К вопросу о синхронных механизмах мобильных машин

УДК 621.226-543.2

В.И. АНТОНЕНКО, В.С. СИДОРЕНКО

К ВОПРОСУ О СИНХРОННЫХ МЕХАНИЗМАХ МОБИЛЬНЫХ МАШИН

Приведены результаты анализа эксплуатационных характеристик синхронных механизмов многодвигательных гидромеханических систем различного конструктивного исполнения.

Ключевые слова: механизм, гидросистема, синхронизация.

Введение. Многодвигательные гидромеханические системы современных мобильных технологических машин представляют собой совокупность ряда специальных механизмов, имеющих конкретное функциональное назначение. Механизмы многодвигательных гидромеханических систем, обеспечивающие согласованное движение нескольких рабочих органов или обслуживающих устройств, относят к группе синхронных механизмов. Использование в конструкции мобильных машин конкретного типа механизма синхронизации обусловлено рядом эксплуатационных факторов. К этим факторам следует отнести: возможности энергосиловой установки по расходу и давлению, режим движения (характер движения, время функционирования, вид нагружения) , уровень требуемой точности синхронизации и предельные массогабаритные показатели синхронного механизма. Постановка задачи. Использование в многодвигательных гидромеханических системах мобильных машин синхронных механизмов различного типа и конструктивного исполнения должно быть обосновано с учетом оценки всей гаммы многофакторных эксплуатационных характеристик.

Повышение экономичности функционирования и удельной энергоемкости синхронных механизмов многодвигательных гидромеханических систем мобильных машин невозможно без анализа эксплуатационных характеристик существующих типов и конструктивных исполнений синхронных механизмов мобильных машин.

В зависимости от режима движения все синхронные механизмы можно условно разделить на две группы: механизмы синхронно-синфазного позиционирования и механизмы согласования скоростей движения (табл.1, 2).

Таблица 1

Классификация механизмов синхронно-синфазного _______позиционирования мобильных машин______________________

Механизмы мобильных машин Режим работы Необходимый уровень точности

1 2 3 4 5

1. Система выглубления культиватора CI-279, КШП-14, NZ-9,7 Кратковременный. Статическое нагружение До 10% Объемная гидравличе- ская До 10%

Окончание табл.1

1 2 3 4 5

2. Система вертикального подъема и горизонтального выноса мотовила комбайнов серии «Дон», Вектор. AGROSS-530 Кратковременный. Статическое нагружение До 3% Объемная гидравлическая До 5%

3. Система сворачивания культиваторов №-9,7. КШП-14 Кратковременный. Статическое нагружение До 5% Гидравлическая система с дроссельным делителем потока До 5%

4. Система сворачивания катков 100, Н^10, КЗК-10 Кратковременный. Динамическое нагружение До 2% Гидравлическая система с дроссельным делителем потока До 5%

5. Следящая система куливатора КСМ-5 Следящий. Динамическое нагружение До 2% Гидравлическая система с дроссельным делителем потока До 4%

6. Система выглуб-ления культиватора CBS-40 "Kongskilde" Кратковременный. Статическое нагружение До 1% Объемная гидромеханическая система

Таблица 2

Классификация механизмов согласования скоростей движения рабочих органов мобильных машин

Механизмы мобильных машин Режим работы Необходимый уровень точности

Система рабочих органов фрезерного культиватора для полосной обработки тяжелых почв Длительный. Динамическое нагружение До 15% Гидромеханическая система объемной синхронизации До 15%

Система рабочих органов фрезерного культиватора КФГ-3,6 Длительный. Динамическое нагружение До 15% Механическая система До 1%

Система очистки виноградоуборочного комбайна «Дон-1МВ» Длительный. Динамическое нагружение До 1% Система объемногидравлической синхронизации До 15%

Система рабочих органов косилки КРН-2,1, встряхи-вателя комбайна «Дон-1МВ» Длительный. Динамическое нагружение До 1%, не допускает накопления ошибки рассогласования Механическая система До 1%, накопления рассогласования нет

Система синхронизации скоростей конвеерных лент и машины для уборки смородины Длительный. Динамическое нагружение До 1 % Гидравлическая система объемной синхронизации До 1%

Система привода початкоотделяющего аппарата комбайна КСКУ-6 Длительный. Динамическое нагружение До 1%, не допускает накопления ошибки расо-сгласования Механическая система До 1%, накопления рассогласования нет

