Обзор предшествующих исследований

Важнейшими характеристиками работы ГРУ считаются качество 
выходных  характеристик,  обуславливающих  управляемость  СДМ  и 
устойчивость движения в процессе поворота /13, 58/. 
Под  управляемостью  СДМ  понимается  совокупности  свойств 
системы,  позволяющие  сохранить  или  изменить  направление  его 
движения  при  соответствующем  воздействии  на  орган  управления 
/42/.  Вопросы  управляемости  мобильных  машин  рассмотрены  в 
работах /17, 46, 47, 88, 91, 93/.  
Под  устойчивостью  системы  рулевого  управления  СДМ 
понимается 
его 
способность 
возвращаться 
в 
состояние 
установившегося  режима  после  прекращения  действия  источника, 
нарушившего это равновесие /50, 51, 62, 74/. 
Автоколебания  выходного  звена  при  процессе  поворота  
характерны  для  машин  с  механическими  и  гидромеханическими 
системами рулевого управления. В ГРУ при определенной сборке это 
явление вообще отсутствует. Это доказано в работах /60, 61/. Анализ 
этих  работ  показал,  что  при  включении  гидромотора  обратной  связи 
только  в  активную  (напорную)  гидролинию  исполнительного 
гидроцилиндра  следящая  система  становится  абсолютно  устойчивой 
по  выходному  параметру  –  перемещению  штока  гидроцилиндра, 
поскольку  последний  не  охватывается  обратной  связью.  Поскольку 
высокочастотные 
колебания 
гидромотора 
обратной 
связи 
фильтруются  системой  гидропривода,  являющейся  фильтром  низких 
частот,  автоколебания  штока  гидроцилиндра  в  такой  системе 
невозможны.  При  включении  же  гидромотора  обратной  связи  в 
сливную  гидролинию  гидроцилиндра  следящая  система  по  своим 
динамическим  качествам  уподобляется  системе  с  механической 
обратной  связью,  имеющей,  как  уже  отмечалось  выше,  невысокую 
устойчивость 
против 
автоколебаний 
из-за 
малой 
жесткости 
гидросистемы  и  значительных  масс,  охваченных  обратной  связью. 
Таким  образом,  при  включении  гидромотора  обратной  связи  в 
активную  линию,  исследования  устойчивости  системы  против 
автоколебаний  достаточно  полно  отражают  стабильность  работы 
системы рулевого управления /60, 62/. 
Тем  не  менее,  считать  гидравлические  механизмы  полностью 
изученными  не  представляется  возможным,  т.к.  внедрение  их  в 
какую-либо  новую  область  применения,  либо  изменение  ранее 
существовавших  условий,  часто  вызывает  возникновение  новых 
проблем, 
для 
решения 
которых 
бывает 
недостаточно 
уже 

накопленных  сведений.  В  частности,  это  касается  вопроса  ГРМ  и 
установки  их  на  автомобили,  тракторы,  самоходные  шасси  и  т.п. 
 
Специфика работы ГРМ /58/: 
1.  Работа  ГРМ  производится  в  условиях  резких  изменений 
температуры  и  сильной  запыленности  окружающего  воздуха. 
Нагрузка  на  ГРМ  резко  переменна  по  знаку  и  величине, 
неопределяемыми  каким-либо  наперед  заданными  законами.  Эти 
условия приводят к значительно большим износам деталей ГРМ, чем 
аналогичных  устройств  в  промышленности  при  равном  времени 
эксплуатации. 
2.  Производительность  насосов,  обычно  с  постоянным  расходом 
рабочей жидкости, также подвержена скачкообразным изменениям, в 
связи  с  изменением  оборотов  основного  двигателя,  от  которого  эти 
насосы  работают,  что  является  причиной  большой  нестабильности  в 
работе ГРМ. 
3.  Наряду  с  тенденцией  к  предельной  простоте  конструкций 
существует  и  большая  индивидуализация,  с  чем  связаны  трудности 
унификации  и  нормализации  узлов  и  деталей.  Это  в  свою  очередь 
приводит  к  известным  затруднениям  в  обобщении  принципов 
поведения систем. 
 
На  основании  приведенных  положений  можно  заключить,  что 
ГРМ, по существу, является новым классом механизмов. И, несмотря 
на  то,  что    для  их  изучения  могут  быть  использованы  общие 
принципы, разработанные в теории автоматического регулирования и 
следящих 
приводов, 
необходимы 
вполне 
самостоятельные 
исследования ГРМ, требующие свою методику анализа и синтеза. 
 
