Підвищення ефективності використання сільськогосподарських машин шляхом модернізації системи гідрооб’ємного рульового керування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький державний аграрний університет

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

5.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Підвищення ефективності використання сільськогосподарських машин шляхом модернізації системи гідрооб'ємного рульового керування

Шаргородський Сергій Анатолійович

Вінниця 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Іванов Микола Іванович, Вінницький державний аграрний університет, декан факультету механізації сільського господарства.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Пастушенко Сергій Іванович, Миколаївський державний аграрний університет, декан факультету механізації сільського господарства.

кандидат технічних наук, доцент Панченко Анатолій Іванович Таврійська державна агротехнічна академія, завідувач кафедри “Трактори та автомобілі”.

Провідна установа: Дніпропетровський державний аграрний університет, кафедра сільськогосподарських машин, м. Дніпропет-ровськ.

Захист відбудеться “ 27 ” червня 2006 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.854.02 у Вінницькому державному аграрному університеті за адресою: 21008, м. Вінниця, вул. Сонячна, 3, ауд.2120.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького державного аграрного університету за адресою:21008, м. Вінниця, вул. Сонячна, 3.

Автореферат розісланий “ 24” травня_ 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н. Берник П.С.

1. Загальна характеристика роботи

сільськогосподарський аграрний машина рульовий

Актуальність теми. Впровадження нових технологій обробітку ґрунту, посіву різноманітних культур та збирання врожаю у сільськогосподарське виробництво, а саме - багаторядна обробка; комплексна обробка з використанням різних за призначенням робочих органів; застосування технологій точного висіву культур; розробка нових зразків технологічних машин сільськогосподарського призначення і, як результат, підвищення вимог до точності переміщення самохідних сільськогосподарських машин по технологічним площам та необхідність покращення умов праці механізаторів - призвело до необхідності вдосконалення всіх систем самохідних сільськогосподарських машин (СГМ), в тому числі систем рульового керування СГМ. Існуючі механічні та гідромеханічні системи рульового керування, які використовуються у самохідних СГМ, як правило, не задовольняють вимогам міжнародних норм та стандартів, тому на ринку сільськогосподарської техніки домінує тенденція переоснащення машин сільськогосподарського призначення з гідромеханічними системами рульового керування гідрооб'ємними системами рульового керування (ГСРК), які за своїми характеристиками значно перевищують гідромеханічні системи рульового керування і на сьогодні стали фактично безальтернативними системами рульового керування. В той же час в Україні, а також в інших країнах СНД даний вид приводу рульового керування застосовується лише у деяких машинах і комплектується з вузлів закордонного виробництва. Спроби побудувати ГСРК самохідною СГМ на базі комплектуючих вітчизняного виробництва наштовхнулись на низку проблем, пов'язаних з втратою керованості машиною при дії попутного навантаження на керуючі колеса, збільшеним люфтом рульового колеса, відмовами при аварійному режимі роботи, значних зусиллях на рульовому колесі.

Виявлення причин виникнення перелічених вище недоліків, розробка рекомендацій по конструюванню ГСРК самохідної СГМ та подальше її впровадження у виробництво являється актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі “Машини та обладнання сільськогосподарського виробництва” Вінницького державного аграрного університету. В дисертації використані результати, отримані в ході виконання науково-дослідних тем: “Розробка теоретичних основ розрахунку динамічних процесів при роботі гідравлічних приводів мобільних машин” 17-Д-228 держ.рег.№01004002925 (інв.№0202U002387), “Розробка та дослідження групового гідроприводу сільськогосподарських машин” держ.рег.№ 0194U0106742 (інв. №0296U003005).

Метою даної роботи являється розробка заходів по підвищенню технічного рівня та конкурентоспроможності вітчизняних самохідних СГМ, шляхом підвищення рівня показників та якості роботи ГСРК самохідної СГМ

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

1. Провести аналіз стану розвитку та виробництва сучасних ГСРК самохідних СГМ.

2. Виконати моделювання базової ГСРК самохідної СГМ. Алгоритмізація та програмне забезпечення розрахунків на ЕОМ характеристик ГСРК.

3. Дослідити можливість підвищення технічного рівня та якості роботи самохідної СГМ шляхом синтезу оптимальних значень параметрів ГСРК та окремих гідромеханізмів, а також розробка конструктивних заходів по підвищенню їх технологічності і надійності.

4. Експериментально перевірити результати математичного моделювання, та ефективність запропонованих заходів, спрямованих на підвищення ефективності використання ГСРК. Практично реалізувати виконані розробки, провести аналіз їх перспективності та конкурентоспроможності.

Об'єкт дослідження - процеси роботи ГСРК самохідної СГМ при різних режимах її роботи.

Предмет дослідження - конструктивно-технологічні параметри ГСРК самохідної СГМ, які визначають показники якості роботи при русі машини по заданій траєкторії.

Методи дослідження - математичне і фізичне моделювання роботи ГСРК; алгоритмізація обчислень з використанням сучасних потужних пакетів прикладних програм; натурні і числові експерименти, на базі яких установлена адекватність розроблених математичних моделей.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше створена математична модель ГСРК самохідної СГМ, в якій враховані особливості роботи даної системи в складі СГМ - температурний, силовий режими роботи, наявність суттєво нелінійних характеристик - люфтів у з'єднаннях елементів приводу; зміни режимів течії рідини;

- запропонована методика апроксимації витрати робочої рідини в золотникових розподільниках при зміні в широкому діапазоні відкриття робочих вікон;

- показана можливість ефективного забезпечення роботи системи рульового керування самохідної СГМ як при зустрічному, так і попутному навантаженні на рульові механізми СГМ шляхом вибору відкриттів робочих вікон золотникового розподільника; запропонована методика вибору відкриттів (перекриттів) робочих вікон розподільника, яка забезпечує стійку роботу системи рульового керування в зазначених режимах;

- вперше теоретично доведена можливість заміни конструкції існуючого золотникового розподільника більш конструктивно простим, що забезпечує підвищення технологічності конструкції, зниження вартості виготовлення, підвищення надійності в експлуатації.

