Моделирование гидравлической подсистемы рабочего оборудования строительного манипулятора для укладки дорожных плит с помощью Matlab

Заключение

Данная методика автоматизированного построения математической модели стрелового грузоподъемного крана позволяет создать систему автоматизации

моделирования стрелового грузоподъемного крана, позволяющую решать задачи проектирования систем СГК, исследования динамических процессов, анализа аварийных ситуаций.

Библиографический список

1. Кулешов, В. С. Динамика систем управления манипуляторами / В. С. Кулешов, Н. А. Лакота. - М.: Энергия, 1971. - 304 с.

2. Щербаков, В. С. Математическое моделирование гидроприводов на ЭВМ методом многомерных объектов / В. С. Щербаков, С. Т. Бирюков, В. Ф. Раац // Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики: Тез. докп. зональн. конф. - Пенза, 1986. - С. 18-19.

2. Щербаков, В. С. Оценка устойчивости автокрана по моменту запаса устойчивости / B.C. Щербаков, М. С. Корытов, С. А. Зырянова // Машины и процессы в строительстве: Сб. науч. тр. №5. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2004. - С. 184-187.

METHODOLOGY OF THE AUTOMATED CREATION OF MATHEMATICAL MODEL OF THE BOOM LOAD-LIFTING CRANE

S. A. Zyryanova

The article contains a method of automatic constructing a mathematical model boom crane, which allows to create a system of automation of the simulation of the crane. Crane is considered as a

complex dynamic system consisting of a finite set of subsystems (mechanical subsystem, hydraulic drive subsystem and subsystem stability control). The author presents the stages of automatic constructing a model of the boom crane. Provides a methodology for automated generation of mathematical models of each of the subsystems.

Keywords: jib crane, a dynamic system, the mechanical subsystem, the subsystem of hydraulic drive, stability control subsystem.

Bibliographic list

1. Kuleshov V. S. Dynamics control systems manipulators / V. S. Kuleshov, Lakota N. A. - Moscow: Energiya, 1971. - 304 p.

2. Shcherbakov V. S. Mathematical modeling of hydraulic drives on a computer method for multidimensional objects / V. S. Shcherbakov , Biryukov S. T., Raats V. F. // Design and operation of industrial hydraulic drives and systems hydropneumoautomatics : Proc. of reports . zoning. conf. Penza, 1986. - P. 18-19 .

2. Shcherbakov V. S. Evaluation of the sustainability of a truck crane torque stability margin / V. S. Shcherbakov, Korytov M. S. Zyryanova S. A. // Machinery and processes in construction: Proc. scientific. tr. Number 5 . - Omsk SibADI 2004 . - P. 184 -187 .

Зырянова Светлана Анатольевна -кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационные технологии» Сибирской государственной автомобильно-дорожной

академии (СибАДИ). Основное направление научных исследований - система автоматизации проектирования строительных и дорожных машин. Имеет 25 опубликованных работ. svetazyr@newmail. ru

УДК 004.942

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ПОДСИСТЕМЫ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО МАНИПУЛЯТОРА ДЛЯ УКЛАДКИ ДОРОЖНЫХ ПЛИТ С ПОМОЩЬЮ МА^АВ

С. А. Зырянова, С. Н. Паркова Аннотация. Статья посвящена моделированию рабочего оборудования гидравлического манипулятора. В качестве инструмента моделирования используется МА^АВ. Для моделирования гидравлической схемы используется расширение МА^АВ SimHydraulics.

Ключевые слова: МА^АВ, SimHydraulics, Simulink, моделирование, рабочее оборудование, строительный манипулятор.

Введение агрегатов; существенно снижает затраты на

Проектирование и моделирование в стадии разработки. автоматизированном режиме сложных Математическая модель гидропривода

динамических систем, таких как строительного манипулятора.