 
1.4. Основные параметры гидравлических рулевых механизмов 
и требования к гидросистемам рулевого управления 
 
Основным  выходным  параметром  ГРМ,  по  которому  строится 
типоразмерный  ряд,  является  расход  рабочей  жидкости,  подаваемый 
гидравлическим рулем к исполнительным гидроцилиндрам. Расход на 
выходе из ГРМ определяется по формуле /48/: 
 
,
2π
η
q
dt
dα
Q
ГРМ



                                       (1.1) 

где 
dt
dα
 
–  скорость  вращения  рулевого  колеса;  q  –  рабочий  объем 
гидромотора обратной связи; η
ГРМ
 – объемный КПД механизма. 
Другим  немаловажным  выходным  параметром  ГРМ  является 
давление  на  входе  в  ГРМ  или  на  выходе  питающего  насоса, 
создаваемое  нагрузкой  при  повороте.  Давление  определяется  по 
формуле /48/: 
 
,
ГРМ
CIL
Δp
F
R
p


                                      (1.2) 
 
где  R
CIL
  –  усилие  на  штоке  исполнительного  гидроцилиндра;  F  – 
площадь  рабочей  поверхности  поршня  гидроцилиндра;  Δр
ГРМ
  – 
перепад давления на рулевом механизме.  
Основными  входными  параметрами  ГРМ  является  расход 
питающего насоса, усилие на штоке исполнительного гидроцилиндра, 
а также управляющие и возмущающие воздействия. 
Кроме  вышеперечисленных  параметров  ГРМ  существует  ряд 
показателей, к которым относятся /48, 64/: 
-  момент  на  рулевом  колесе,  который  предусматривается 
ГОСТом  как  при  работающем  питающем  насосом,  так  и  при 
аварийном режиме; 
- 
перепад 
давления 
в 
нейтральном 
положении 
гидрораспределителя; 
-  «скольжение»  –  непроизводительное  вращение  ротора 
гидромотора  обратной  связи  в  упоре  вследствие  внутренней 
негерметичности рулевого управления. 
Скорость  «скольжения»  возрастает  с  уменьшением  вязкости 
рабочей жидкости,  а  также  с  увеличением температуры, приводящей 
к  увеличению  зазоров  между  уплотнительными  поверхностями 
золотникового распределителя и ротора гидромотора /63, 64/. 
Скольжение  определяется  при  крайнем  положении  штока 
исполнительного  гидроцилиндра  в  процессе  вращения  вала  ГРМ  в 
положении  «в  упор»  с  крутящим  моментом,  необходимым  для 
поддержания  работы  предохранительного  клапана.  При  этом 
измеряется частота вращения вала /63/. 
Основными  конструктивными  параметрами  ГРМ  являются 
параметры 
гидромотора 
обратной 
связи, 
и 
параметры 
гидрораспределителя. 

Основным параметром гидромотора обратной связи является его 
рабочий объем, который определяется типоразмером пары. В таблице 
1.1  приведены  типоразмеры  героторных  и  героллерных  пар  для 
каждого  рабочего  объема.  От  рабочего  объема  гидромотора  зависит 
значение расхода на выходе из ГРМ /48,64/. 
К конструктивным параметрам гидрораспределителя относятся: 
- 
диаметры 
отверстий 
гидромоторного 
ряда 
гильзы 
гидрораспределителя; 
- ширина напорных пазов золотника гидрораспределителя; 
- диаметры сливных отверстий гильзы гидрораспределителя; 
- ширина сливных пазов золотника гидрораспределителя; 
- углы зоны нечувствительности гидрораспределителя; 
-  площади  проходных  сечений  каналов  разгрузки  питающего 
насоса в гильзе гидрораспределителя. 
Таблица 1.1 
Типоразмеры гидромоторов обратной связи 
 
Рабочий объем ∙10
-6
 м
3 
Толщина героторной 
пары ∙10
-3
 м 
Толщина героллерной 
пары ∙10
-3
 м 
80 
10,6 
14 
100 
13,3 
17,4 
125 
16,25 
21,8 
160 
21,95 
27,8 
200 
25,55 
34,8 
250 
31,75 
43,5 
500 
- 
87 
 
Через  отверстия  гидромоторного  ряда  (рис.  1.9)  поток  рабочей 
жидкости  попадает на  гидромотор  обратной  связи, посредством  чего 
происходит регулирование расхода в ГРМ, другими словами влияние 
этого параметра на качество системы является определяющим. 
Через напорные пазы золотника (рис. 1.10) рабочая жидкость из 
гидромотора  обратной  связи  поступает  в  полости  исполнительных 
гидроцилиндров. 
Через  сливные  отверстия  в  гильзе  гидрораспределителя  (рис. 
1.11)  рабочая  жидкость  уходит  на  слив  из  исполнительных 
гидроцилиндров. 
 