Практичне значення отриманих результатів:

Практичну цінність роботи складають:

- комплекс програм по розрахунку процесів роботи ГСРК самохідної СГМ на різних технологічних режимах;

- запропоновані рекомендації по модернізації золотникового розподільника дозуючого механізму, які дозволяють значно підвищити якісні показники роботи самохідної СГМ при зустрічному або попутному навантаженні рульових коліс;

- підвищення технологічності запропонованої модернізованої конструкції, що забезпечує отримання економічного ефекту.

Результати роботи сформульовані у вигляді рекомендацій по проектуванню ГСРК та окремих її елементів і передані ЗАТ “Будгідравліка” (м. Одеса), ВАТ “Одеський завод радіально-свердлильних верстатів”, а також використовується в навчальному процесі за дисциплінами “Гідропривод СГМ”, “Системи автоматизованого проектування СГМ.”

Особистий внесок здобувача. Результати проведених досліджень отримані автором самостійно. Постановка задач, їх аналіз виконані з науковим керівником і частково із співавторами публікацій.

Особисто здобувачем:

- розроблена математична модель ГСРК самохідної СГМ з модернізованим золотниковим розподільником;

- розроблений алгоритм розрахунку процесів роботи ГСРК самохідної СГМ, створений комплекс програм по розрахунку процесів роботи ГСРК;

- запропонований алгоритм визначення витратних характеристик золотникового розподільника в перехідних режимах роботи;

- проведені дослідження теоретичної та фізичної моделі ГСРК самохідної СГМ;

Апробація результатів роботи.

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на наукових конференціях, симпозіумах і семінарах: VII, VIІI, ІХ міжнародних конференціях “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (м.Київ, 2002р., м.Черкаси, 2003р., м.Київ, 2004 р.); II міжвузівській науково-практичній конференції аспірантів “Сучасна аграрна наука: напрями досліджень, стан і перспективи” (м. Вінниця 2002р.); ІV - V науково-технічних конференціях Асоціації спеціалістів промислової гідравліки та пневматики (м. Кіровоград, 2000р., м. Вінниця, 2003 р.); V міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (м. Вінниця 2004р.); міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи розвитку аграрної механіки” (м. Дніпропетровськ, 2004).

У повному обсязі дисертаційна робота доповідалася на науково-технічному семінарі кафедри “Машини і обладнання сільськогосподарського виробництва” Вінницького державного аграрного університету.

Публікації. Основні положення та матеріали дисертації опубліковані в 7 статтях, друк яких відбувався в фахових виданнях, затверджених переліком ВАК України.

Структура та обсяг дисертаційної роботи.

Дисертаційна робота складається з вступу, 5 глав, висновків і 2 додатків.

Обсяг роботи 265 сторінок машинописного тексту, в тому числі 148 сторінок основного тексту, 67 рисунків на 54 сторінках, список використаних джерел з 132 найменувань на 12 сторінках, 38 сторінок додатків.

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність модернізації систем гідрооб'ємного рульового керування СГМ, сформульовані мета і задачі роботи, визначені основні положення, які мають наукову новизну та практичну цінність.

В першому розділі “Стан розвитку систем рульового керування самохідних сільськогосподарських машин. Використання систем гідрооб'ємного рульового керування у самохідних сільськогосподарських машинах. Мета та задачі дослідження” наведено огляд стану та основних напрямків розвитку систем рульового керування самохідних СГМ. Наведені дані, які свідчать про широке застосування засобів гідрофікації систем рульового керування сучасних самохідних СГМ. Виконаний аналіз основних схем і конструктивних особливостей гідрофікованих систем рульового керування самохідних СГМ. Відзначений великий внесок в розвиток конструкцій СГМ, підвищенню рівня їх характеристик завдяки використанню гідравлічних приводів, який зробили Ведерніков В.В., Дідур В.А., Кальбус Г.Л., Кожевніков С.М. Ксеневич І.П., Ловкіс З.В., Пастушенко С.І., Любімов Б.А., Немировський І.А., Погорєлий Л.І., Середа Л.П., Панченко А.І., Татьянко І.В., Топілін Г.Є. та ряд інших.

Значний вклад по розвитку теорії та практики гідроприводів мобільних машин пов'язаний з іменами Башти Т.М., Бочарова В.П., Васильченко В.А., Гаминіна М.С., Ермакова С.А., Зайончковського Г.Й., Петрова І.В., Попова Д.М., Прокофьева В.М., Струтинського В.Б., Яхно О.М., Хаймовича Є.М. та ін. Результати, отримані вказаними дослідниками, стали вагомим підгрунтям для розвитку систем гідрофікації мобільних машин різноманітного призначення, в тому числі і сільськогосподарських.

Визначені актуальні питання та фактори, які не розглядалися в попередніх дослідженнях в даній області, але важливі для подальшого розвитку теорії і практики ГСРК самохідних СГМ. Визначені об'єкти і мета досліджень, сформульовані задачі, вирішення яких забезпечує досягнення мети досліджень

У другому розділі “Моделювання гідрооб'ємної системи рульового керування самохідних машин” проведене математичне моделювання і дослідження математичної моделі ГСРК самохідної СГМ на базі насоса-дозатора МРГ.01.