строительные манипуляторы, при Строительный манипулятор для укладки использовании мощной электронно- дорожных плит на базе ЛП18 имеет вычислительной техники, позволяет многофункциональное назначение, может сократить время принятия проектно- использоваться на штабелевке и сортировке конструкторских решений при создании или заготовленной древесины, строительстве модернизации машины, ее типовых узлов и одно- и двухэтажных зданий и прочих

погрузочно-разгрузочных работах. Машина может агрегатироваться с полуприцепом и использоваться в качестве форвардера для сборки и транспортировки сортиментов. Захватное устройство, оснащённое полноповоротным ротатором, позволяет проводить с помощью манипуляций стрелы, рукояти и поворота колонны захват дорожной плиты или щита в любом их положении по отношению к машине без дополнительных операций по её установке.

Манипулятор полностью гидрофицирован. Гидросистема состоит из двух автономных гидроконтуров (рис. 2), один из которых обеспечивает вращение колонны и поворот стрелы манипулятора, а второй — выполнение рабочих операций остальными

исполнительными механизмами

технологического оборудования. Гидросистема содержит два шестеренных насоса (НШ-50 и НШ-100), моноблочный и секционный гидрораспределители, гидромотор ротатора, спаренные гидроцилиндры поворота манипулятора и гидроцилиндры,

обеспечивающие функционирование

технологического оборудования, захват дорожной плиты или щита, поворот стрелы, рукояти. Сливная гидролиния объединяет потоки жидкости двух гидроконтуров и через параллельно соединённые фильтры направляет их в гидробак.

Для составления расчетной схемы гидропривода перемещения рабочего оборудования целесообразно рассмотреть принципиальную гидравлическую схему, которая представлена на рис. 1.

Гидропривод рабочего оборудования, обеспечивающий вращение колонны, поворот стрелы и рукояти включает насос постоянной подачи 2, гидробак 1, пропорциональный трехпозиционный шестилинейный

распределитель 3, гидроцилиндры подъема и опускания стрелы и рукояти 5 и 6, гидроцилиндр вращения колонны 4. Гидрораспределитель 3 состоит из напорной, двух исполнительных (рабочих) гидролиний и сливной секции. Для ограничения скорости опускания рабочего оборудования в штоковых гидролиниях гидроцилиндров применены дроссели с обратными клапанами 7. Предохранительный клапан, встроенный в напорную секцию гидрораспределителя, предохраняет оборудование от перегрузок при работе. Блоки гидроклапанов прикреплены к рабочим секциям гидрораспределителя. Предохранительные клапаны блока ограничивают максимальные

давления в гидроцилиндрах, возникающие от реактивных или инерционных нагрузок при закрытых рабочих отводах

гидрораспределителя. Обратные клапаны блока обеспечивают подпитку сливных гидролиний гидроцилиндров для исключения разрыва потока рабочей жидкости и кавитации. Очистка рабочей жидкости осуществляется фильтром 8 с переливным клапаном.

Гидропривод рабочего оборудования захватного устройства включает насос постоянной подачи 9,

пневмогидроаккумулятор 10,

трехпозиционный четырехходовой

распределитель 11, гидроцилиндры захвата 13 и гидромотор ротатор 12.

Переключение золотников распределителя 3 и распределителя 11 в рабочие положения осуществляется блоком управления 14.

Работа принципиальной схемы гидропривода рабочего оборудования строительного манипулятора осуществляется следующим образом.

Рабочая жидкость поступает от насоса 2 в двухзолотниковый моноблочный

распределитель 11, который управляет движением гидроцилиндров клешней захвата 13, гидромотора поворота ротатора 12. В напорную секцию распределителя встроен предохранительный клапон. К секциям распределителя, управляющих

гидроцилиндрами 13 и гидромотором 12, прифланцованы блоки клапанов,

включающие переливной и обратный клапаны. Переливной клапан обеспечивает плавность в начале и конце движения за счет перепуска части рабочей жидкости из напорной полости в сливную. Через обратный клапан осуществляется подпитка

исполнительных механизмов из сливной полости гидросистемы. При нейтральном положении всех золотников

гидрораспределителя 11 рабочая жидкость от насоса 2 проходит через этот распределитель и поступает в гидрораспределитель 3. Таким образом, скорости движения рабочих органов, управляемых гидрораспределителем 3, соответствуют суммарной

производительности насосов 2 и 9.