Механизмы синхронно-синфазного позиционирования, для которых характерно кратковременное функционирование, обеспечивают регулирование положения рабочих органов машины. Конкретными примерами такого типа механизмов являются системы подъема и горизонтального выноса мотовила зерноуборочных комбайнов серии "Дон", "Вектор", "Джон-Дир", "Енисей КЗС-960", "AGROS-530", позволяющие обеспечить перемещение мотовила, не имеющего жесткой конструкции при ширине захвата до 12м, без перекосов, что дает существенный выигрыш как по весу жатки, так и по качеству технологического процесса уборки. Аналогичного типа системы применены в валковых жатках ЖВН-6А-01, ЖНС-6-12-01, агрегатируемых с энергетическим средством КПС-5Г, в жатке ЖВР-10. Подобного типа механизмы позиционирования применены в конструкциях широкозахватных бессцепочных культиваторов, в которых они позволяют обеспечить работу шарнирно- соединенных секций как единой конструкции. К таким культиваторам следует отнести культиваторы серии NZ-9,7 Vaderstad (Швеция), С1-279(Канада) и отечественные образцы КПЗ-9,7, КШП-14,КЗК-10. Для данного типа механизмов характерна работа в условиях статических нагрузок. Уровень требуемой точности синхронизации зависит от конкретных условий. Уровень точности системы подъема и горизонтального выноса жатки мотовила обусловлен величиной напряжений, возникающих в конструкции механизма при несинхронной работе, и определяется допустимой величиной ошибки синхронизации (до 3%).

Требования к точности синхронизации систем выглубления культиваторов обусловлены величиной допустимых по агротребованиям колебаний глубины обработки почвы и определяются величиной ошибки синхронизации до 10%.

Механизмы синхронно-синфазного позиционирования применены в системах сворачивания культиваторов NZ-9,7; С1-279, КПЗ-9,7 КШП-14, катков Н^Ю фирмы Vaderstad (Швеция), W- 1000 (Франция) и в отечественном КЗК-10. Характерным отличием этих систем является потребность в обеспечении более высокой точности (ошибка синхронизации до 5%), что обусловлено кинематической схемой машин. Уровень допустимого рассогласования в конце хода механизмов сворачивания катков, HV -10, W-ЮOO, для которых характерно за счет сложной кинематической схемы изменение знака нагрузки только в конечной позиции хода, обеспечивается при суммарной ошибке синхронизации не более 2%. Механизм синхронно-синфазного позиционирования, для которого характерно динамическое нагружение и следящий режим работы, применен в садовом культиваторе КСМ-5. Точность синхронизации такого механизма, обусловленная величи-иной допустимого отклонения от определенной агротребованиями границы зоны приствольной обработки деревьев, определяется ошибкой синхронизации до 1% [1].

Ко второй группе относятся механизмы, которые обеспечивают согласованное по скорости движение нескольких рабочих органов мобильных машины или согласование по скорости рабочих и вспомогательных движений. Характерной особенностью такого типа механизмов является длительный по времени цикл функционирования при динамическом нагружении.

Механизмы согласования скоростей нескольких рабочих органов находят применение в машинах с активными рабочими органами, к которым относятся фрезерные культиваторы для полосной обработки тяжелых почв, фрезерные культиваторы типа КФГ-3,6, точность синхронизации которых обусловлена величиной допустимых по агротребованиям отклонений по скорости рабочих фрез и определяется ошибкой синхронизации до 15%.

В системах очистки виноградоуборочных комбайнов "Дон-1МВ", Braud (Франция), Vectur (Франция) используются синхронно работающие аспирационные вентиляторы, приводимые в движение гидромоторами. При отклонении числа оборотов гидромоторов от номинального либо увеличиваются потери винограда (увеличение числа оборотов), либо ухудшается степень его очистки (уменьшение числа оборотов) [2]. Допустимое отклонение числа оборотов гидромоторов от номинального, обусловленное наличием примесей в собранном урожае, не более 1%, при потере урожая соком или мелкими ягодами - не более 2,5% [3].

Механизм синхронно работающих рабочих органов применен в ротационной косилке КРН-2,1. В процессе функционирования механизма не допускается накопление ошибки синхронизации, абсолютное значение которой не должно превышать 1%. Аналогичного типа механизмы применяются в системах встряхивателя современных виноградоуборочных комбайнов типа "Дон -1МВ"[4]. Механизмы согласования скорости движения комбайна и транспортирующих устройств применены в машинах для уборки смородины, в системе привода початкоотделяющего аппарата в кукуру-зо-уборочных комбайнах «Херсонец -200» КСКУ-6 [4]. Причем качество работы этих машин в значительной степени зависит от точности синхронизации, величина которой определяется минимально возможной ошибкой синхронизации.