Конструктивна схема ГСРК самохідної СГМ, до складу якої входить насос-дозатор типу МРГ.01, показана. Кермо (на схемі не показано), передає обертальний рух вхідному валу 1 рульового гідромеханізму, який з'єднується з втулкою 2 за допомогою механізму, до складу якого входить штифт 3, запресований у вал1, та паз у втулці2, виконаний під кутом 45 до її вісі. В результаті цього зміна кутового положення вхідного вала призводить до переміщення в осьовому напрямку втулки 2 та разом з нею золотника 4, в отворі якого установлені дві стопорні шайби 5, що контактують з торцями втулки. Переміщення золотника призводить до зміни відкриття робочих вікон золотникової пари, які утворені відповідними поверхнями буртів золотника та кромками розточок у корпусі 6, та умов комутації гідроліній даної гідросистеми, які визначаються величинами відкриття відповідних робочих вікон золотникової пари. Робоча рідина під тиском р0 підводиться до двох розточок у корпусі - до третьої зліва та першої справа. Перша із згаданих розточок разом з кромками на золотникові утворюють так званий “відкритий центр” - при умові знаходження золотника у нейтральному положенні усі витрати рідини, що створюються насосною станцією, крізь п'яте і шосте робочі вікна, відкриття яких визначається величинами L5 та L6, спрямовуються на злив, в результаті чого тиск р0 у напірній порожнині наближується до тиску зливу. Тиск у зливній магістралі, що зв'язана з відповідними розточками в корпусі, дорівнює р7. Відкриття цих кромок залежить від положення відсічних кромок, відкриття яких в нейтральному положенні складає L9 та L10.

Напірна магістраль забезпечує також підведення робочої рідини до крайньої справа розточки у корпусі, яка відповідними робочими вікнами з'єднується з порожнинами дозуючого механізму 6. Робочі кромки золотника, що утворюють дані робочі вікна, виконані з додатним перекриттям L1 та L2 у нейтральному положенні. Бурт золотника, робочі кромки якого виконані з додатними перекриттями L3 та L4, разом з кромками відповідної розточки у корпусі створює робочі вікна золотникової пари, які з'єднують праву порожнину виконавчого гідроциліндра 7, що знаходиться під тиском р3, з порожниною дозуючого механізму, тиск в якій дорівнює р2, або зі зливом (тиск р7).

Крайній лівий бурт золотника, кромки якого виконані з додатними перекриттями L7, L8 кромок розточки, при переміщенні золотника вправо з'єднує ліву порожнину виконавчого гідроциліндра з порожниною дозуючого механізму, що знаходиться під тиском р1, а при переміщенні золотника в іншому напрямку із зливом (тиск р7).

Вважаємо, що переміщення золотника відбувається у додатному напрямку, показаному як х. При цьому відкриваються робочі вікна золотникової пари, що мають перекриття L1, L3, L7 відповідно. Робоча рідина з напірного каналу поступає до дозуючого механізму. Далі від нього робоча рідина крізь робоче вікно, яке в нейтральному положенні має додатне перекриття L3, поступає у праву порожнину гідроциліндра. Поршень гідроциліндра переміщується, виштовхуючи рідину з лівої порожнини на злив. Вал дозуючого механізму 6 за допомогою планетарного редуктора 8 та кардана 9 з'єднується з втулкою золотника. При проходженні рідини крізь дозуючий механізм відбувається обертання його валу, яке крізь редуктор та кардан передається на втулку золотника та переміщує її у зворотному напрямку, повертаючи золотник у вихідне положення. Подача рідини у порожнини виконавчого гідроциліндра припиняється. У нейтральному положенні вся робоча рідина із напірного каналу крізь робочі вікна, які утворюють “відкритий центр”, проходить у зливний канал.

При складанні математичної моделі з врахуванням результатів попередніх досліджень були прийняті такі припущення: конструкція СГМ вважається абсолютно жорсткою, пружні деформації не впливають на навантаження системи рульового керування; з врахуванням вертикального розташування корпусу насоса-дозатора та примусового переміщення практично без зупинок золотникового розподільника від керма можливо не враховувати дію на рухомі деталі насоса-дозатора сил сухого тертя; густина, в'язкість та коефіцієнт витрати робочої рідини не залежать від температури завдяки роботі ГСРК в усталеному температурному режимі; не враховуються втрати тиску у внутрішніх каналах рульового гідромеханізму і на зовнішніх клапанах, як такі, що звичайно мають незначну величину; коефіцієнт податливості рідини не залежить від тиску і вмісту газової складової, так як в усталеному режимі роботи рульового гідромеханізму його величина змінюється незначно; тиск підпору на зливі незначний і практично незмінний; коефіцієнт витоків і перетоків рідини у складових гідроагрегатів постійний і не залежить від розмірів та форми щілин; відстань між елементами гідросистеми незначна, що дозволяє розглядати її як систему з зосередженими параметрами і не розглядати вплив хвильових процесів; пульсація подачі насоса з врахуванням її значної частоти не викликає збудження коливань тиску у гідросистемі; течія рідини в зазорах у з'єднаннях деталей гідроагрегатів та гідроапаратури має ламінарний характер.

Математична модель даного гідрооб'ємного рульового механізму включає рівняння нерозривності потоків рідини, діючих сил та моментів, а також рівнянь, що визначають особливості роботи даної гідросистеми:

, (1)

, (2)

, (3)

, (4)

, (5)

(6)

, (7)

, (8)

, (9)

, (10)

, (11)

, (12)

