Обоснование выбора параметров и конструктивной схемы гидропривода стрелы на основе анализа эксплуатационных требований к устойчивости экскаватора

Актуальность темы

Тенденция сокращения ручного труда в различных отраслях промышленности способствовала росту масштабов применения машин с гидравлическим приводом, что позволило механизировать и автоматизировать различные технологические и вспомогательные процессы, улучшить условия труда и сократить количество задействованных в производстве рабочих. Расширение применения машин с гидравлическим приводом, в свою очередь, привело к необходимости постоянного совершенствования их технического уровня.

Гидропривод нашел широкое применение на строительно-дорожных, лесозаготовительных, подъемно-транспортных, коммунальных и других грузоподъемных машинах различного технологического назначения. Основные нагрузки в экскаваторе воспринимает начальное звено — стрела. Стрела, приводимая в движение гидравлическим приводом, выполняет основной рабочий процесс подъема и опускания груза. Возникающие проблемы, как на стадии проектирования, так и при эксплуатации гидропривода стрелы связаны с режимом опускания. Гидропривод стрелы должен обеспечивать скоростное опускание, регулирование скорости опускания от нуля до максимально допустимого значения, а также исключать колебательные процессы и возникновение динамических нагрузок при торможении.'Основным недостатком работы гидропривода стрелы в режиме опускания является неизбежность потерь энергии в результате дросселирования жидкости, необходимого для обеспечения требуемой скорости опускания стрелы. При опускании стрелы основной движущей силой является сила тяжести рабочего оборудования и груза, а не давление, создаваемое потоком рабочей жидкости от насоса, поэтому процесс опускания в большей степени связан с диссипацией избыточной потенциальной энергии за счет дросселирования рабочей жидкости вытесняемой из гидродвигателя. Снижение энергетических потерь в гидроприводе стрелы в процессе опускания возможно за счет максимального использования только потенциальной энергии положения манипулятора и полного исключения использования потока рабочей жидкости от насоса, что позволит совмещать опускание стрелы с другими рабочими операциями и повысить производительность машины.

Работа гидропривода стрелы сопровождается ударными нагрузками и колебательными процессами, связанными как с влиянием качества управления, так и следствием технического несовершенства схемно-конструкторского решения гидропривода. На долю отказов металлоконструкции и гидроцилиндров стрелы, вызванных динамическими нагрузками и нарушением устойчивости экскаватора, приходится от 15% до30%. Поэтому при проектировании гидроприводов одной из важных задач является рациональный выбор параметров гидропривода, позволяющий устранить динамические нагрузки, вызывающие нарушение равновесия всей машины.

В процессе опускания стрелы все силы, действующие на шток гидроцилиндра, совпадают с направлением движения и воспринимаются силой от давления рабочей жидкости встречной полости гидроцилиндра. Происходит преобразование энергии движущих сил в потенциальную энергию давления жидкостискорость протекания этого процесса обусловливает динамические нагрузки и возникновение колебаний в гидроприводе, которые приводят к колебаниям стрелы, а также к возникновению динамических составляющих сил центробежных, инерционных и сил Кориолиса, влияющих на устойчивость экскаватора.

Ударные нагрузки и колебательные процессы, возникающие в гидроприводе стрелы, приводят к нарушению устойчивости экскаватора по сцеплению с опорной поверхностью и устойчивости против опрокидывания. Нарушение устойчивости отрицательно влияет на ресурс гидропривода и экскаватора в целом, снижает производительность, безопасность работы и эффективность использования функциональных возможностей экскаватора и, следовательно, функциональные возможности использующегося гидропривода [ 82,84,85,]. Решить проблему снижения динамических нагрузок, влияющих на устойчивость экскаватора, можно за счет рационального выполнения переходных процессов при движении элементов гидропривода. Методы решения проблем должны быть детально проработаны на стадии технического проекта.

Дальнейшее совершенствование грузоподъемных машин, сложность и необходимость освоения высокоэффективных и надежных гидроприводов требует существенного повышения уровня поисковых исследований, более совершенных методов расчета машин, новых методов проведения ускоренных лабораторных и полевых испытаний [16, 77].