В качестве средств, обеспечивающих работу синхронных механизмов мобильных машин, используются различные по принципу действия системы. Это гидравлические, механические и электрические системы. Наибольшее распространение из перечисленных систем в мобильных машинах получили механические и гидравлические системы. Механические системы характеризуются наличием механической трансмиссии и жесткой механической связи между рабочими органами машины. Они нашли применение в системах синхронизации машин: фрезерных культиваторов КФГ-3,6, ротационных косилок КРН-2,1 кукурузоуборочных комбайнов КСКУ-6, механизмах встряхивателя в комбайнах «Дон-1МВ» и т.д. Их применение позволяет получить наибольшую точность синхронизации (ошибка синхронизации до 1%). Однако механические системы требуют создания сложных в конструктивном отношении, имеющих значительные габариты металлоемких трансмиссий, что неприемлемо для ряда современных конструкций сельскохозяйственных машин.

Гидравлические системы характеризуются наличием объемного гидравлического привода, посредством которого приводятся в движение рабочие органы и осуществляется обратная связь. Гидравлические системы синхронизации являются наиболее простыми в конструктивном отношении. Однако применение определенных схем гидравлической синхронизации зависит от конкретного типа работающего механизма сельскохозяйствен-ной машины и условий эксплуатации. То есть рекомендации по применению

гидравлических систем синхронизации в механизмах мобильных машин могут быть даны лишь после анализа их особенностей.

Механизмы на базе гидравлического привода, представляющего собой, как правило, автоматическую систему, встречаются практически во всех видах современных мобильных машин. Широкое применение гидравлических приводов в конструкциях мобильной техники обусловлено их преимуществами по удельной мощности, простоте регулирования и надежности. Кроме того, именно гидравлические системы позволяют обеспечить существенное расширение технологических возможностей мобильных машин без значительных усложнений конструкций [1].

Гидравлические системы синхронизации, нашедшие применение в мобильных машинах, классифицируются по различным признакам. Так, по способу осуществления обратной связи их можно разделить на гидромеханические и гидравлические, по способу подключения гидродвигателей - на системы с последовательным и параллельным подключением, по принципу действия - на объемные и дроссельные.

Объемные гидравлические системы синхронизации работают на принципе согласованного вытеснения определенных объемов в соответствующие полости синхронизируемых гидродвигателей. Наиболее простым способом объемной синхронизации является последовательное подключение специальных гидроцилиндров. При этом в конструкции гидроцилиндров предусматривается равенство взаимосвязанных активных площадей. Это обстоятельство не позволяет использовать гидроцилиндры по ГОСТ 8755-71 или нормали Н13-19-65 и требует их специального производства.

Системы синхронизации с последовательным подключением гидроцилиндров нашли применение в гидроприводе валковых жаток ЖВН-6А-01, ЖНС-6-12-01, в гидроприводе жатки ЖВР-10. Также система синхронизации с последовательным подключением гидроцилиндров применена в гидроприводе комбайнов серии «Дон», «Вектор» в системах подъема и горизонтального выноса мотовила.

Аналогичные системы применены и в гидроприводах широкозахватных бессцепочных культиваторов. К таким культиваторам следует отнести культиваторы серии NZ- 9,7 Vaderstad (Швеция), С1-279 (Канада) и отечественные образцы КПЗ-9,7 КШП-14. Системы синхронизации с последовательным подключением специальных гидроцилиндров являются конструктивно простыми, но в то же время обладают радом существенных недостатков, ограничивающих возможность их применения. К этим недостаткам относится прежде всего то, что система синхронизации с последовательным подключением гидроцилиндров обеспечивает нормальную работу только при постоянных или плавно изменяющихся по величине нагрузках на гидроцилиндрах. Также системы синхронизации требуют устройства вспомогательных систем дожима и систем прокачки замкнутых объемов [1]. Точность работы при последовательном подключении специальных гидроприводов зависит от точности исполнения конструкций цилиндров, жесткости гидромагистралей и разности нагрузок на цилиндрах. Она характеризуется ошибкой синхронизации до 10% [1], что удовлетворяет требованиям точности определенной группы механизмов синхронного позиционирования (см. табл.1).

В гидроприводах мобильных машин также находят применение, но

в меньшей степени, системы, в которых осуществляется синхронизация путем последовательного соединения гидромоторов. В качестве примера таких систем можно привести систему очистки виноградоуборочного комбайна иДон-1МВ", систему гидропривода активных рабочих органов фрезерного культиватора для полосной обработки тяжелых почв. К особенностям таких систем следует отнести необходимость использования гидромоторов, допускающих значительный подпор на сливе, необходимость установки дополнительного клапана для предохранения от перегрузок первого гидромотора. Значительная (до 15%) ошибка синхронизации за счет объемных потерь в гидромоторах позволяет использовать такие системы для привода механизмов с наиболее низким уровнем точности (см.табл.2).