де Qн - витрата рідини, що подається від насоса; Qі - витрата крізь і - е робоче вікно з перекриттям Lі золотника; Qут.н - витрати витоку рідини з напірної магістралі внаслідок її негерметичності; Qдефн. - витрата, спрямована на компенсацію деформації напірної магістралі, заповненою робочою рідиною, під дією тиску р0; Qд - витрата рідини, що споживається дозуючим механізмом при обертанні; Qут.д і - витрати витікання рідини з порожнини дозуючого механізму під тиском рі; - витрата перетікання рідини крізь зазори між порожнинами дозуючого механізму, які знаходяться під тиском р1 та р2; Qдеф і. - витрата рідини, викликана деформацією порожнини та робочої рідини під тиском рі; Qц - витрати рідини, що забезпечують рух поршня з заданою швидкістю; - витрати витікання рідини з і-ої порожнини гідроциліндра завдяки наявності перепаду; - витрати на перетікання рідини з порожнини гідроциліндра під дією перепаду тисків р3 та р4; Qв і - витрата рідини крізь противакуумний клапан в порожнині гідроциліндра в випадку, коли тиск у ній стає нижчим за атмосферний; М2 - момент, що виникає при дії штифта 3 на вхідному валу на поверхню паза у втулці 2; М3, М4, М8, М15 -- моменти на подолання сухого тертя; М5 , М6 , М13 - моменти на подолання в'язкого рідинного тертя; М7 - момент опору з боку кардана; М9, М12 - моменти інерції; М11 - момент, який розвиває дозуючий механізм; М14 - момент зовнішнього навантаження дозуючого механізму з боку редуктора; - осьова складова сили тиску штифта 3 на паз втулки 2; , - сили опору; , , - сили сухого тертя; , , - сили рідинного тертя; , , - сили інерційного навантаження; - гідродинамічна сила; - сила, яку розвиває гідроциліндр при наявності перепаду тисків у його порожнинах; - зовнішнє технологічне навантаження на штоці гідроциліндра; - втрати на тертя при переміщенні поршня гідроциліндра.

Витрати робочої рідини крізь і - у дросельну кромку визначались за наступною залежністю:

, (14)

, (15)

Модель характеристики тертя, що враховує наявність нульової швидкості рухомих елементів гідромотора при зрушуванні або періодичних рухах з зупинками, та модель характеристики втрат на тертя при переміщенні штока гідроциліндра, яка враховує наявність нульової швидкості рухомих вузлів мать наступний вигляд.

.Момент М14 виникає при прокручуванні вихідним валом дозуючого вузла 6 вхідного валу планетарного редуктора 8 і визначається за залежністю:

Для моделювання роботи планетарного редуктора, який використовується як передаточний механізм між дозуючим механізмом та карданом зворотного зв'язку, найбільш доцільним виявилося застосування рівняння Лагранжа другого роду. Для даного випадку рівняння Лагранжа прийме вигляд

У рівняннях (13) - (35) були використані наступні позначення:

- кут повороту втулки 2; - кут повороту вихідного валу дозуючого механізму 6; - переміщення штока гідроциліндра; d3 - діаметр золотника; 9 - зазор у парі золотник - корпус; - перепад тисків на щілині; - кінематична в'язкість рідини; - густина робочої рідини; L3 - величина перекриття на третій кромці; - координата золотника в даний момент часу; - кут нахилу конічної кромки золотника; - ширина зазорів витікання рідини в перпендикулярному напрямку до напрямку потоку рідини на і-ій ділянці гідросистеми; - глибина зазорів витікання рідини в і-ій ділянці гідросистеми; - довжина зазорів витікання рідини в напрямку потоку рідини в і-ій ділянці гідросистеми; - динамічна в'язкість рідини, яка залежить від тиску та температури робочої рідини; - відносна швидкість переміщення однієї із стінок, яка задає межу щілини. Kі(pі) - коефіцієнти податливості відповідних магістралей та порожнин даної гідросистеми; Wі•- об'єм і-ої порожнини; - об'ємна жорсткість трубопровода (порожнини), по якій проходить робоча рідина; - модуль пружності газорідиневої суміші; 1 - кут повороту вхідного вала; 2 - кут повороту втулки; С2 - згинальна жорсткість штифта; 2 - зазор у парі штифт-паз; 1 - кут нахилу гвинтового пазу у втулці; r2 - радіус втулки; - коефіцієнт тертя між вказаними поверхнями; - значення радіуса, на якому фактично відбувається тертя; - сила нормальна до поверхні тертя; - коефіцієнт рідинного тертя (активного опору) при обертовому русі деталей; rі - радіус тертя у зазорі; - кутова швидкість гідромотора, яка обмежу “падаючу” ділянку характеристики тертя; - лінійна швидкість штока гідроциліндра, яка обмежу “падаючу” ділянку характеристики тертя; - крутна жорсткість карданного валу 9; - кут повороту карданного валу 9; - зазор у з'єднанні карданний вал 9 - втулка 2; - зазор у з'єднанні карданний вал 9 - сателіт редуктора 8; - зазор у з'єднанні вихідний вал дозуючого механізму 6 - вхідний вал редуктора 8; - коефіцієнти пропорційності сили рідинного тертя. - коефіцієнт тертя між штифтом та пазом у втулці; f4 - коефіцієнт тертя в парі кардан - шлицевий отвір; С3 - жорсткість стопорного кільця; - момент опору повороту направляючих коліс; - плече прикладання сили зовнішнього технологічного навантаження до штока гідроциліндра; - тиск в шинах; - коефіцієнт зчеплення колеса з грунтом; - ексцентриситет планетарного редуктора насоса-дозатора.

Дана модель носить нелінійний характер. Тому автором була створена розрахункова програма за допомогою мови програмування Borland Delphi. Пошук розв'язків системи (1) - (12) відбувався шляхом проведення чисельного експерименту за допомогою методу Рунге - Кутта - Фельдберга.

Робочі процеси в гідросистемі відтворюються при різних законах дії зовнішнього навантаження як на рульове колесо (кермо), так і на виконавчі ланки системи рульового керування (шток гідроциліндра), що дозволяє детально проаналізувати можливості гідросистеми при роботі із зустрічним та попутним навантаженням. З метою з'ясування можливостей розробки заходів по забезпеченню необхідної якості роботи проведено дослідження впливу параметрів ГСРК на умови виникнення нестійких процесів. Найбільший вплив за результатами дослідження на виникнення режимів нестійкої роботи мають: кут нахилу робочої кромки золотника , робочий об'єм насоса-дозатора , частота обертання рульового колеса , величини перекрить робочих вікон золотника , а також величина сили навантаження на штоці виконавчого гідроциліндра і, відповідно, перепад тисків в його порожнинах,

.

