічного ККД, в залежності від режимів роботи гідроприводів з регульованим насосом від 2 до 15%, а для гідроприводів з нерегульованим насосом -від 2 до 11%.

Розроблені гідроагрегати використані для створення схеми гідросистеми неповноповоротного екскаватора. Така гідросистема дозволяє забезпечити можливість роботи робочих органів та змінних механізмів у регульованих режимах, що забезпечує умови для підвищення якості виконуваних робіт та продуктивності машин.

В додатках наведено перелік вимірювальних приладів та датчиків, що використані при виконанні роботи, подані їх метрологічні характеристики, обчислені похибки вимірювань, наведена програма розв’язання систем нелінійних диференціальних рівнянь методом Рунге-Кутта.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Проведені дослідження дозволяють зробити такі висновки:

1. Найбільш повно вимоги до гідросистем мобільних робочих машин задовольняються при використанні в них регульованих гідроприводів, в тому числі з ЬБ-регулюванням.

2. Розроблені схеми систем керування, які забезпечують зниження гідравлічних втрат у гідроприводах та зменшення довжини розподільного золотника на 25% порівняно з аналогом МР18 фірми ИехгоШ.

3. Експериментальні дослідження щодо визначення характеристик елементів системи керування дозволили створити нелінійні математичні моделі, що адекватно описують робочі процеси в розроблених гідроприводах з ЬБ-регулюванням.

4. Розроблені на основі результатів експериментальних досліджень нелінійні математичні моделі дозволили вивчити робочі процеси в гідроприводах з ЬБ-регулюванням при різних режимах навантаження та в широких діапазонах зміни параметрів регуляторів і параметрів, що характеризують умови роботи гідроприводів.

5. Характерною особливістю гідроприводів з ЬБ-регулюванням є наявність керуючих перепадів, що забезпечують переміщення золотників регуляторів. Зниження керуючих перепадів до 0,8...0,9 МПа забезпечує підвищення гідравлічного ККД від 2 до 11% для гідропривода з нерегульованим насосом та від 2 до 15% для гідропривода з регульованим насосом в порівнянні з аналогами МР18 та А10У фірми ИехгоШ. Таке поліпшення енергетичних показників супроводжується, однак, істотним підвищенням похибки 8 стабілізації величини потоку до споживача.

6. Досліджено вплив параметрів регуляторів на похибку стабілізації 8. Виявлено, що найбільший вплив на величину 5 мають параметри регулятора потоку,

і чутливість величини 5 до зміни параметрів регулятора насоса та переливного клапана незначна. Похибка стабілізації 5 може бути знижена перед усім шляхом істотного збільшення діаметра сіз, зниження величини гідродинамічної сили Яу за эахунок відповідного вибору форми робочого вікна золотника регулятора потоку та юго коефіцієнта підсилення к3. Ці заходи, однак, однак, супроводжуються суттєвим шиженням стійкості гідроприводів.

7. Дослідження впливу параметрів переливного клапана та регулятора насоса на динамічні характеристики показало, що існують такі діапазони зміни параметрів терелинного клапана сік, ак, Ьк і регулятора насоса сір, к7, Г0, які забезпечують ;тійкість гідроприводів, а чутливість динамічних характеристик гідроприводів до іміни к3 та сі3 в досліджених діапазонах при цьому незначна. Це дозволяє іабезпечити динамічні характеристики гідроприводів за рахунок відповідного шбору параметрів регулятора насоса або переливного клапана, а статичні сарактеристики- за рахунок вибору параметрів к3, сі3 регулятора потоку, що сомпенсує підвищення похибки стабілізації 5, зумовлене зниженням величин серуючих перепадів.

8. Вплив параметрів Ьк, <3К, ак переливного клапана та регулятора насоса ёр, ґо, :7. на динамічні характеристики у різних режимах навантаження неоднозначний. В ;в’язку з цим для обгрунтованого вибору вказаних параметрів виконана оптимізація :онструкцій гідророзподільника та регулятора насоса.

9. Знайдені оптимальні значення параметрів системи керування дозволили творити нові конструкції гідророзподільника та регулятора насоса. На базі них юзроблена гідросистема неповноповоротного екскаватора, яка забезпечує роботу юбочих органів у регульованих швидкісних режимах, що створює умови для юкращення якості виконуваних робіт та підвищення економічності і іродуктивності машини. Результати робіт передані в АТ “Борекс” м.Бородянка для іикористання згідно планів підприємства.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ НАДРУКОВАНІ В ТАКИХ ПРАЦЯХ:

1. Бурєнніков Ю.А., Комісаренко Ю.Я., Козлов Л.Г. Про деякі особливості ідросистеми, чутливої до навантаження // Вісник Вінницького політехнічного иституту. - 1997. —№ 3 - С. 70-75.

2. Бурєнніков. Ю.А. , Козлов Л.Г. Шевчук В.Я.,. Яблонська С.З. вдосконалення схем гідросистем екскаваторів // Вісник Вінницького політехнічного пституту. - 1998. -№ 4 - С. 65-70.

