Расчет гидравлического привода стрелы грузоподъемного механизма при опускании

УДК 62-822

РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА СТРЕЛЫ ГРУЗОПОДЪЕМНОГО МЕХАНИЗМА ПРИ ОПУСКАНИИ

АННОТАЦИЯ

Введение. В статье рассматривается дроссельное регулирование, обеспечивающее неразрывность потока рабочей жидкости, с целью предотвращения процесса кавитации в гидроприводе грузоподъемного механизма под действием статических и динамических нагрузок с учетом упругих деформаций гидросистемы при опускании стрелы с грузом. Опускание стрелы осуществляется подачей рабочей жидкости в штоковую полость цилиндра насосом постоянной производительности, слив рабочей жидкости - через дроссель одностороннего действия. Материалы и методы. Для обеспечения неразрывности потока в штоковой полости гидроцилиндра расход рабочей жидкости из поршневой полости должен обеспечить постоянную скорость перемещения поршня независимо от изменения внешней нагрузки. Регулирование скорости опускания стрелы осуществляется изменением эффективного сечения отверстия дросселя при переменном давлении. При решении задачи использовались теории динамики гидроприводов, механизмов и машин, сопротивления материалов и дифференциальных уравнений. Результаты. Представленная методика позволяет на стадии проектирования определять величину давления рабочей жидкости на входе в дроссель и закономерность ее изменения, а также площадь отверстия дросселя, обеспечивающего неразрывность потока при опускании стрелы, в зависимости от конструктивных особенностей кинематической схемы грузоподъемного механизма, массы опускаемого груза и технологического оборудования, углового ускорения стрелы и модуля упругости элементов гидросистемы.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: грузоподъемный механизм, дроссельное регулирование, скорость опускания стрелы, грузоподъемные машины, сжимаемость жидкости, давление в приводе, деформация гидроцилиндра, бескавитационный режим гидропривода, гидропривод грузоподъемного механизма, алгоритм расчета гидропривода.

© Г.Ю. Зубрилов, В.Г. Мельников, В.А. Зеер, Д.С. Голубцов

Г.Ю. Зубрилов, В.Г. Мельников, В.А. Зеер*, Д.С. Голубцов

Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, Россия *zeer.vladimir@mail.ru

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

CALCULATION OF THE HYDRAULIC BOOM LIFTING MECHANISM WHILE LOWERING PROCESS

G.Yu. Zubrilov, V.G. Melnikov, V.A. Zeer *, D.S. Golubtsov

Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia *zeer.vladimir@mail.ru

ABSTRACT

Introduction. The paper considers the throttle regulation providing flow continuity of working fluid for the purpose of cavitations' prevention. The throttle regulation in a hydraulic actuator of the load-lifting mechanism under the influence of static and dynamic loads taking into account elastic deformations of a hydraulic system while the boom lowering with a load is an important process. The boom lowering is carried out by the working fluid supply in a stocked cavity of a cylinder by the pump of constant productivity; draining of working fluid is made through the one-sided action throttle. Materials and methods. The consumption of working fluid from a piston cavity provided the constant movement speed of the piston without external loading change. Regulation of speed while the boom lowering was carried out by change of effective section of the throttle opening in pressure. The authors used dynamics of hydraulic actuators, mechanisms and machines, resistance of materials and differential equations.

Results. The presented technique allowed determining the value of the working fluid pressure and its change in the throttle. Moreover, this technique determined the area of the throttle providing flow continuity while the boom lowering, depending on design features of the kinematic scheme of the load-lifting mechanism, on the mass of the lowered load and technology equipment, on the angular arrow acceleration and on elastic modulus of hydraulic system elements.

KEYWORD: load-lifting mechanism, throttle regulation, speed of the boom lowering, load-lifting machines, compressibility of liquid, pressure in the drive, hydraulic cylinder deformation, non-cavitations' mode of the hydraulic actuator, hydraulic actuator of the load-lifting mechanism, calculation algorithm of the hydraulic actuator.

© G.Yu. Zubrilov, V.G. Melnikov, V.A. Zeer, D.S. Golubtsov

Content is available under the license Creative Commons Attribution 4.0 License.