В площині параметрів - p показані області стійкості, отримані при використанні дозуючого механізму із робочим об'ємом . Штриховка кривих межі стійкості направлена усередину області стійкої роботи системи. При збільшенні величини перекриття першої () та другої () кромок золотникового розподільника межа області стійкої роботи системи дещо зсувається у бік більших значень кута нахилу кромки та навантаження на штоці гідроциліндра, але суттєве збільшення є неприпустимим у зв'язку з тим, що збільшується зона нечутливості системи, що призводить до зростання загального люфту ГСРК. Значно розширює область стійкої роботи системи збільшення перекриття третьої () та восьмої () кромок. Зменшення величини відкриття п'ятого і шостого робочих вікон (від до ) значно розширює область значень параметрів ГСРК при яких вона працює стійко. Аналіз результатів дослідження впливу геометричних параметрів золотникової пари на створення умов забезпечення стійкої роботи ГСРК свідчить, що шляхом зміни перекриття (або відкриття) робочих вікон, які з'єднують із зливом напірну порожнину та виходи гідроциліндра можливо забезпечити суттєве збільшення області стійкості.

Як виявилось, при збільшенні величини робочого об'єму дозуючого вузла, без зміни геометричних параметрів золотника розподільника, область стійкої роботи системи значно розширюється.

При дослідженні впливу на стійкість даної системи зазорів у з'єднанні деталей були враховані наступні люфти: 6 - сумарний боковий зазор у з'єднанні карданного валу 9 з сателітним колесом 8 і втулкою 2; 7 - боковий зазор у з'єднанні вхідного шліцьового валу редуктора з валом насоса-дозатора 6; 8 - боковий зазор у зубчатому з'єднанні сателітного колеса редуктора з сонячним колесом редуктора.

При попутному навантаженні сила, яка діє на керовані колеса самохідної машини, співпадає з напрямком дії перепаду тиску в порожнинах гідроциліндра. При дії попутного навантаження можливе виникнення ситуації, при якій робоча рідина в напірній порожнині гідроциліндра опиняється під дією розтягуючого зусилля, що може привести до виникнення порушень нерозривності робочої рідини та виникнення вакууму в даній порожнині.

Згідно отриманих результатів при збільшенні кута нахилу робочих кромок насос-дозатор і відповідно гідрооб'ємна система рульового керування втрачають здатність утримувати попутне навантаження. З іншого боку зменшення кута веде до підвищення не технологічності конструкції насоса-дозатора. При малих значеннях кута нахилу при збільшенні перекриття кромок від до відбувається значне зростання припустимого попутного навантаження. Величина перекриття кромок третього () і восьмого () робочих вікон золотникового розподільника не має значного впливу на граничне значення сили попутного навантаження при виконанні робочої кромки з кутом нахилу більшим за . Зменшення відкриття п'ятого і шостого робочих вікон дозволяє забезпечити достатньо високе граничне значення сили попутного навантаження навіть при куті нахилу кромки золотника до 10. Серед інших параметрів, які суттєво впливають на граничне значення сили попутного навантаження, слід відзначити частоту обертання рульового колеса . Із збільшенням кутової швидкості обертання рульового колеса, граничне значення сили попутного навантаження для ГСРК зменшується, і навпаки, при зменшенні кутової швидкості рульового колеса, гідрооб'ємна система рульового керування працює при значних силах попутного навантаження без втрати керованості.

Показники роботи ГСРК значно погіршуються при зменшенні робочого об'єму дозуючого механізму. Дана обставина є причиною використання в малих типорозмірах насосів-дозаторів кута нахилу кромки золотника, зменшеного до 1.5

Третій розділ присвячено розробці та дослідженню модернізованої ГСРК самохідної СГМ. Запропонована конструкція робочого вікна золотникового розподільника, яка покращує можливість роботи ГСРК СГМ при дії попутного навантаження.

Конструктивна схема вікна золотникового розподільника даного типу, показана. Дросельне вікно, в даному випадку утворюється кромкою на торці розточки у корпусі 1 (точка В), та дроселюючою кромкою на золотнику 2 (точка А). Прямокутні пази на буртах золотника розташовуються симетрично для виключення гідростатичного защемлення золотника. Їх кількість та ширина (а) залежать від типорозміру насоса-дозатора, що легко реалізується при їх виготовленні на відміну від конструкції золотника з конічними кромками.

Площа прохідного перерізу 1,3 і 7-ого робочих вікон золотникового розподільника в залежності від переміщення золотника визначається формулою

, (3.1)

де і = 1, 3, 7 - номер робочого вікна золотника; fi(xз) - площа прохідного перерізу і-ого вікна; n - кількість пазів на бурті золотника; а - ширина пазу. Інші позначення, що використовуються у формулі (3.1), відповідають прийнятим раніше в розділі 2.

Площі відкриття 2,4 і 8-ого робочих вікон золотникового розподільника, величини яких змінюються в протифазі до зміни площі відкриття 1, 3 та 7-ого робочих вікон, визначаються за аналогічною формулою.

Заміною в системі рівнянь (2.94) залежностей (2.25) - (2.28) на вирази (3.1) - (3.4) вона перетворюється в математичну модель системи ГРК з модернізованим насосом-дозатором.

Пошук розв'язків системи диференційних рівнянь (3.5) виконувався за допомогою оригінального програмного забезпечення, описаного у розділі 2.

В результаті чисельного експерименту на основі математичної моделі у формі системи рівнянь (3.5) за розробленим алгоритмом (розділ 2) на основі аналізу характеру перехідних процесів виконувалась оцінка стійкості системи при заданих значеннях параметрів системи. Результати даного дослідження узагальнювалися у вигляді кривих межі стійкості, визначених у площині параметрів р - W3,4, що дозволяє безпосередньо оцінити вплив на умови забезпечення стійкого режиму роботи даної гідросистеми величини зустрічного навантаження (р) та об'єму порожнин (W3,4) виконавчого гідроциліндра.