К объемным системам синхронизации, нашедшим применение в гидроприводах мобильных машин, следует отнести системы с гидромеханической обратной связью, которая может осуществляться непосредственно на рабочих гидродвигателях, на промежуточных объемных элементах (гидромоторах, делителях потока объемного типа) и на гидронасосах. В гидросистеме культиватора Kongskilde (Дания) для двух гидроцилиндров выглубле-ния основной рамы применена гидромеханическая обратная связь путем установки на штоки гидроцилиндров жесткого связывающего бруса. Подобное конструктивное решение позволяет получить большую точность в согласованном движении гидроцилиндров (ошибка синхронизации до 1%), однако механизмы такого рода имеют значительные габариты, что существенно ограничивает их применение [1].

Кировоградским заводом "Гидросила" для применения в гидроприводах мобильных машин большой мощности разработана конструкция объемного делителя потока, являющегося промежуточным объемным элементом системы синхронизации с гидромеханической обратной связью. Конструктивно он представляет собой спаренные гидромоторы шестеренного типа, низкий объемный КПД которых (до 70%) обуславливает низкую точность системы синхронизации (ошибка синхронизации до 20%) [5].

Примерами применения объемных систем синхронизации с гидромеханической обратной связью на гидронасосах является гидросистема виноградоуборочного комбайна "Дон-1МВ", гидропривод фрезерного культиватора для полосной обработки тяжелых почв и др. Дроссельные гидравлические системы синхронизации работают на принципе автоматического увеличения дроссельного сопротивления в менее нагруженной ветви до полного выравнивания нагрузок в ветвях. Для дроссельного способа регулирования характерно параллельное подключение гидродвигателей и наличие в основном гидравлической обратной связи. Из всего большого многообразия способов дроссельной синхронизации в гидроприводах мобильных машин нашли применение два основных способа:

1-й способ - путем подбора и установки постоянных дроссельных сопротивлений в соответствующие ветви. При этом на устанавливаемых дросселях теряется основная часть рабочего давления насоса, на внешнюю нагрузку на гидроцилиндрах при этом затрачивается незначительная часть рабочего давления, что существенно снижает КПД системы. Такая схема синхронизации, к примеру, примененная в гидросистеме культиватора серии СІ-279 (Канада), имеет КПД на уровне 30-40%;

126

2-й способ, нашедший самое большое распространение, характеризуется применением гидросистем со специальными гидравлическими элементами - дроссельными делителями потока. Делители потока в процессе функционирования позволяют практически полностью исключить влияние утечек жидкости в насосах на точность синхронизации, работают при больших перепадах нагрузок, в широком диапазоне скоростей движения гидродвигателей. Они значительно дешевле специальных конструкций, применяемых в системах объемной синхронизации [1].

Характерными примерами применения гидросистем с дроссельными делителями потока в механизмах мобильных машин являются система синхронного перемещения гидроцилиндров подъема жатки зерноуборочного комбайна Hydromat (ФРГ), системы гидравлической трансмиссии картофелеуборочного комбайна Nivener (ФРГ) и погрузчика Zetcat (ФРГ), гидросистемы сворачивания секций широкозахватных бессцепочных культиваторов серии NZ -9,7 Vaderstad (Швеция), каи Kombimat (ФРГ), а также отечественных образцов типа КПЗ-9,7, КШП-14, гидросистемы сворачивания катков серии HV-1O Vaderstad (Швеция), VV - 1000 (Франция) и отечественных образцов типа К3К-10. К особенностям подобных систем синхрони-изации следует отнести возможность использовать полное рабочее давление на каждом из гидродвигателей за счет их параллельного подключения. Гидравлические системы синхронизации с дроссельными делителями потока различных конструкций обеспечивают точность работы механизмов при статическом и динамическом нагружении с ошибкой синхронизации в пределах (4-10%) [1]. Это позволяет использовать их в механизмах, к которым предъявляются более высокие требования по точности синхронизации и для которых объемные системы не обеспечивают удовлетворительной точности (см. табл.1). Расширение области применения систем с дроссельными делителями потока в механизмах мобильных машин ограничивается наибольшим уровнем точности (ошибка синхронизации до 4%), обеспечиваемым этими системами.

Необходимо отметить целый ряд механизмов, где применение гидросистем с дроссельными делителями потока предпочтительно из конструктивных соображений, но лишь при условии обеспечения ими высокой точности работы как при статическом, так и динамическом нагружении (ошибка синхронизации до 1%).

