Структура и алгоритм системы автоматизированного проектирования гидропривода рулевого управления

УДК 625.76

СТРУКТУРА И АЛГОРИТМ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИДРОПРИВОДА РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ

В.С. Щербаков, д-р техн. наук, проф., А.В. Жданов, канд. техн. наук, В.В. Меньков, аспирант Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Аннотация. В связи с мировыми тенденциями, наиболее приоритетной задачей при проектировании гидроприводов рулевого управления в последнее время становится автоматизация процесса проектирования. В статье обоснованы критерии эффективности и приведены результаты оптимизации. Разработаны структура и алгоритм системы автоматизированного проектирования гидропривода рулевого управления.

Ключевые слова: гидропривод рулевого управления, автоматизация проектирования, эффективность оптимизации.

Введение

Благодаря высоким компоновочным свойствам, соответствию мощностным параметрам землеройно-транспортных и дорожностроительных машин и достаточной надежности, широкое применение для управления колесными машинами получил гидропривод рулевого управления (ГРУ) [1]. ГРУ оснащаются не только новые машины, но и уже существующие, путем замены гидромеханического рулевого управления на гидравлическое. Поэтому актуален вопрос проектирования ГРУ как для вновь создаваемой техники, так и для модернизации существующей.

В связи с мировыми тенденциями, наиболее приоритетной задачей при проектировании ГРУ в последнее время становится автоматизация процесса проектирования. Анализ работы отечественных предприятий выявил полное отсутствие систем автоматизированного проектирования (САПР) или методик выбора параметров ГРУ, основанных на методах оптимизационного синтеза параметров с целью улучшения выходных характеристик и повышения показателей системы.

Поэтому в настоящее время являются актуальными вопросы разработки САПР ГРУ, задачей которой является автоматизированный расчет параметров и выбор гидроцилиндра поворота, исполнительного механизма (гидромотора обратной связи) и питающего насоса по данным, предоставленным заказчиком.

Система автоматизированного проектирования

При разработке САПР ГРУ принято решение руководствоваться требованиями повы-

шения производительности, надежности и долговечности, а также снижения энергозатрат, что позволило сформулировать частные критерии оптимизации.

Анализ научных работ по исследованию ГРУ показал, что повышения производительности можно достичь путем повышения быстродействия привода за счет сокращения времени переходных процессов нарастания расхода и давления рабочей жидкости в гидроприводе при включении. Снижение перепада давлений на исполнительном механизме позволяет повысить надежность и долговечность привода путем снижения нагрузки на гидроэлементы, сократить утечки и перетечки рабочей жидкости, и разгрузить силовую установку, что позволит снизить энергозатраты.

Были составлены целевые функции по частным критериям давления и быстродействия:

к, = т ^нас, Fц) ^ тт;

кр = Рнас ^нас, Fц) ^ тт,

и сформирован комплексный критерий:

К^ = Л1к1 + ЛРкР ^ тт,

где ЛТ - весовой коэффициент для критерия

быстродействия; ЛР - весовой коэффициент для критерия давления.

Одной из основных задач при проектировании ГРУ является автоматизированный расчет оптимальной подачи насоса по выбранным значениям усилия поворота и рабочего объема гидромотора обратной связи. Для составления базы данных уравнений регрессии, по которым и будет проводиться по-

добный расчет, необходимо использовать инженерную методику, основанную на решениях математической модели, составленных при помощи системы автоматизированного моделирования ГРУ, анализе и синтезе системы. Однако инженерная методика манипулирует лишь значениями основных параметров и не

дает никакого представления о выборе конкретных гидроагрегатов. Для выбора конкретных марок гидроэлементов, входящих в состав ГРУ, в САПР вводятся базы данных со справочными данным по гидроагрегатам. На рис. 1 представлена структура САПР ГРУ.

рабочего объема гидромотора обратной связи

Система автоматизированного моделирования ГРУ

Инженерная методика для выбора основных параметров ГРУ

Анализ переходных процессов, протекающих в ГРУ

Методика синтеза основных параметров ГРУ

Рис. 1. Структура системы автоматизированного проектирования гидропривода рулевого управления

Результаты оптимизации позволили построить и аппроксимировать трехмерную зависимость подач питающего насоса при различных значениях усилий поворота для каждого значения рабочего объема гидромотора обратной связи QнAc* = f ЙМ, Fц), представленную на рисунке 2. Уравнение полиномиальной регрессии, описывающее эту поверхность, является основным уравнением, на котором базируется САПР ГРУ:

QнAc* = 0,405 + 0,017qм + 0,001 Fц — -1,81-10%, 2 — 0,0002 FЦ2+4,13610"6qМ FЦ.

Алгоритм САПР ГРУ:

1. Ввод данных проектировщиком.

Начальным этапом при проектировании ГРУ для установки на новую машину или при модернизации уже существующей является сбор исходных данных. Необходимыми для расчета ГРУ параметрами являются:

- ход штока исполнительного гидроцилиндра; усилие поворота, приведенное к штоку испол-

нительного гидроцилиндра Fц,

- запас давления настройки предохранительного клапана 65...90%. Кроме того от заказчика требуется установить приоритет между быстродействием системы и снижением перепада давлений.

2. Расчет параметров и выбор гидроцилиндра поворота.

Ход штока определяется из кинематической схемы рулевой трапеции при ее проектировании и выбирается таким образом, чтобы его значение соответствовало стандартному ряду. Усилие поворота рассчитывается на этапе проектирования самой машины или экспериментально и задается заказчиком. Исходя из условий эксплуатации проектируемой машины, назначается запас от 65 до 90% от давления настройки предохранительного клапана исполнительного механизма. По заданному усилию на штоке с учетом запаса определяется диаметр поршня гидроцилиндра. Если значение диаметра не совпадает со зна-

чением, регламентированным ГОСТом, то оно округляется до ближайшего большего.