Показані області (штриховка спрямована у середину області стійкості) системи ГРК при дії зустрічного навантаження (величина якого визначається перепадом тисків р у порожнинах гідроциліндра) визначені при різній кількості nпаз пазів на буртах золотника. Кількість пазів в першому випадку становила nпаз=2, в другому nпаз=3. При цьому ширина пазів а залишалася незмінною і дорівнювала зазначеному вище вихідному значенню. Збільшення кількості пазів негативно впливає на забезпечення стійкої роботи гідросистеми. Так при наявності трьох пазів nпаз=3 помітно обмежується величина сили зустрічного навантаження, відповідно, р, яке може бути забезпечено при роботі даної гідросистеми без виникнення коливальних режимів роботи. Причиною цього являється збільшення сумарної довжини кромок робочих вікон і, відповідно, збільшення коефіцієнта підсилення золотникового розподільника, що звичайно зменшує запас стійкості системи керування. Таким чином, в даному випадку також існує обмеження з точки зору забезпечення стійкої роботи системи ГРК ширини і кількості пазів, які пропонується виконувати на буртах золотника. Але параметри даних геометричних елементів не створюють ніяких технологічних ускладнень при виготовленні золотників.

Вплив глибини пазів hпаз на розташування області стійкої роботи системи ГРК можна оцінити, аналізуючи області стійкої роботи системи , що показана, визначені при різних значеннях hпаз, які змінювались від hпаз = 6 мм до hпаз = 15 мм. Значення інших параметрів системи відповідали вихідним. Розташування області стійкої роботи системи гідроб'ємного рульового керування і її величина не змінились, що свідчить про те, що даний параметр не впливає на стійкість роботи системи.

Результати дослідження впливу ширини а пазу на бурті золотника на розташування області стійкої роботи системи ГРК в параметрах (р, W3,4) показані. При забезпеченні ширини а пазів на буртах золотника, які утворюють його першу (а1), четверту (а4), сьому (а7) та восьму (а8) робочі кромки на рівні вихідних значень (а1 = а4 = а7 = а8 = 3,5 мм) запас стійкості задовольняє можливість нормальної роботи системи ГРК навіть при досягненні силою зустрічного навантаження максимального значення. При цьому об'єм порожнини гідроциліндра має бути не меншим W3,4 = 300 см3, що практично завжди має місце в реальних гідросистемах рульового керування.

В той же час збільшення ширини указаних пазів вдвічі (а1 = а4 = а7 = а8 = 7 мм) веде до переміщення межі стійкості в бік менших значень припустимого перепаду тиску р в порожнинах гідроциліндра, що ускладнює забезпечення стійкої роботи системи ГРК.

Таким чином, збільшення ширини паза аналогічно по своєму впливу збільшенню кількості пазів на буртах золотника. В обох випадках відбувається збільшення довжини робочої кромки, що негативно впливає на стійкість гідросистеми.

Збільшення довжини пазів b1 та b8 від b1=b8= 1,85 мм до b1=b8= 3,7 мм практично не впливає на положення області стійкості і, таким чином, не змінює запасу стійкості системи.

При збільшенні робочого об'єму дозуючого механізму насоса-дозатора при незмінних параметрах золотникового розподільника, запас стійкості системи ГРК збільшується.

Дослідження впливу частоти обертання вхідного вала насоса-дозатора, зв'язаного з кермом, свідчать, що при зміні частоти обертання вхідного вала від до межа області стійкості практично не міняє свого положення і, таким чином, даний параметр системи ГРК може не прийматися до уваги при оптимізації динамічних характеристик.

Виконано дослідження для порівняння якості роботи систем ГРК з використанням золотників, у яких різна форма кромок у розподільнику насоса-дозатора системи ГРК під час дії зустрічного навантаження на шток виконавчого гідроциліндра, побудуємо області стійкої роботи системи для обох варіантів на одній координатній площині у системі координат р - W3,4, при вихідних значеннях параметрів системи, причому параметри системи з золотником, у якого кромки мають пази, розраховані таким чином, щоб площі відкрить даного розподільника співпадали з площами відкрить розподільника, що має у своєму складі золотник з конічними кромками.

Як видно область стійкості системи ГРК з модернізованою конструкцією золотникових вікон більша, ніж область стійкості системи ГРК з золотниковим розподілювачем, що має конічну форму робочих вікон.

Отже запропонована конструкція є більш бажаною.

У процесі виконання досліджень було виявлено, що найбільш інформа-тивною про стан системи при дії попутного навантаження є залежність витрати рідини крізь противакуумний клапан від перепаду тиску на виконавчому гідроциліндрі. Показано розрахункову витратну характеристику противакуумного клапана для двох конструктивних варіантів виконання золотника розподільника. Перша крива отримана при моделюванні золотника з конічними дросельними кромками. У випадку використання золотника такої конструкції явище некерованого руху штока гідроциліндра виникає при перепаді тиску на виконавчому органі системи ГРК, що становить 8 МПа. В той же час використання у розподільнику золотника з пазами на дроселюючих кромках (крива 2) дозволяє працювати при перепаді тиску в порожнинах гідроциліндра до 15 МПа.

Четвертий розділ “Експериментальне дослідження фізичної моделі системи гідрооб'ємного рульового керування. Практична реалізація результатів роботи” присвячений експериментальній перевірці адекват-ності математичних моделей ГСРК самохідних машин сільськогосподарського призначення. Для проведення досліджень використовувався стенд, створений для дослідження гідрооб'ємних систем рульового керування, який дозволив детально проаналізувати роботу системи на рівні фізичної моделі та виявити характерні режими роботи системи при зміні умов її роботи: зміні величини та напряму сили зовнішнього навантаження; зміні параметрів системи. Наведено гідравлічну схему експериментального стенду з різними варіантами компоновок в залежності від типу навантаження на виконавчі органи ГСРК. Описана методика налагодження стенда та методика проведення досліджень. Проведена перевірка результатів математичного моделювання шляхом дослідження роботи системи за рахунок зміни параметрів, що характеризують стан системи в залежності від керуючої дії на вхідний вал насоса-дозатора та тиску у циліндрових порожнинах насоса-дозатора для різного співвідношення пара-метрів системи. Проведені експериментальні дослідження показали близьке співпадання результатів фізичного і математичного моделювання, що дозволяє рекомендувати дані математичні моделі для використання при проектуванні ГСРК.