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании гидропривода грузоподъемных машин и механизмов нробхзрумо учитывать возможность опеиопновврии разрыва потока рабочей жохкести в швркови° зо-лости гидроцилинд|ЭО ж|хи огиаокании си^иы с грузом. Быстрое оп^еканиер^бочего иргсио приводит к выделению раыигоюрюнвых гамоо из рабочей жидкости, возникновению кавитации. Исследования объемной греооостонирурхль-ных масел показали, что понижение давления до - 0,06...- 0,015 МПа при температуре масла 45 "С...50 0С приводит к разрыву потока рабочей жидкости с выделением из нее паров и растворенных в ней газов1 [1, 2]. При разрыве потока происходит |созкож изменевмн оохемх жидкости, сильно меняется ао впвугвсоо,чхо приводит к нарушению устойчивого режима работы гидропривода.

При лпускаЕииртрелл! леобходимо обеспе-члть не р;азрыун<^с^тьз раблЕлУ жепуости

в елы(еклвсй пололыу тлпусцилиыера(уисунск). Это достигается установкой дросселя на вы-ходеиз корневой по.пс^с^ы^и гррллвсй Г^о г^с^с^в^е^л^к^ной подаче коесса (Вн лкорлоть поршыо гирыуцил^к^^^г^|^<( ^доллпобытл г^в^с^в^о-янной, пла этом лыуовик обвскрчиваетев аеу разрывность потока234 [3].

Скорость поршня, м/с:

= 3»

«р

где Sm- площадь штоковой полости гидроци-линдра,м2;

Q - подача насоса, м3/с.

Gnißvi) Vc

Рисунок - Расчетная схема опускания стрелы грузоподъемного механизма Figure - Calculation scheme of the boom lowering lifting mechanism

1 Хохлов В. А. Гидравлические усилители мощности. М. : Наука, 1966. 422 с.

2 Башта Т.М. [и др.] Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов [и др.], 4-е изд., стереотипное, перепечатка со второго издания 1982 г. М : Альянс, 2010. 423 с.

3 Гидравлика и гидропневмопривод. Гидравлические машины и гидропневмопривод : учебник / А.В. Лепешкин, А.А. Михайлин, А.А. Шейпак. 6-е изд., перераб. и доп. М. : ИНФРА-М, 2017. 446 с.

4 Попов Д.Н., Панаиотти С.С., Рябинин М.В. Гидромеханика / под ред. Д.Н. Попова. М. : Изд-во МГТУ им Баумана Н.Э., 2014. 317 с.

сительно вертикали, в случае если точка качания стрелы В находится на одной вертикали снижней ооткоИ кииолетин гидроцдт линдот НО СуоТД0, кои оонаои^но то ртс^кдД "до

,д sin в .

cr = aaccosK--)

Из коатомы КОН) вябразио О^Н^Н, онн доопо отооое краянииляиояномы nfi^fliocCi^^iKi^Hi.aio^ роом гю 0 ил оядятоиио н прpвoдтвй1 [9]:

dnn = /n-cos) cdjH С-cos3 Д) dP + С d2P

id, /рл129) Н1 r0oS у (в df Ь' s^in df 1 (зри

раскроем скобки:

обозна_/м

ftsm в

—M(t) \

с соs в dtt _мт

C cos в • = N(t)l

Cn cos- d)t —oris

-no^'dtt—NK((С.

b-sinp dT

получаем

Первое у=авнеnine нистемы (25) ареобрану-

^ ВВИД

Р=

Aiosa В dm

din) be sin)) df'

обозначим

А• cosa bb sin в

=m,

в

-гтОШ,

получим

L sin)

p ^ю-^+т-

)36)

цз7)

В уравнение (39) подбеаеояем уравнение

тлен

р=ш- (Mo) +—ад^ +9 сн)+т,

dP

Р—МЮ) KL — +LCVR(V+K(t)\

dt

обозначим

hLOHM00)=A4),

^L3H0itNfl0=B)(tJ,

L(t)R(t)+K(t)=C*(t).

Получаем неоднородное линейное диффе-ренциальн)е у—азнебзе еято|^^г6) поредко!

A*(t) ^ +P=C<f).

