Вдосконалення систем керування гідроприводів з LS-регулюванням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький державний технічний університет

УДК 62-82

Козлов Леонід Геннадійович

ВДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ГІДРОПРИВОДІВ З LS-РЕГУЛЮВАННЯМ

Спеціальність 05.02.03 - Системи приводів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Вінниця 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті (ВДТУ) Міністерства освіти і науки України на кафедрі технології та автоматизації машинобудування.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Бурєнніков Юрій Анатолійович, Вінницький державний технічний університет, декан факультету транспорту, триботехніки та машинобудування.

Офіційні опоненти:

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

кандидат технічних наук, професор Середа Леонід Павлович, ректор Вінницького державного сільськогосподарського інституту.

Провідна установа:

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Міністерство освіти і науки України

Захист відбудеться «26» квітня 2000 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої 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 «24» березня 2000 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої ради Дерібо О.В.

гідропривід регулювання гідро розподільник

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 США компанія Аllise-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 економічності, 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 рр. проводилися роботи спільно з НВО "НАТІ" (Росія) та АТ "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 використані результати цих робіт.

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

Для досягнення поставленої мети розв'язані такі задачі: розроблені схеми систем керування гідроприводів, створені математичні моделі, які включають експериментально отримані характеристики розроблених систем керування; досліджені особливості роботи гідроприводів з LS-регулюванням; розроблені засоби зниження гідравлічних втрат в системах керування і забезпечені необхідні статичні і динамічні характеристики; виконана оптимізація гідроагрегатів, на базі яких розроблена схема гідросистеми неповноповоротного екскаватора.

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

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

- Вперше знайдені діапазони параметрів регуляторів, які забезпечують різну чутливість статичних та динамічних характеристик гідроприводів до зміни параметрів регуляторів, що дозволяє забезпечити статичні характеристики за рахунок регулятора потоку, а динамічні - за рахунок переливного клапана або регулятора насоса, зменшити керуючі перепади та гідравлічні втрати в гідроприводах.

Практичне значення одержаних результатів дисертаційної роботи. Спроектовано і виготовлено гідророзподільник та регулятор насоса. Гідророзподільник характеризується зменшеною на 25% довжиною розподільного золотника у порівнянні з аналогом типу МР18 фірми Rexrоth. Гідроагрегати характеризуються також зменшеною величиною керуючих перепадів у порівнянні з аналогами MP18 і A10V фірми Rexrоth.

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

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень отримані автором самостійно. Постановка задач і аналіз результатів виконані спільно з науковим 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, в тому числі 148 сторінок основного тексту, 87 рисунків на 63 сторінках, 34 таблиці на 21сторінці, список 137 використаних джерел на 15 сторінках, 73 сторінки додатків.

гідропривід регулювання гідро розподільник

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована 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 отриманих 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 робіт по дослідженню робочих процесів у регульованих гідроприводах.

Фундаментальні роботи Башти Т.М., Бочарова В.П., Попова Д.М, Ісковича-Лотоцького Р.Д., Яхно О.М., Струтинського В.Б., Пономарчука А.Ф., Лурьє З.Я., Васільєва 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 роботи гідроприводів з LS-керуванням, вивчені недостатньо. Зроблено висновок, що розв'язання цих питань дозволить створити більш досконалі схеми та конструкції систем керування гідроприводів з LS-регулюванням. Сформульована мета дисертаційної роботи та задачі, які планується розв'язати в ході її виконання.

У другому розділі наводяться схеми та конструкції систем керування гідроприводів з LS-регулюванням. Система керування для гідроприводу з нерегульованим насосом включає гідророзподільник, а для гідроприводу з регульованим насосом - гідророзподільник та регулятор насоса. Системи керування дозволяють забезпечити підключення , реверс та одночасну роботу від одного насоса декількох гідродвигунів і забезпечують роботу гідроприводів на холостому ході, в режимах LS-регулювання, перевантаження та постійного потоку. Гідродвигуни можуть працювати в регульованих режимах, при цьому забезпечується стабілізація величини потоку і пропорційність величини тиску на виході насоса найбільшому із навантажень на гідродвигунах. Розташування переливної секції в середині пакета робочих секцій на відміну від відомих аналогів фірм Danfoss, Rexroth створює умови для зменшення гідравлічних втрат тиску в гідроприводах. Схема робочої секції гідро розподільника включає розподільний золотник, регулятор потоку із зворотним клапаном, регульований дросель, логічні клапани. Насос підключається до гідролінії, а гідродвигун до ліній. За рахунок використання в гідророзподільнику отворів, розточок, а також сполучення цих елементів з логічним клапаном вдалося скоротити на 25% довжину розподільного золотника і корпуса робочої секції в порівнянні з аналогом МР-18 фірми Rexroth.

Третій розділ присвячений викладенню методики та результатів експериментальних досліджень. Для визначення характеристик гідророзподільника створений його макетний зразок. Макетний зразок обладнаний індуктивним датчиком положення золотника і системою каналів, що забезпечують відбір робочої рідини з різних точок гідророзподільника і подачу до манометрів або датчиків 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 на його робочому вікні.