У п'ятому розділі “Оцінка конкурентоздатності системи гідрооб'ємного рульового керування” наведено розрахунок конкурентоспроможності модернізованої ГСРК самохідної СГМ. Показниками для оцінки технічного рівня системи рульового керування сільськогосподарської машини, були прийняті: вага системи у спорядженому стані; допустиме попутне навантаження; сумарний люфт системи рульового керування СГМ; об'єм, який займає система рульового керування у спорядженому стані; номінальний момент на рульовому колесі.

В результаті проведених розрахунків на конкурентоспроможність удосконаленої ГСРК самохідної СГМ виявлено, що дана ГСРК є найбільш конкурентоспроможною серед своїх аналогів вітчизняного виробництва.

Основні результати і висновки

В результаті виконання досліджень відповідно до мети та задач даної роботи отримані наступні результати:

1. Проведений аналіз існуючих самохідних СГМ, а саме систем рульового керування, свідчить що впровадження і удосконалення систем ГСРК є актуальною задачею, яка відповідає сучасним напрямкам розвитку та удосконаленню конструкцій самохідних СГМ.

2. Розроблена та досліджена математична модель базової ГСРК самохідної СГМ, яка коректно описує характеристики ГСРК та процеси які виникають при її роботі, що дозволяє детально проаналізувати особливості роботи та виявити вплив параметрів ГСРК на показники якості роботи СГМ. Дослідження даної моделі відбувалось за допомогою розробленого оригінального алгоритму, та побудованого на його основі програмного забезпечення. Розроблена методика може бути запропонована проектантам для розрахунку ГСРК самохідних СГМ в цілому, так і окремих елементів систем рульового керування.

3. Досліджені характеристики роботи ГСРК самохідної СГМ в різних режимах технологічного навантаження на рульові колеса. Проаналізований вплив параметрів насоса-дозатора ГСРК самохідної СГМ на забезпечення стійкої роботи ГСРК і СГМ в цілому. Виявлено, що найбільш ефективно забезпечити стійку роботу ГСРК самохідної СГМ можливо шляхом підбору перекрить робочих вікон. Для забезпечення надійної роботи ГСРК при дії попутного навантаження найбільш ефективним заходом є вибір перекрить робочих вікон l5, l6 золотникового розподільника які утворюють “відкритий центр” та з'єднують порожнини гідроциліндра із зливною гідролінією, та вибір кута нахилу конічної кромки на бурті золотника в межах 3..5°. По результатам дослідження розроблені рекомендації по удосконаленню конструкції золотникового розподільника шляхом зміни форми робочих кромок золотника і виконання їх у формі прямокутної виборки. Дослідження роботи СГМ із ГСРК з золотником удосконаленої конструкції показали, що в даному випадку забезпечується заданий рівень характеристик ГСРК, а в ряді випадків спостерігається їх поліпшення на 55..60%.

4. Експериментальна перевірка результатів дослідження підтвердила адекватність результатів математичного моделювання та можливість використання розроблених на їх основі заходів, спрямованих на підвищення ефективності використання СГМ.

5. Розроблені заходи по удосконаленню конструкції насоса-дозатора передані на ЗАТ “Будгідравліка” (м. Одеса), де вони отримали позитивну оцінку та прийняті до розгляду з метою подальшого практичного використання.

Основні положення дисертації надруковані в таких працях

1. Іванов М.І., Переяславський О.М., Переяславська О.О., Шаргородський С.А.. Динамічні характеристики гідростатичних дозуючих механізмів систем об'ємного гідравлічного рульового керування // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. - Кіровоград, 2000р. - Вип. №7. - С. 94-97. (Особистий внесок збодувача - розглянуті конструктивні особливості ГСРК та шляхи математичного моделюваня роботи ГСРК)

2. Іванов М.І., Переяславський О.М., Шаргородський С.А. Моделювання системи гідрооб'ємного рульового керування на базі насоса-дозатора типу МРГ 01 // Вибрации в технике и технологиях. - Вінниця, 2002р.- №2(23). - С. 20-28. (Особистий внесок збодувача - розробка математичної моделі ГСРК самохідної СГМ).

3. Іванов М.І., Шаргородський С.А. Апроксимація витратних характеристик вікон золотникового розподільника гідрооб'ємного рульового механізму типу МРГ.01 // Вестник НТУ “ХПИ”. - Харків, 2001 р. - Вып. 129. - С. 116-119. (Особистий внесок збодувача - розробка методики розрахунку витрати рідини крізь дросельну кромку при зміні режиму течії рідини).

4. Іванов М.І., Шаргородський С.А. Дослідження роботи системи гідрооб'ємного рульового керування на базі насоса - дозатора МРГ. 01 при попутному навантаженні робочих органів. // Вестник НТУУ “КПИ”. Машиностроение - Киев, 2002 - Вып. 42 том 1. - С. 187-192. (Особистий внесокзбодувача - дослідження впливу попутного навантаження на якість роботи існуючої ГСРК самохідної СГМ).

5. Іванов М.І., Шаргородський С.А. Покращення роботи системи гідрооб'ємного рульового керування на базі насоса-дозатора типу МРГ.01 при дії попутного навантаження. // Вибрации в технике и технологиях. - Вінниця, 2003 - №4(30). - С. 73-77. (Особистий внесок збодувача - розроблена математична модель модернізованої моделі ГСРК, та отримані перехідні процеси залежності швидкості переміщення штока гідроциліндра).