Анализ технической литературы по строительным, дорожным и коммунальным машинам показал, что повышение технико-экономических показателей экскаватора возможно благодаря созданию схемноконструкторского решения гидропривода стрелы, снижающего динамические силовые факторы, которые нарушают устойчивость экскаватора и приводят к возникновению колебательных процессов, понижающих коэффициент полезного действия и точность позиционирования рабочих органов.

Решение этих проблем непосредственно связано с необходимостью изучения и снижения динамических нагрузок привода, сокращением энергозатрат и проведением работ по совершенствованию опытно-теоретических методов исследования динамических параметров гидропривода с применением вычислительной техники.

Цель работы. Обоснование выбора параметров ГС экскаватора, определяющих характеристики торможения в процессе стрелы опускания под действием сил тяжести рабочего оборудования, и его конструктивной схемы на основе выявленного влияния динамических характеристик гидропривода на устойчивое положение экскаватора и эффективность выполнения технологических процессов.

Задачи исследований.

1. Анализ схемно-конструкторских решений, условий работы и существующих методов расчета гидропривода стрелы экскаватора.

2. Разработка обобщенной математической модели ГС.

— 112. Разработка обобщенной математической модели ГС.

3. Разработка уточненного математического выражения коэффициента запаса устойчивости.

4. Разработка методики выбора параметров ГС основанная, на оценке устойчивости экскаватора.

5. Проведение расчетных и экспериментальных исследований динамических процессов в гидроприводе стрелы.

6. Создание рационального схемно-конструкторского решения гидропривода стрелы.

Научная новизна заключается в разработке теоретического обоснования основных параметров и конструктивной схемы ГС, характеризующих участок торможения процесса опускания стрелы, на основе выявленной взаимосвязи с эксплуатационными требованиями к устойчивости экскаватора в целом. При этом получены следующие результаты:

— обобщенная математическая модель гидропривода стрелы, учитывающая свойства рабочей жидкости, конструктивные параметры и упругие деформации гидроцилиндра и прилегающих к нему трубопроводов;

— уточненная зависимость коэффициента запаса устойчивости экскаватора от динамических нагрузок, возникающих на участке торможения в процессе опускания стрелы- — методика выбора параметров ГС (закона изменения площади дросселя 1 активного сопротивления, свойств рабочей жидкости, конструктивных параметров гидропривода) на основе оценки устойчивости экскаватора;

— методическое обеспечение и программно-технический комплекс для проведения экспериментальных исследований гидропривода стрелы по определению основных характеристик гидропривода непосредственно на экскаваторе;

— теоретическое обоснование схемно-конструкторского решения гидрораспределителя ГС экскаватора.

Практическая значимость работы.

1.В создании конструкции гидрораспределителя управления стрелой, позволяющей снизить динамические нагрузки, влияющие на устойчивость экскаватора и повысить эффективность работы гидропривода стрелы.

2.В разработке программно-технического комплекса экспериментальных исследований процесса опускания стрелы и прикладных программ, обеспечивающих запись процесса в реальном времени.

3.В разработке технологии проведения испытаний и измерения динамических параметров гидропривода стрелы экскаватора.

4.В расчете уточненного коэффициента запаса устойчивости экскаватора.

Апробация работы.

Результаты работы по теме диссертации докладывались в период с 2000 по 2002гг на:

— научно-техническом семинаре кафедры «Гидропневмоавтоматика и гидропривод» Ковровской государственной технологической академии;

— Ш-й Международной научно-технической конференции «Управление в технических системах» в г. Коврове, 2000 г.;

— Международной научно-практической конференции «Рациональное использование лесных ресурсов» в г. Иошкар-Ола, 2001 г.;

— Международной научно-технической конференции «АВТО НН 02 Проблемы транспортных и технологических «комплексов» в г. ¦ Нижний Новгород, 2002 г.;

— техническом совете ООО «ЭЗ „Ковровец“».

Публикации.

Основное содержание диссертации защищено патентом РФ № 2 150 553, представлено в 3-х статьях журнала «Строительно-дорожные машины» и 4-х публикациях в материалах научно-технических конференций и семинаров.

Диссертация состоит из четырех глав, выводов и приложений.

В первой главе приводится анализ известных схем гидроприводов стрелы грузоподъемных машин и путей реализации процесса опускания. Описаны распространенные схемы гидроприводов, использующих в качестве движущей силы потенциальную энергию положения, анализируются их недостатки. Дан обзор существующих методик расчета гидроприводов с рычажной связью. Поставлены задачи исследования.