От насоса 9 рабочая жидкость поступает в четырёхзолотниковый секционный распределитель 3, который управляет движением гидроцилиндра поворота колонны 4, гидроцилиндров стрелы 5 и рукояти 6.

Рис. 1. Принципиальная схема гидропривода рабочего оборудования строительного манипулятора

В напорной секции гидрораспределителя включении последовательное соединение и

3 установлен предохранительный клапан. К совмещение движений колонны и стрелы,

золотниковым секциям гидрораспределителя стрелы и рукояти. На сливной гидролинии

3 установлена дополнительная секция, установлен фильтр 8 со встроенным

обеспечивающая при одновременном переливным клапаном.

ОоиИДС роиЩС

Отце ртЦС

СйпЦР ргцр

ОоиЩР роиОДР

р2г

ОтриЕ ртриС

Д1в

ЖБ

СЬМриЕ ро^риг

ЗичЦК

ртцк

Д1е

ТШ

Дц

ОоиИДК роиИДК

СЬэиЩЗ

роиИДЗ

Ошцз

рпцз

ОприМ ртриС!

ДИ,

ч 7 С^эиПу) ОтМ роиПИ

СЬМриИ рси^риМ

ли

Т^Т

—СИ

— ии иэ —

Н1 Н2

Рис. 2. Расчетная схема гидропривода рабочего оборудования строительного манипулятора

На основе рассмотренной

принципиальной гидравлической схемы составлена упрощенная расчетная схема, которая приведена на рисунке 2, где QPIT1 -подача на выходе из питающего насоса Н1 и на входе в гидролинию, соединяющую насос с распределителем Р1; QPIT2 - подача на выходе из питающего насоса Н2 и на входе в гидролинию, соединяющую насос с распределителем РгАпрш - расход на выходе из гидролинии и на входе в гидрораспределитель Р1; Q¡nрut2 - расход на выходе из гидролинии и на входе в гидрораспределитель Р2; QoUtрut1 - расход на выходе из распределителя Р1 и на входе в гидролинию, соединяющую с

исполнительными механизмами захватного устройства (гидроцилиндрами клешней Ц5 и Ц6, гидромотором ротатора М); Q0utрut2 -расход на выходе из распределителя Р2 и на входе в гидролинию, соединяющую с исполнительными гидроцилиндрами

поворотной колонны Ц4, стрелы Ц2 и Ц3, рукояти Ц1; Q¡nцp - расход на выходе из гидролинии и на входе в исполнительный гидроцилиндр Ц1; Q0Utцp - расход на выходе из исполнительного гидроцилиндра Ц1; Q¡nцc - расход на выходе из гидролинии и на входе в исполнительные гидроцилиндры Ц2 и Ц3; Q0Utцc - расход на выходе из исполнительных гидроцилиндров Ц2 и Ц3; Q¡nцк - расход на выходе из гидролинии и на входе в исполнительный гидроцилиндр Ц4; Q0Utцк -расход на выходе из исполнительного гидроцилиндра Ц4; Q¡nцз - расход на выходе из гидролинии и на входе в исполнительные гидроцилиндры Ц5 и Ц6; Q0Utцз - расход на выходе из исполнительных гидроцилиндров Ц5 и Ц6; Q¡nм - расход на выходе из

гидролинии и на входе в гидромотор М; Q0Utм

- расход на выходе из гидромотора М; QSL -расход, поступающий в гидролинию разгрузки; F1 - сила, приложенная к штоку исполнительного гидроцилиндра Ц1, обусловленная массо-инерционными характеристиками рукояти; F2 - сила, приложенная к штоку исполнительных гидроцилиндров Ц2 и Ц3, обусловленная массо-инерционными характеристиками стрелы; Fз - сила, приложенная к штоку исполнительного гидроцилиндра Ц4, обусловленная массо-инерционными характеристиками поворотной колонны; F4 -сила, приложенная к штоку исполнительных гидроцилиндров Ц5 и Ц6, обусловленная массо-инерционными характеристиками захвата; р^ш и р^г - давление на входе в гидрораспределители (Р1 и Р2) и на выходе из гидролиний; Poutрut1 И Poutрut2 - давление на выходе из гидрораспределителей (Р1 и Р2) и на выходе в гидролинии; рщр - давление на выходе из гидролинии и на входе в исполнительный гидроцилиндр Ц1; ршщр давление на выходе из исполнительного гидроцилиндра Ц1; рще - давление на выходе из гидролинии и на входе в исполнительные гидроцилиндры Ц2 и Ц3; р^цс - давление на выходе из исполнительных гидроцилиндров Ц2 и Ц3; рщк