6. Іванов Н.И., Шаргородский С.А., Переяславская О.А., Сорокин В.Л. Анализ работы систем рулевого управления в штатном и аварийном режимах. //Вибрации в технике и технологиях. - Вінниця, 2003 - №4(30). - С. 78-81. (Особистий внесок здобувача - проаналізована можливість роботи ГСРК самохідної СГМ у штатному і аварійному режимах).

7. Іванов М.І., Гунько І.В., Шаргородський С.А. Автоматизація дослідження впливу хвильових процесів в довгих порожнинах на роботу гідропривода з послідовним з'єднанням гідромоторів //Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - Хмільницький, 1999 р. - №1. - С. 134-139. (Особистий внесок здобувача - виявлені межі впливу хвильових процесів, що виникають у гідросистемах на стійксть роботи гідросистем).

Анотація

Шаргородський С.А. Підвищення ефективності використання сільськогосподарських машин шляхом модернізації системи гідрооб'ємного рульового керування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Вінницький державний аграрний університет, Вінниця, 2006.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності сільськогосподарських машин шляхом дослідження і модернізації систем гідрооб'ємного рульового керування. Розроблено математичну модель ГСРК самохідної СГМ, в якій вперше враховані залежності витрат робочої рідини від режиму її течії через дросельні кромки у золотниковому розподілювачі насоса-дозатора системи гідрооб'ємного рульового керування СГМ, нелінійні залежності коефіцієнтів витікання та перетікання. Це дозволило провести імітаційні дослідження ГСРК з більшим наближенням до реальних умов роботи машини. В результаті досліджень були запропоновані ряд заходів по модернізації системи гідрооб'ємного рульового керування шляхом зміни форми дросельних вікон золотникового розподільника насоса-дозатора системи, та сформульовані рекомендації по вибору геометричних параметрів золотникового розподільника насоса-дозатора ГСРК.

Ключові слова: сільськогосподарські машини, система гідрооб'ємного рульового керування, математичне моделювання, рекомендації по вибору параметрів, автоматизована методика розрахунку.

Summary

Shargorodsky S.A. Increas of effectiveness agricultural machines using by means of modernization the system of hydrostatic steering. - Manuscript.

Thesis being submitted for the scientific degree of Candidate of Technical Sciences on speciality 05.05.11 - machines and means of mechanization for agricultural production. - Vinnitsa state agricultural university, Vinnitsa, 2006.

Dissertation is devoted to increase of effectiveness agricultural machines (AM) using investigation and modernization of the system of hydrostatic steering (SHS). It was elaborated the mathematical model SHS of mobile agricultural machine where for the first time took into account the dependence hydraulic fluid expences from its flow pattern througth throttle edge in relay valve of steering control unit AM, nonlinear dependance between the coefficients of discharge and spill over. It made possible realization of immitating research of SHS to come nearer to real working machine condition. As result of research there were introduced a measures for system of hydrostatic steering modernization using change of choking windows form of relay valve steereng control unit system and formulated the recomendation for choice geometric parameters of relay valve steering control unit SHS.

Key words: agricultural machines, hydrostatic steering system matematical model, recomendation for parameter choice, automation of calculation methods.

Аннотация

Шаргородский С.А. Повышение эффективности использования сельскохозяйственных машин путем модернизации системы гидрообъемного рулевого управления. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохо-зяйственного производства. - Винницкий государственный аграрный университет, Винница, 2006.

В работе приведен обзор состояния и основных направлений развития систем рулевого управления самоходных сельскохозяйственных машин (СХМ). Приведены данные, которые свидетельствуют о широком применении систем рулевого управления современных самоходных СХМ. Выполнен анализ основ-ных схем и конструктивных особенностей гидрофицированных систем рулевого управления самоходных СХМ. Определены актуальные вопросы и факторы, которые не рассматривались в предыдущих исследованиях в данной области, но важные для последующего развития теории и практики гидрообъемных систем рулевого управления (ГСРУ) самоходных СХМ. Определены объекты и цель исследований, сформулированы задачи, решение которых обеспечивает достижение цели исследований. Создана математическая модель ГСРУ самоходной СХМ на базе насоса-дозатора МРГ.01. Приведена методика исследования динамических процессов в системе ГСРУ самоходной машины сельскохозяйственного назначения, путем постановки численного эксперимента и анализа полученных переходных процессов работы системы, разработано оригинальное программное обеспечение для проведения данного численного эксперимента. Проведен анализ влияния основных параметров ГСРУ СХМ и внешних факторов, которые действуют на систему, на положение и размеры областей устойчивой работы системы. Проведенные исследования позволили выявить параметры ГСРУ, которые больше всего влияют на стойкость работы системы. Разработаны рекомендации по выбору параметров золотникового распределителя и других составных элементов ГСРУ при действии встречной и попутной нагрузки на исполнительный орган ГСРУ СХМ, которые позволяют обеспечить работу данной системы в пределах установленных норм при изменении в широких границах внешних воздействий - величины и характера внешней нагрузки, скорости движения и т.д.

Предложена и исследована модернизированная ГСРУ самоходной СХМ. На основе результатов математического моделирования ГСРУ, показано, что наиболее эффективно повышение уровня показателей качества ее работы достигается путем усовершенствования конструкции золотникового распределителя, а именно - выбором величины перекрытий (открытий) рабочих окон, а также формы рабочих кромок. Результаты анализа математической модели, в которую внесены изменения соответственно мероприятиям по усовершенствовании конструкции, свидетельствует об эффективности предложенной ГСРУ самоходных СХМ.

Диссертация содержит экспериментальные исследования работы ГСРУ СХМ с целью проверки адекватности математических моделей ГСРУ самоходных СХМ. Приведен расчет конкурентоспособности модернизированной ГСРУ самоходной СХМ.

Ключевые слова: сельскохозяйственные машины, система гидрообъемного рулевого управления, математическое моделирование, рекомендации по выбору параметров, автоматизированная методика расчета.

Размещено на Allbest.ru