3. Бурєнніков ІО. А., Козлов Л. Г. Про можливість зменшення гідравлічних трат у розподільнику для гідросистем з ЬБ-регулюванням // Вісник Вінницького :олітехнічного інституту. - 1999. - № 4 - С. 70-75.

4. Burennikov Yu., Kozlov L. Non-linear mathematical model of LS-hydraulic drive // Optimum technologies, technological systems and materials in machine-building field. - Vol. 4. - 1998. - P. 96-102

5. Козлов Л. Г., Буренников Ю. А., Любимов Б. А., Цыпленков В. Л. Влияние параметров системы управления на динамические характеристики насосої переменного рабочего объема // Гидропривод и гидропневмоавтоматика: Межвед. научн.-техн. сб. - К.: Техника, 1990. - Вып. 26. - С. 57-60

6. Буренников Ю. А., Козлов Л. Г.,. Бойко А. В, Семичаснова Н. С. Многопоточные гидроприводы, управляемые с чувствительностью к нагрузке // Повышение эффективности и надежности машин и процессов: Сб. научн. тр. - К.: УМКВО, 1989.- С. 29-33

7. Немировский Н.А., Буренников Ю.А., Козлов Л.Г. Математическое моделирование многоконтурной гидросистемы объемно-дроссельного регулирования // Гидропривод и гидропневмоавтоматика: Межвед. научн.-техн. сб.

- К.: Техника, 1988. - Вып. 224. - С.55-60.

8. А.с. 159071 СССР, МКИ F15B 13/06. Распределительная гидросистема, чувствительная к нагрузке. // Л. Г. Козлов, Ю. А. Буренников, Семичаснова Н.С., Бойко А.В. -№ 4499577/31-29; Заявлено 31.10.88; Опубл. 07.09.90, Бюл. № 33. -8 с.

9. Бурєнніков Ю.А, Козлов Л.Г. Вплив розгалуженого зворотного зв’язку на стійкість гідропривода з двома регуляторами // Матеріали п’ятої наук.-техн. конф. Контроль і управління в складних системах (КУСС -99).Том 3.— Вінниця, 1999. -С. 94-101

10. Влияние величины управляющего перепада в регуляторе потока на характеристики гидросистемы, чувствительной к нагрузке / Л.Г.Козлов, Ю.А Буренников., А. В. Бойко, Л.Д. Костенко; Винницк. политехи, ин-т. - Винница, 1992.

- 18 с. - Рус. - Деп. в Укр. ИНТЭИ 24.04.92, № 475 - Ук 92.

В роботах [1,7] розроблені математичні моделі гідроприводів з регульованим насосом, подані результати дослідження стійкості, в [2] розроблена схема гідросистеми екскаватора, в [3] доведена можливість зменшення гідравлічних втрат у гідророзподільнику, в [4] експериментально визначені нелінійні залежності, що описують особливості роботи гідроприводів з LS-регулюванням, в [5] досліджений вплив параметрів регулятора насосу на його динамічні характеристики, в [6] проаналізовані особливості гідроприводів з LS-регулюванням, в [8] розроблена схема робочої секції гідророзподільника, в [9] розроблені рекомендації щодо забезпечення стійкості гідропривода, в [10] досліджено вплив величини керуючих перепадів на характеристики гідроприводів.

АНОТАЦІЯ

Козлов Л.Г. Вдосконалення систем керування гідроприводів з LS -регулюванням, - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня, кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.03 - Системи приводів. - Вінницький державний технічний університет, м. Вінниця, 2000р.

Одною з тенденцій розвитку робочих мобільних машин є перехід на регульовані гідроприводи. Розроблені нові схеми систем керування гідроприводів з LS - регулюванням. Складені математичні моделі і програма, які дозволяють досліджувати робочі процеси в гідроприводах. Знайдена можливість зменшення величини керуючих перепадів золотників регуляторів, що' знижує гідравлічні втрати, при забезпеченні необхідних статичних і динамічних характеристик. Виконано оптимізацію конструкцій гідророзподільника та регулятора насоса, на базі яких розроблена схема гідросистеми неповноповоротного екскаватора. Гідросистема дозволяє забезпечити роботу екскаватора в регульованих режимах, що створює передумови підвищення його продуктивності, економічності, поліпшення якості виконуваних робіт:

Ключові слова: гідросистеми мобільних машин, гідроприводи з LS -регулюванням, гідророзподільники, регульовані насоси, регулятори, математичні моделі, стійкість, якість регулювання, гідравлічні втрати.

SUMMARY

Kozlov L.G. Improvements in control systems of LS-hydraulic drives. -Manuscript. Thesis for scientific degree of Candidate of Science (Technology), speciality 05.02.03. -Systems of drives. - Vinnitsa State Technical University, Vinnitsa, 2000.