Втрати тиску на ділянці регулювання гідророзподільника, що включає регульований дросель, з'єднувальний канал і робоче вікно розподільного золотника, обчислені по залежності, що визначена за результатами експерименту.

Створено також макетний зразок регулятора насоса з використанням якого на стенді досліджена залежність моменту опору на планшайбі насоса.

Адекватність визначених залежностей для діапазонів тиску МПа і потоку 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 включає насос з регулятором, планшайбою, сервоциліндрами, гідроциліндр, секції гідророзподільника. Секція 8 містить золотник регулятора потоку та дроселі, провідність яких еквівалентна провідності регульованого дроселя, робочого та зливного вікон розподільного золотника та провідності лінії нагнітання гідророзподільника. Регулятор насоса включає золотник з дроселем, запобіжний клапан і дросель.

Працює гідропривод таким чином. Потік від насоса надходить через секції до гідроциліндра і далі від нього через дросель на злив у бак. Величина потоку до гідроциліндра, регулюється зміною провідності дроселів. Золотник регулятора потоку з дроселями забезпечує стабілізацію величини потоку незалежно від навантаження на гідроциліндр, підтримуючи постійним значення перепаду тиску на ділянці регулювання гідророзподільника, що включає регульовані дроселі та з'єднувальний канал. Золотник регулятора насоса підтримує постійним перепад тиску на ділянці від виходу насоса до виходу дроселя, забезпечуючи таким чином відповідність потоку, що подається насосом, потоку, що споживається гідроциліндром. Перепади тиску та, в подальшому позначені, як керуючі перепади, діють на золотники регуляторів і забезпечують їх переміщення в процесі регулювання Запобіжний клапан забезпечує захист елементів гідроприводів від перевантаження. Особливістю гідроприводів з LS-регулюванням є наявність двох регуляторів, одночасно працюючих на один об'єкт регулювання. У випадку гідроприводу з регульованим насосом - це регулятор потоку та регулятор насоса, а у випадку гідроприводу з нерегульованим насосом - це регулятор потоку і переливний клапан.

При розробці розрахункової схеми та математичної моделі були прийняті такі припущення: розглядалася робота гідроприводу при підключенні від крайньої робочої секції одного споживача; відстані між гідроагрегатами незначна, що зводить нанівець вплив хвильових процесів у гідромагістралях; параметри гідроприводу розглядались як зосереджені; температура робочої рідини постійна; коефіцієнти потоку через дроселі та золотникові елементи є постійними; режими роботи гідроприводу - 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 гідроприводу 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.

Розроблена також математична модель гідроприводу з нерегульованим насосом.

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

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 дотичної до максимумів перехідної функції. За графіком перехідної функції, визначався час регулювання, а також величина перерегулювання.

Розглядались наступні 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 гідроприводу в статичному режимі роботи, використовувалося значення - похибки стабілізації потоку до гідродвигуна, а енергетичні характеристики оцінювались за величиною гідравлічного ККД.

Для визначення чисельних величин 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 гідроприводу, а також значень змінних, що описують його роботу в сталих режимах, розроблена програма на мовах Паскаль та Delphi для ПК. Рішення систем нелінійних диференційних рівнянь, що складають математичні моделі гідроприводів, виконано чисельним методом Рунге-Кутта.

Особливістю гідроприводів з LS-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 Rexroth, Danfoss. Наявність керуючих перепадів призводить до підвищення гідравлічних втрат в гідроприводах з LS-регулюванням 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.

Розрахункова схема включає насос з регулятором, гідролінію нагнітання, дроселі, провідності яких еквівалентні провідності гідролінії нагнітання гідророзподільника, що включає 8 робочих секцій. Гідродвигун підключений до крайньої робочої секції, яка включає золотник регулятора потоку, зворотний клапан, регульований дросель, з'єднувальний канал, робоче вікно розподільного золотника.

Величину у відомих схемах вибирають для таких умов роботи гідроприводу, при яких насос підключений до крайньої зліва секції, а гідродвигун - до крайньої справа робочої секції. При цьому величина повинна включати втрати тиску в гідролінії нагнітання восьми робочих секцій. В розробленій схемі системи керування насос підключений до середини пакета робочих секцій і величина включає втрати тиску тільки в чотирьох робочих секціях. Це створює умови для зниження величини керуючого перепаду, зменшення втрат тиску в гідророзподільнику і підвищення гідравлічного ККД гідроприводу.

Величини керуючих перепадів визначають величини перестановочних 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 між і підвищує стійкість гідроприводів і зменшує час регулювання . З точки зору забезпечення стійкості, кращі умови забезпечуються при -< 0.7 МПа. При збереженні різниці -=const і одночасному зменшенні величин та вплив величин керуючих перепадів неоднозначний. При зміні в діапазоні від 1,7 МПа до 0,8 МПа для гідроприводу з регульованим насосом і в діапазоні від 1,5 МПа до 0,7 МПа час регулювання зменшується, а при подальшому зменшенні величина зростає, але в незначній мірі. Значного впливу величин керуючих перепадів на величину перерегулювання та амплітудно-частотну характеристику не виявлено.

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

Найбільш помітний вплив на величину стабілізації величини потоку до споживача.

Размещено на http://www.allbest.ru/