3303

При решении полученного уравнения требуются условия (начальные, краевые), исходя из конструктивных параметров рассчитываемого грузоподъемного механизма.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, представленный алгоритм позволяет на стадии проектирования гидропривода грузоподъемного механизма при его опускании с грузом определить изменение давления рабочей жидкости на входе в дроссель и на основании изменения давления произвести расчет регулируемого дросселя, обеспечивающего неразрывность потока жидкости и, как следствие, бескавитационный режим работы гидропривода, что положительно сказывается на эксплуатационных параметрах машины в целом [10]. Расчет бескавитацион-ного режима работы гидропривода произведен с учетом углового ускорения стрелы и деформации рабочей жидкости и стенки гильзы гидроцилиндра.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кузнецов В.С. Исследование потоков жидкости в дроссельных каналах при возникновении кавитации // Вестник Донского государственного технического университета. 2011.Т.11,№1. С. 57-62.

9 Камке Э. Справочнит к( абибноаолбым биффку—нцирльным °'[зпвеедине. Пер. с -ем. 0-е (з—., иопд. М. : Ннука: Гл. ред.физ-мат. лит.,1(У1. 5С6 с.

10Фихтенгольц Г.М. Ктро дсффбаетцпслбнего и иниеоральдсес ороссеееоо. "Сем 1 / СМ. Фе5нбнгабпе11И. : Кейсе по у[кр-бованию,2013.608с.

11 ПонтрягинЛ.С.Обыаног-ндые .ецие-эф«г.ьеннци^^саза fрьабпнти. 4 иад. IV1. . l-lH0Ka, 19'74. е31 с.

Том 16,№4. 2019. Сквооной номер выпуска-68 © 2004-2019 Вестник СибАДИ

Vol. 16, no. 4. 2019. Continuous issue - 68 The Russian Automobile

and Highway Industry Journal

2. Hibbeler R.C. Fluid Mechanics. Part 2. Pearson Pumtke Hall, 2015. 904 p.

3. Кожухова А.В. Сравнительный анализ способов регулирования скорости движения выходного звена объёмного гидропривода // Успехи современной науки и образования. 2016. Т. 3. № 6. С. 81-84.

4. Charm F. Hydrodynamic Instabilities. Cambridge University Press, 2011. 391 p.

5. Кузнецов В.С., Шабловский А.С., Яроц В.В. Влияние фаски на входной кромке отверстия в цилиндрической насадке на его коэффициент расхода // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2014. № 5. С. 46 -52.

6. Зубрилов Г.Ю., Мельников В.Г. Дроссельное регулирование скорости опускания стрелы гидроподъемного механизма // Строительные и дорожные машины. 2015. №7. С. 32-34.

7. Гурский А.П., Журбин В.Г. Математическая модель механизма подъема рабочего оборудования с параллелограмной навеской // Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М. Ф. Решетнева. Решетневские чтения: механика специальных систем. 2014, С.233-234.

8. Хахалин М.Н., Журбин В.Г. Динамический анализ гидромеханического привода // Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М.Ф. Решетнева. Решетневские чтения: механика специальных систем. 2014. С. 317-318.

9. Галочкин А.И. О некоторых арифметических свойствах коэффициентов функции Куммера // Фундаментальная и прикладная математика. 2005. Т. 11. №6. С. 27-32.

10. Минин В.В. Моделирование эксплуатационных параметров малогабаритных погрузчиков // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 316. №2. С. 20-23.

REFERENCES

1. Kuznecov V.S. Issledovanie potokov zhidkosti v drossel'nyh kanalah pri vozniknovenii kavitacii [Research of fluid flows in throttle channels at cavitation emergence] Vestnik Donskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2011; T. 11, 1: 57-62 (in Russian).

2. Hibbeler R.C. Fluid Mechanics. Part 2. Pearson Pumtke Hall, 2015. 904 p.

3. Kozhuhova A.V. Sravnitel'nyj analiz sposobov regulirovanija skorosti dvizhenija vy-hodnogo zvena ob#jomnogo gidroprivoda [Con-trastive analysis of the motion speed regulation

of an output link in a volume hydraulic actuator]. Uspehi sovremennoj nauki i obrazovanija. 2016; Т. 3. 6: 81-84 (in Russian).