Transition to the regulated hydraulic drive in mobile working machines is a insistent trend of their development Control systems, designed for LS-hydraulic drives, nake it possible to reduce hydraulic losses in them. The developed mathematical models illow to investigate processes occurring in hydrodrives under wide-range change of loads, operation modes and parameters. The investigations allowed to reduce control pressure differentials on regulator spools and therefore to reduce hydraulic pressure losses in lydrodrives. At the same time the necessary static and dynamic characteristics can be provided. Directional control valve and pump regulator design optimizations were carried jut. On the basis of the developed hydraulic units excavator hydraulic system was designed. It provides regulated modes of hydraulic motors operation ensuring higher productivity and efficiency of machines as well as higher performance quality.

Key words: hydraulic systems of mobile working machines, LS hydraulic drives, directional control valves, regulated pumps, regulators, mathematical models, stability, regulation quality, hydraulic losses.

АННОТАЦИЯ

Козлов Л.Г Совершенствование систем управления гидроприводов с LS -регулированием. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.03,- Системы приводов. Винницкий государственный технический университет, г. Винница, 2000 г.

Большинство мобильных рабочих машин, выпускаемых в Украине, оснащаются гидросистемами на базе нерегулируемых насосов, что не всегда позволяет обеспечить требуемые скоростные режимы движения рабочих органов, снижает производительность и экономичность машин, качество выполняемых работ. Переход на использование регулируемых гидроприводов, в том числе с LS-ре1улированием, создаёт условия для улучшения указанных показателей качества работы машин. Однако в Украине практически не ведутся роботы по освоению таких гидроприводов. Решение проблем, связаных с разработкой гидроприводов с LS-регулированием, является актуальной задачей.

Гидроприводы с LS-регулированием включают несколько регуляторов, перемещение золотников которых осуществляется управляющими перепадами давления. Наличие управляющих перепадов повышает гидравлические потери давления в гидроприводах с LS-регулированием по сравнению с гидроприводами постоянного потока.

Разработаны схемы систем управления, позволяющие уменьшить величины управляющих перепадов, однако окончательный выбор величин управляющих перепадов должен осуществляться с учётом их влияния на статические и динамические характеристики гидроприводов.

Экспериментально определены характеристики системы управления. С учётом экспериментальных данных разработаны нелинейные математические модели, позволяющие исследовать рабочие процессы в гидроприводах. Для обработки математических моделей разработана программа с использованием численного метода Рунге-Кутта, которая позволяет решить нелинейные дифференциальные уравнения математических моделей и определить статические и динамические характеристики гидроприводов.

В результате исследований установлено, что уменьшение величин управляющих перепадов приводит к существенному увеличению погрешности стабилизации потока 5, который поступает к гидродвигателю. Компенсировать увеличение 5 можно за счёт соответствующего выбора формы и коэффициента

усиления к3 рабочего окна регулятора потока, который позволяет уменьшить гидродинамическую силу, а также путём увеличения диаметра с!3 его золотника. Однако, такой выбор величин к3 и <і3 сопровождается существенным снижением устойчивости гидропривода и ухудшением его динамический характеристик. Определены такие диапазоны изменения параметров регуляторов, в которых обеспечивается устойчивость гидропривода при незначительной чувствительности его динамических характеристик к изменению к3 и (13. Это позволяет обеспечить необходимые динамические характеристики путём соответствующего выбора параметров регулятора или переливного клапана, а статическиеские характеристики за счёт выбора параметров к3 и (і3 регулятора потока. Благодаря этому компенсируются увеличения погрешности стабилизации 5, обусловленное уменьшением величины управляющих перепадов.

Выполнена оптимизация конструкций гидрораспределителя и регулятора насоса по критерию, который включает показатели: устойчивость, время

регулирования, перерегулирование, ширину зоны АЧХ в низкочастотном диапазоне, в котором не происходит значительного увеличения амплитуды входного сигнала. Найденные оптимальные сочетания параметров позволили создать новые конструкции гидрораспределителя и регулятора насоса, которые обеспечивают работу гидроприводов с ЬБ-регулированием с управляющими перепадами величиной 0,8...0,9 МПа. Благодаря этому повышается гидравлический КПД для гидроприводов с регулируемым насосом на (2... 15)%, а с нерегулируемым насосом на (2... 11)% по сравнению с аналогами МР-18 и А10V фирмы Лехго^. Конструкция гидрораспределителя отличается уменьшенной длиной распределительного золотника. Разработана схема гидросистемы неполноповоротного экскаватора, позволяющая обеспечить роботу гидродвигателей в регулируемых режимах, что создаёт предпосылки для повышения производительности и экономичности машин, /лучшения качества выполняемых работ. Результаты работ переданы АО «Борекс», г. Бородянка и использованы в соответствии с планами предприятия.

Ключевые слова: гидросистеми мобильных рабочих машин, гидроприводы с ^-регулированием, гидрораспределители, регулируемые насосы, регуляторы, чатематические модели, устойчивость, качество регулирования, гидравлические ютери.