- давление на выходе из гидролинии и на входе в исполнительный гидроцилиндр Ц4; ршщк - давление на выходе из исполнительного гидроцилиндра Ц4; рщз -давление на выходе из гидролинии и на входе в исполнительные гидроцилиндры Ц5 и Ц6; ршщз - давление на выходе из исполнительных гидроцилиндров Ц5 и Ц6; р^м

- давление на выходе из гидролинии и на

входе в гидромотор М; p0UtM - давление на выходе из гидромотора М; pPIT1 - давление питающего насоса Н1; pPIT2 - давление питающего насоса Н2; w(t) - угол поворота Таблица 1 - Математические модели осно

гидромотора ротатора; x1(t), x2(t), x3(t), x4(t) -перемещение штоков исполнительных гидроцилиндров.

х элементов гидропривода [1]

Графическое изображение Математическая модель Параметры модели

Нерегулируемые гидравлические насосы

На гидравлической схеме: Насос Мотор

В SimHydraulics:

-Р-П

Насос :q=D-kleak • P P

P = PP - PT; T = D •

^7mech

Мотор : q = D•rn + kleak • P; P = Pa-PB;T = D • P •^meah-K D-«nom jl-V V )• Vn0m • P

kHP =-

Pn

kleak =

HP . „ = J1 total > Imech

V • P T7v

Для регулируемого насоса/мотора (линейная или

зависимость):

D,

нелинейная

D =

D

1) рабочий объем; 2) объемный КПД;

3) полный КПД;

4) номинальный перепад давления;

5) номинальная угловая скорость вала;

6) номинальная кинематическая вязкость жидкости.

Гидрорасп редел ител и

На гидравлической схеме:

-МУ ЗГТХГПа*

W V W-

V и. ±

Л тт. т

q = i

CD • AJ^IpI • sign(P) Re > Rec

2Cdl • A

Dh

P

Re < Rec

V • P

h = h0 + xor; P = PA-PB;

q • Dh .D _ ¡Щ)

Re =

A(h )• V

.Dh =

(

CDL =

л/Rec

Y

1) параметризация модели: зависимость площади проходного сечения от перемеще-ния золотника; 2) мак-симальная площадь проходного сечения; 3) максимально смещение золотника; 4) коэффициент расхода; 5)начальные положения запорно-регулирующих элементов; 6) критическое число Рейнольдса; 7) площадь внутренних утечек.

Гидроцилиндры

На гид

равлическои схеме:

f

В SimHydraulics:

t

е-»

Уравнения преобразования энергии: q = А(3К-Зс)• or;F = А• Р • ог . Сжимаемость жидкости в полостях гидроцилиндра:

_ V + А(х0 + х • ог) НР Е Л '

Ограничения движения штока:

IX •§+ Dp

q = -

F =

8> qp

0 qn <8<qp

KN S + Dp (3r -3c ) 8 < qn

1) площади поршня в поршневой и штоковой полостях;

2) ход штока;

3) начальное положение штока;

4) мертвые объемы поршневой и штоковой полостей;

5) коэффициент теплопередачи для газа (для сжимаемости жидкости);

6) ориентация гидроцилиндра (положительная или отрицательная);

7) коэффициент вязкости;

8) коэффициент жесткости;

9) начальные давления в поршневой и штоковой полостях.

x

x

signal 3-is

fvv.---

PS-81 3GNAS.