4. Charru F. Hydrodynamic Instabilities. Cambridge University Press, 2011. 391 p.

5. Kuznecov V.S., SHablovskij A.S., JAroc V.V. Vlijanie faski na vhodnoj kromke otverstija v cilindricheskoj nasadke na ego kojefficient ra-shoda [Influence of a facet on an entrance edge in a cylindrical nozzle and on its expense]. Vestnik MGTU im. N.JE. Baumana. Ser. Mashinostro-enie. 2014; 5: 46-52 (in Russian).

6. Zubrilov G.JU., Mel'nikov V.G. Dross-el'noe regulirovanie skorosti opuskanija strely gidropod'emnogo mehanizma [Throttle regulation of the boom lowering speed of the hydrolifting gear]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny. 2015; 7: 32-34 (in Russian).

7. Gurskij A.P., Zhurbin V.G. Matematiches-kaja model' mehanizma pod'ema rabochego ob-orudovanija s parallelogramnoj naveskoj [Mathematical model of the mechanism of the operating equipment raising with a parallelogramny hinge plate]. Sibirskij gosudarstvennyj ajerokosmich-eskij universitet im. Akademika M. F. Reshetneva. Reshetnevskie chtenija: mehanika special'nyh sistem. 2014: 233-234 (in Russian).

8. Hahalin M.N., ZHurbin V.G. Dinamich-eskij analiz gidromehanicheskogo privoda [Dynamic analysis of the hydromechanical drive]. Sibirskij gosudarstvennyj ajerokosmicheskij uni-versitet im. Akademika M.F. Reshetneva. Reshetnevskie chtenija: mehanika special'nyh sistem. 2014: 317-318 (in Russian).

9. Galochkin A.I. O nekotoryh arifmetich-eskih svojstvah kojefficientov funkcii Kummera [About some arithmetic properties of Kummer coefficients]. Fundamental'naja i prikladnaja matematika. 2005; T. 11. 6: 27-32 (in Russian).

10. Minin V.V. Modelirovanie jekspluata-cionnyh parametrov malogabaritnyh pogruzchi-kov [Modeling of operational parameters of small-size loaders]. Izvestija Tomskogo politeh-nicheskogo universiteta. 2010; T. 316. 2: 20-23 (in Russian).

Поступила 10.04.2019, принята к публикации 27.08.2019.

Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Прозрачность финансовой деятельности: авторы не имеют финансовой заинтересованности в представленных материалах или методах. Конфликт интересов отсутствует.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Гоигорий Юрьевич Зубрилов - ст. преподаватель кафедры технологических машин и оборудования Сибирского федерального университета, (г. Красноярск, ул. Киренско-го, 26а, e-mail: gsro@yandex.ru ).

Вениамин Гзоргиевич Мельников - канд. техн. наук, доц., доц. кафедры технологических машин и оборудования Сибирского федерального университета, (г. Красноярск, ул. Киренского, 26 а).

Владимир Андреевич Зеер - канд. техн. наук, доц. кафедры транспортных и технологических машин Сибирского федерального университета, ORCID 0000-0003-3080-4256 (г. Красноярск, ул. Борисова, 20, e-mail: zeer. vladimir@mail.ru).

Даниил Сергеевич Голубцов - студент Сибирского федерального университета, (г. Красноярск, пр. Свободный, 79).

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Grigoryi Yu. Zubrilov - Associate Professor of the Technological Machines and Equipment Department, Siberian Federal University (Krasnoyarsk, 26A Kirenskogo St., e-mail: gsro@yan-dex.ru).

Veniamin G. Mel'nikov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Technological Machines and Equipment Department, Siberian Federal University (Krasnoyarsk, 26A Kirenskogo St., phone: 8-908-010-7364).

Vladimir A. Zeer - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Technological Machines and Equipment Department, Siberian Federal University, ORCID ID: 0000-0003-30804256 (Krasnoyarsk, 20 Borisova St., e-mail: zeer. vladimir@mail.ru).

Daniil S. Golubtsov - Student, Siberian Federal University

ВКЛАД СОАВТОРОВ

Зубрилов Г.Ю. - 40% Мельников В.Г. - 30%

Зеер В.А. - 20% идея и ее техническая реализация.

Голубцов Д.С. - 10% оформление статьи.

AUTHORS' CONTRIBUTION

Grigoryi Yu. Zubrilov - 40% Veniamin G. Mel'nikov - 30% Vladimir A. Zeer - 20%, idea and its technical implementation

Daniil S. Golubtsov - 10%, design of the article