К этим механизмам относятся механизмы согласования скоростей движения, которые используются в приводе рабочих органов фрезерных культиваторов, ротационных косилок КРН-2,1, в системах очистки и в системе встряхивателя виноградоуборочного комбайна "Дон-1МВ" и т.д. (см. табл. 2).

Кроме того, применение гидросистем с дроссельными делителями потока, позволяющими обеспечить точность синхронизации с ошибкой до 1%, целесообразно в разветвленных комплексных гидроприводах сложных уборочных машин типа "Дон-1200", Дон-1500", где для рулевой системы и системы рабочих органов используются отдельные питающие насосы; в гидроприводах крутосклонных машин, имеющих четыре независимых контура с автономным питанием (привод ходовой части, система автоматического выравнивания, система рабочих органов, система рулевого управления). Целесообразно применение таких гидросистем с дроссельными делителями потока в приводах с перспективными двигателями возвратно по-

127

ступательного движения типа ДГВ [1], представляющими собой сложные автоматические устройства. В некоторых зарубежных образцах мобильных машин обеспечивается высокая точность работы механизмов синхронизации при статическом нагружении за счет использования большей части подводимой энергии на управление, т.е. за счет увеличения потерь энергии в гидросистеме и снижения ее КПД до 40%. Этот способ применен в гидросистемах катков серии HV-IO Vaderstad (Швеция), W- 1000 (Франция) и др. Но данный подход не является перспективным, поскольку КПД в гидросистемах с дроссельными делителями потока при отборе допустимого уровня энергии на управление (I МПа) ниже, чем у обычных дроссельных систем, и максимальное его значение составляет 80% [5].

Заключение. Приведенный анализ свидетельствует, что применение синхронных механизмов с гидравлическим приводом с дроссельными делителями потока в перспективных конструкциях мобильных машин позволяет помимо повышения точности, снижения потерь энергии максимально использовать ограниченное рабочее давление и повысить удельную энергоемкость механизма. Совместное разрешение имеющихся проблем возможно лишь путем применения в гидросистемах конкретной конструкции делителя потока. В конечном счете, именно конструктивные особенности дроссельного делителя потока будут определять уровень точности и потерь энергии. Поэтому обоснованный выбор конструкции необходимо производить по результатам анализа особенностей имеющихся на настоящее время делителей потока.

Библиографический список

1. Антоненко В.И. Разработка конструкций и оптимизация процессов в гидроприводах синхронных механизмов сельскохозяйственных машин / Автореф.... дис.. канд. техн. наук. - Ростов н/Д,1985. - 25 с.

2. Суханов Р.С. Механизация уборки винограда. / Р.С.Суханов. -М.: ВНИИТЭИСХ, 1980. - 53 с.

3. Маркин Ю.П. Обоснование параметров пневмосепаратора виноградоуборочной машины. / Ю.П.Маркин, В.И.Попов // Тракторы и сельхозмашины. - 1980. - №12.

4. Гулейчик А.И. Новые машины для возделывания и уборки кукурузы. / А.И.Гулейчик. - М.: Россельхозиздат, 1983. - 120 с.

5. Свешников В.К. Гидрооборудование // Междунарадный справочник. - М.: "ООО Издательский центр Технофорум МАИ ", 2002. - 508 с.

Материал поступил в редакцию 18.05.09.

V.I. ANTONENKO, V.S. SIDORENKO

SYNCHRONIZED MECHANISMS IN MOBILE MACHINES

Shown are the results of analysis of existing mobile mechanisms based on hydraulic drive and specifics of their structure and operations.

АНТОНЕНКО Владимир Ильич (р.1950), доцент кафедры «Гидравлика, гидропневмоавтоматизация и тепловые процессы», докторант ДГТУ. Окончил в 1978 г. РИСХМ, в 1985 г. присвоена степень кандидата технических наук, в 1986 г. получил звание доцента.

Область научных интересов: гидропривод и гидроаппараты мобильных и стационарных технологических машин.

Количество публикаций - 78.

СИДОРЕНКО Валентин Сергеевич (р.1942), зав. кафедрой «Гидравлика, гидропневмоавтоматизация и тепловые процессы» ДГТУ. Окончил РИСХМ в 1964 г., присвоена степень доктора технических наук в 2002 г., звание профессора получил в 2003 г.

Область научных интересов: управление движением технических объектов гидропневмомеханическими системами повышенного быстродействия и точности.

Количество публикаций - 138. antonenkovi@ pochta.ru