Исследование динамических характеристик систем управления колес мобильной машины с героторным насосом-дозатором

Мобильные машины на колесном ходу широко используются в строительной технике. При написании данной статьи были использованы научная и учебно-методическая литература, руководства по технической эксплуатации и научные статьи. Динамические и статические расчеты были проведены по методике, указанной в литературе [1]-[2]. В качестве примера была взята гидравлическая схема из технического описания и инструкции [3]. В ходе написания были рассмотрены статьи [4]-[5], однако в них не было рассмотрено применение систем с героторным регулированием в строительной технике. Из литературы [1] были взяты основные понятия об объемных гидропередачах.

В качестве примера рассмотрим принципиальную схему  и работа системы управления, представленную на Рис.1.

схема гидрораспределителя (б), общий вид коммутаций каналов и положения золотника в корпусе рулевого устройства (в). 1-7 – линии (ходы) золотника; А,В – линии к гидроцилиндру; Р – линия от насоса; Т – линия в бак, на слив; Г1,Г2 – линии к полостям насоса-дозатора.

При повороте руля работа системы управления поворотом колес обеспечивается взаимодействие трех частей:

- распределителя, состоящего из поворачивающегося золотника и неподвижного корпуса,

- насоса-дозатора героторного типа,

- насоса управления.

В нейтрали насос управления через золотник разгружен, так как его напорное отверстие через распределитель соединено с баком (рис. а,б), (соединение линий 2-6 через золотник), линии насоса-дозатора заперты (линии 5-7).

При повороте рулевого колеса, например, вправо (рис. в,г) через механическую связь между рулевой колонкой и колесом поворачивается золотник, открывая проход рабочей жидкости к насосу-дозатору, который от рулевой колонки делает такое же количество оборотов, которое делает рулевое колесо.

Методы и результаты

Рис. 2. Механическая связь между поворотом рулевого колеса и движением золотника.

При повороте рулевого колеса через зубчатую передачу приводится во вращение втулка с внутренними зубьями – 1, имеющая механическую связь  с одной стороны с золотником – 2 (рис. 2),  с другой стороны через наклонную ось – 3 с зубьями на конце  с планетарным редуктором (рис. 2), который связан с насосом-дозатором.

При повороте рулевого колеса одновременно смещается золотник распределителя и поворачивается наклонная ось, приводящая во вращение через редуктор насос-дозатор.

Смещение золотника относительно корпуса ограничено наклонным пазом, выполненным во втулке 

При повороте рулевого колеса на угол φ_р,  перемещается золотник – Х_з, его перемещение должно обеспечивать:

1) угловую скорость dφ₁/dt (угол поворота – φ_д), ведущей шестерни насоса-дозатора;

2) преодоление инерционных нагрузок и нагрузки со стороны механизма поворота;

3) преодоление сжимаемости жидкости в полостях насоса-дозатора и гидролиниях.

Перемещение золотника  Х_СК для создания к насосу-дозатору потока, обеспечивающего угловую скорость, можно выразить следующим образом:

где К_СК – коэффициент усиления по скорости;

 – угловая скорость ведущей шестерни насоса-дозатора. Рассматривая расход через золотник в виде

 где μ=0,7];

f_з – площадь проходного сечения золотника;

ΔР= Р₁-Р₂ – перепад давления на кромках золотника;

Р₁=Р_Н  и в дальнейшем принимаем, что на входе в золотник давление постоянно и равно Р_Н  – давлению настройки предохранительного клапана;

Р₂ – давление во всасывающей полости насоса-дозатора.

Рис.3 Характеристика дроссельной щели золотника при Р₂=0.

Примем расход насоса Q_Н = 10л/мин = 1,7∙10^-4 м³/с, ход золотника нами рассчитан ранее Хз=3 мм=3∙10^{-3 м, коэффициент усиления золотника по расходу:}

Используя K_Q можно записать

где Q_З – расход через золотник;

Q_НД– расход через насос-дозатор (без учета утечек);

q_НД – рабочий объем насоса-дозатора;

ω_НД – угловая скорость насоса-дозатора.

В операторном виде:

где  – коэффициент усиления по скорости;

 – угол поворота ведущей шестерни насоса-дозатора.

Используя радианную меру, определим рабочий объем через см³/рад:

 Коэффициент усиления по угловой скорости.

Кр – коэффициент усиления по давлению – наклон перепадной характеристики. В нашем случае постоянное давление на входе в золотник  Р_Н = 14,2 МПа, ход золотника Х_З = 3 мм.

Коэффициент усиления по давлению:

Момент на оси ведущей шестерни насоса-дозатора:

где К_М = К_Р ∙ q_НД – коэффициент усиления по моменту;

Р = К_Р ∙ Х_З – давление, определенное по коэффициенту усиления по давлению, определенное по перепадной характеристике.

Значение коэффициента усиления по моменту:

Ход золотника для движения с угловой скоростью ω_НД и преодоления вязкого трения.

 (1)

α – коэффициент вязкого трения, величина коэффициента принимаем в первом приближении α=0,05.

Воздействие на золотник от поворота руля, через кинематическую связь в корпусе золотника.

Сигнал D через передачу:

Сигнал обратной связи:

где φ_Р – угол поворота руля, φ_НД – угол поворота ведущей шестерни насоса-дозатора.

Рис.4. Кинематическая связь угла поворота руля φ₁, перемещения золотника Х_З, угла поворота насоса-дозатора φ_НД (а); расположение паза в золотнике, обеспечивающего механическую связь поворота руля и движения золотника (б); реализация обратной связи в системе управления (в). φ_р – входной сигнал,  – звено усиления (передаточное), Х’_З – выход с передаточного звена, φ_НД – выходной сигнал, G – система управления,  – передаточное звено обратной связи, Х_З= Х’_З – Х”_З – ход золотника.

Выводы:

На основании полученных результатов можно построить ЛАХ, ФЧХ(Рис.5) характеристики и посмотреть значения основных динамических коэффициентов.

Рис.5 ЛАХ, ФЧХ характеристики.