Во второй главе представлена физическая модель гидропривода стрелы и на ее основе составлена математическая модель гидропривода, рассмотрены частные случаи этой модели для переходных процессов опускания стрелы. Гидропривод представлен в качестве одномассовой динамической модели, в которой в качестве звена приведения выбран поршень гидроцилиндра стрелы. Математическая модель состоит из дифференциальных уравнений движения звена приведения и звена управления и уравнений расходов Представлена зависимость коэффициента запаса устойчивости экскаватора от динамических параметров гидропривода стрелы и методика выбора параметров гидропривода стрелы, основанная на оценке устойчивости экскаватора.

В третьей главе рассматривается методика расчета динамических характеристик гидропривода стрелы экскаватора при опускании и коэффициента запаса устойчивости машины с учетом динамических силовых факторов. Описан расчет динамических параметров рабочего оборудования, проведена оценка влияния площадей проходных сечений активного сопротивления, объединяющих поршневую полость гидроцилиндра со сливом и со штоковой полостью, на динамические силовые факторы, влияющие на устойчивость экскаватора. Приводится теоретическое обоснование выбора геометрических параметров гидрораспределителя.

В четвертой главе предложен метод определения динамических характеристик гидропривода в процессе опускания, а также схема программно-технического экспериментального комплекса, описание программно-технического средства, позволяющего подключать к электронной микропроцессорной системе экскаватора персональный компьютер.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на определение влияния динамических характеристик участка торможения стрелы на устойчивость экскаватора, и обоснования выбора параметров гидропривода стрелы, определяющих характеристики торможения, получены следующие результаты:

1. Предложена классификация существующих гидроприводов по затратам энергии. Обосновано, как наиболее эффективное, схемное решение гидропривода стрелы, в котором затраты энергии исключены, а опускание стрелы осуществляется под действием сил тяжести рабочего оборудования.

2. На основе анализа схемно-конструкторских решений, условий работы и методов расчета гидроприводов стрелы экскаватора установлены основные параметры гидропривода стрелы, при которых возникает колебательный процесс, влияющий на устойчивость машины.

3. Разработана обобщенная математическая модель гидропривода стрелы, использующего в процессе опускания потенциальную энергию положения рабочего оборудования и груза, позволяющая определить динамические характеристики гидропривода для участка разгона и торможения процесса опускания стрелы. Выполнено исследование влияния свойств жидкости и основных параметров гидропривода на динамические характеристики торможения процесса опускания стрелы.

4. Разработана уточненная математическая зависимость коэффициента запаса устойчивости от динамических нагрузок, возникающих при опускании стрелы на участке торможения.

5. Предложена методика выбора параметров гидропривода стрелы, основанная на оценке устойчивости экскаватора.

6. Разработано методическое обеспечение и создан программно-технический комплекс для проведения экспериментальных исследований по определению основных характеристик гидропривода стрелы непосредственно на экскаваторе.

7. Предложен путь снижения влияния динамических нагрузок, возникающих на участке торможения в процессе опускания стрелы, на устойчивость экскаватора, который основан на уменьшении амплитуды колебательного процесса за счет конструктивных параметров гидропривода стрелы.

8. Разработан гидропривод стрелы с измененной зависимостью площади рабочих проходных сечений от хода золотника гидрораспределителя, который позволил уменьшить динамические нагрузки и повысить устойчивость экскаватора в целом. Амплитуда колебаний сократилась на 17%.

9. Предложено схемно-конструкторское решение гидропривода стрелы экскаватора, на которое получен патент РФ № 2 150 553. Гидропривод внедрен в серийное производство в ООО «ЭЗ „Ковровец“».

Перспективы развития работы заключаются в следующем:

— полученные в результате расчета и в процессе испытаний гидропривода динамические характеристики могут быть использованы при разработке эталонных диагностических кривых;

— устранение динамических нагрузок возможно без применения специальных тормозных устройств в силовых гидроцилиндрах, для этого необходимо уменьшить скорость перемещения управляющего устройства гидрораспределителя в период перекрытия проходных сечений;

— способ и методика экспериментального определения динамических характеристик гидропривода с использованием программно-технического комплекса могут быть использованы для подбора гидроаппаратуры, входящей в гидропривод, что позволит улучшить управляемость и увеличить зону регулирования.