WJRi NA505 1

с

^GradfcPres&jre ' йзаи jt~V PiessiireSefef IL-PVate)

U

H/drulfc Ft*" ~Seraorr

Sow

PSWQDKi/PAWVG*

i-wsy оввйпз! vae

PS-51

3

TM LEME

P3i3 TiAShOD

Рис. 3. Структурная схема математической модели гидропривода рабочего оборудования строительного манипулятора реализованная в МА^АВ расширения Б^Ш^к и библиотеки S¡mHydraul¡cs

Гидравлическая подсистема

смоделирована с помощью инструмента МА^АВ б^^н^ись. Общий вид модели гидравлической подсистемы в среде БЦ^шк представлен на рисунке 3. Параметры блоков соответствуют значениям реальных гидравлических элементов [2].

На рисунках 4-5 представлены результаты моделирования процесса поднятия стрелы. На первой секунде поступает управляющее воздействие на

гидравлический распределитель, в результате чего происходит

пропорциональное смещение запорно-регулирующего элемента в левое крайнее положение. Давление в поршневой полости гидроцилиндра начинает расти и шток гидроцилиндра начинает перемещаться в положительном направлении тем самым поднимая стрелу манипулятора. Изменение скорости штока гидравлического цилиндра представлено на рисунке 4.

Рис. 4. График зависимости скорости движения штока гидроцилиндра от времени

График зависимости скорости перемещения штока пщроцгшиндра от

управляющего сигнала

0,05

0,04 -

>' 0,03 -g

1.0,02 -

О

0,01 -j

0 0,005 0,01 0,015 0,02 сигнал U 0,025 0,03

Рис. 5. График зависимости скорости движения штока гидроцилиндра от управляющего сигнала

Заключение

Расширение MATLAB Simulink и библиотека SimHydraulics использовались в качестве основного средства моделирования. Разработанная модель может использоваться для анализа и синтеза параметров рабочего оборудования строительного манипулятора, основных выходных параметров гидравлической подсистемы.

Библиографический список

1. Руппель А. А. Моделирование гидравлических систем в MATLAB: учебное пособие / А. А. Руппель, А. А. Сагандыков, М. С Корытов. - Омск: СибАДИ, 2009. - 172 с.

2. SimHydraulics Reference. The MathWorks, Inc., 2006. 71 p.

MODELLING OF THE HYDRAULIC SUBSYSTEM OF THE WORKING EQUIPMENT OF THE CONSTRUCTION MANIPULATOR FOR LAYING OF ROAD PLATES BY MEANS OF MATLAB

S. A. Zyryanova, S. N. Parkova

Article is devoted to modeling of the working equipment of the hydraulic manipulator. As the instrument of modeling MATLAB is used. For modeling of the hydraulic scheme the MATLAB SimHydraulics expansion is used.

Keywords: MATLAB, SimHydraulics, Simulink, modeling, working equipment, construction crane.

Bibliographic list

1. Ruppel A. Modeling of hydraulic systems in MATLAB: tutorial / A. Ruppel, AA Sagandykov, M. С trough. - Omsk SibADI 2009. - 172.

2. SimHydraulics Reference. The MathWorks, Inc., 2006. 71 p.

Зырянова Светлана Анатольевна -кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационные технологии» Сибирской государственной автомобильно-дорожной

академии (СибАДИ). Основное направление научных исследований - система автоматизации проектирования строительных и дорожных машин. Имеет 25 опубликованных работ. svetazyr@newmail. ru

Паркова Светлана Николаевна - аспирантка кафедры «АПП и Э», преподаватель кафедры «(Информационные технологии» Сибирской государственной автомобильно-дорожной

академии (СибАДИ). Основное направление научных исследований - система автоматизации проектирования строительного манипулятора для укладки дорожных плит. Имеет 11 опубликованных работ. sveta.parkova@mail.ru

УДК 621.86

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КРАН-БАЛКИ

В. С. Щербаков, М. С. Корытов, Е. О. Вольф

Аннотация. Проведен эксперимент по перемещению груза на кран-балке грузоподъемностью пять тонн. Подтверждена адекватность математической модели, описываемой системой нелинейных дифференциальных уравнений колебаний сферического маятника с подвижной точкой подвеса.

Ключевые слова: уравнения колебаний, сферический маятник, точка подвеса, кран-балка, мостовой кран.

Введение при перемещении его грузоподъемным

Проблема гашения неконтролируемых краном является актуальной. Ее решение колебаний груза в трехмерном пространстве позволит значительно повысить точность