Таким образом, установив значения диаметра поршня и хода штока исполнительного гидроцилиндра, из базы данных гидроцилиндров подбирается соответствующий.

3. Определение рабочего объема гидромотора обратной связи и выбор героторной пары.

Требованиями к системам рулевого

управления, предусматривается поворот

управляющих колес из одного крайнего положения в другое за 5 оборотов рулевого колеса. Поэтому для расчета рабочего объема необходимо рассчитать объем жидкости, вытесняемый из поршневой полости гидроцилиндра по формуле Vц = Sц1L. Теперь, зная объем гидроцилиндра, по формуле qМ = Vц /5 можно вычислить рабочий объем гидромотора обратной связи qМ. Если значение диаметра не совпадает со значением, регламентированным ГОСТом, то оно округляется до ближайшего большего.

Из справочных материалов выбирается геро-торная или героллерная пара соответствующего типоразмера.

4. Расчет подачи и выбор питающего насоса.

Зная рабочий объем гидромотора обратной связи и усилие поворота, из уравнения регрессии вида QНAc* = f ЙМ, Fц) для выбранного диаметра поршня гидроцилиндра можно произвести расчет оптимальной подачи насоса. Если такого уравнения для выбранного диаметра поршня гидроцилиндра в базе данных не существует, то необходимо воспользоваться инженерной методикой для вывода уравнения регрессии.

По полученному значению подачи выбирается питающий насос.

5. Контроль эффективности оптимизации.

Эффективность оптимизации подтверждается посредством расчета численных значений целевых функций вида р* = f ^М, Fц) и т* = f ЙМ, Fц) при оптимальном значении подачи насоса.

QнАС*

м3/с

1 /4-6 3

qм 10 , м

FЦ•103, Н

52.5

Рис. 2. Зависимость оптимальной подачи питающего насоса от величины усилия на штоке исполнительного гидроцилиндра и рабочего объема гидромотора обратной связи

Выводы

В качестве примера в результате оптимизации величины подачи питающего насоса представлена аппроксимированная зависимость оптимальной подачи питающего насоса от величины усилия на штоке исполнительного гидроцилиндра и рабочего объема гидромотора обратной связи при диаметре штока гидроцилиндра 0,08м, максимальной силой на

штоке 70000 Н и запасом 10% давления настройки предохранительного клапана.

В процессе реализации САПР ГРУ вычисляются и аппроксимируются зависимости целевых функций, определяемые частными критериями оптимизации: по давлению и быстродействию, от величин силы на штоке исполнительного гидроцилиндра и рабочего объема гидромотора обратной связи при оптимальной подаче питающего насоса.

Для реализации САПР ГРУ вычисляются подобные зависимости для различных диаметров гидроцилиндров, предусмотренных ГОСТом, с учетом того, что диаметр гидроцилиндра выбирается исходя из максимальной нагрузки на штоке и с учетом запаса по давлению настройки предохранительного клапана.

Библиографический список

1. Жданов А.В. Математическое описание системы объемного гидропривода рулевого управления / Ш.К. Мукушев, А.В. Жданов // Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений: Материалы I Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 24 - 26 мая 2006 г. - Омск: Изд-во СибАдИ, 2006. - Кн. 3. - С. 70 - 80.

Structure and algorithm of automated designing system of steering hydrodrive mechanism

V.S. Sherbakov, A.V. Zhdanov, V.V. Menkov

In connection to global tendencies, the priority problem of designing hydrodrives of steering mechanisms is considered. The criteria of efficiency is proved and results of optimization are listed. The structure and algorithm of system of the automated designing of steering hydrodrive mechanism are developed.

Статья поступила 12.09.2008 г.

УДК 681.5: 621.87

АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АВТОГРЕЙДЕРА В СООТВЕТСТВИИ С ТЯГОВО-СЦЕПНЫМ РАСЧЕТОМ НА ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЕ

Н. В. Беляев, аспирант Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Аннотация. В данной статье рассматривается процесс выполнения тяговосцепного расчета автогрейдера. Определены основные параметры и составлен соответствующий алгоритм.

Ключевые слова: алгоритм, тягово-сцепной расчет, параметры, автогрейдер.

Введение

Как известно, тягово-сцепной расчет автогрейдеров заключается в определении основных параметров, в первую очередь полностью отвечающих требованиям тягового режима работы при выполнении различных технологических операций [1].

При возведении земляного дорожного полотна на один проход резания требуется 2 - 4 прохода по разравниванию и планировке грунта. Поэтому резание грунта автогрейдером необходимо производить при максимально допустимой по тягово-сцепным свойствам площади сечения стружки с тем, чтобы уменьшить число рабочих проходов и таким образом обеспечить максимальную производительность [2].

Разработка алгоритма

При выполнении тягового расчета автогрейдера необходимо задать исходные дан-

ные. Исходными данными для проектирования автогрейдера могут служить грунтовые условия, требуемая производительность и колесная схема.

Конструкция автогрейдера характеризуется, прежде всего, принятой для его ходовой части колесной схемой. Выбор колесной схемы имеет большое значение, так как она в значительной степени влияет на тяговые свойства автогрейдера, его устойчивость, маневренность и планирующую способность.

Производительность автогрейдера, м3/с на рабочем проходе при резании грунта определяется выражением [2]:

П = F  V,

где F - площадь сечения вырезаемой отвалом

2

стружки, м ;

V - фактическая рабочая скорость движения, м/с.