 
 
Рис. 1.9. Расположение отверстий гидромоторного 
ряда в  гильзе гидрораспределителя 
 
 
 
Рис. 1.10. Иллюстрация напорных пазов в 
золотнике гидрораспределителя 
 
 
Рис. 1.11. Иллюстрация сливных отверстий в 
гильзе гидрораспределителя
 
Отверстия гидромоторного ряда 
Напорные пазы 
Сливные отверстия 

 
 
 
Рис. 1.12. Иллюстрация сливных пазов в золотнике гидрораспределителя 
 
Через сливные пазы в золотнике гидрораспределителя (рис. 1.12) 
рабочая 
жидкость 
уходит 
на 
слив 
из 
исполнительных 
гидроцилиндров. 
Углы  зоны  нечувствительности  гидрораспределителя  (рис.  1.13) 
определяют вид нелинейной характеристики распределителя. 
Через  каналы  разгрузки  насоса  в  гильзе  гидрораспределителя  (рис. 
1.14)    избыток  рабочей  жидкости,  которая  не  прошла  в  каналы 
гидромоторного ряда, уходит на слив. 
 
 
Рис. 1.13. Иллюстрация углов зоны  
нечувствительности гидрораспределителя 
 
Кроме того, существуют показатели качества ГРУ /48, 64, 65/: 
-  коэффициент  колебательности  –  отношение  двух  соседних 
максимальных 
отклонений 
переходной 
характеристики 
от 
установившегося  значения,  коэффициент  колебательности  позволяет 
Сливные пазы 
Углы зоны нечувствительности 

оценить устойчивость нелинейной системы; 
- время переходного процесса – это интервал времени, с момента 
подачи  управляющего  воздействия  до  момента,  при  котором 
отклонение  выходной  величины  от  установившегося  значения  не 
превысит 5% от этого значения; 
-  время  чистого  запаздывания  –  время,  которое  определяется 
величиной зоны нечувствительности и скоростью вращения рулевого 
колеса; 
-  перерегулирование  выходной  величины  –  это  процентное 
отношение  разности  между  максимальным  значением  переходной 
характеристики 
и 
установившимся 
ее 
значением 
к 
этому 
установившемуся значению. 
 
 
 
Рис. 1.14. Иллюстрация каналов разгрузки  
насоса в гильзе гидрораспределителя 
 
Системы  рулевого  управления  являются  одними  из  наиболее 
ответственных  узлов  СДМ.  На  основе  накопленного  опыта 
эксплуатации,  анализа  конструктивных  решений  и  результатов 
исследований разработан и введен ряд требований к ГРУ /21, 58, 66/: 
- командный орган рабочей системы рулевого управления должен 
быть  для  оператора  органом  рулевого  управления  во  всех 
обстоятельствах; 
-  чувствительность,  регулирование  и  быстродействие  рабочей 
системы  рулевого  управления  должны  быть  таковы,  чтобы 
квалифицированный  оператор  мог  уверенно  вести  машину  по 
заданной  траектории  при  выполнении  всех  операций,  для  которых 
предназначена данная машина. 
Гидравлические  контуры  систем  рулевого  управления  должны 
Каналы разгрузки питающего насоса 

иметь следующие устройства /58, 66/: 
-  устройства  для  регулировки  давления,  необходимые  для 
предотвращения 
возникновения 
чрезмерных 
давлений 
в 
гидросистеме; 
-  гибкие  рукава,  соединительную  арматуру  и  жесткие 
трубопроводы,  с  разрывным  давлением  не  менее  чем  в  4  раза 
превышающим  наибольшее  предельное  давление,  установленное 
устройствами  для  регулировки  давления  энергетического  источника 
рабочей и аварийной систем рулевого управления; 
-  разводку  трубопроводов,  исключающую  чрезмерный  изгиб, 
скручивание, трение и износ рукавов. 
Усилие  управления  не  должно  превышать  следующих  значений 
/21, 66/: 
-  усилие  управления  для  рабочей  системы  рулевого  управления 
не должно превышать 115 Н; 
- усилие управления для аварийной системы рулевого управления 
не должно превышать 350 Н. 
Поворот частей шарнирной рамы из одного крайнего положения 
в другое должен быть не более чем за 5 оборотов командного органа. 
Допускается  увеличение  числа  оборотов  командного  органа  при 
условии, 
если 
угловое 
передаточное 
отношение 
объемного 
гидропривода  рулевого  управления  будет  не  более  20.  При 
неработающем  питающем  насосе  допускается  увеличение  углового 
передаточного отношения из условий обеспечения поворота машины 
/58, 66/. 
Гидроагрегаты  ГРУ  должны  быть  рассчитаны  на  работу  при 
максимальном давлении 16 МПа /58, 66/. 
Конструкция 
ГРМ 
должна 
быть 
моноблочной, 
а 
его 
распределительное  устройство  должно  иметь  механическую  связь  с 
командным органом управления /21, 66/. 
Скорость  «скольжения»  командного  органа  при  работающем 
насосе  и  крайних  положениях  управляемых  колес,  необходимая  для 
поддержания  в  нагнетательной  гидролинии  давления  настройки 
предохранительного  клапана,  должна  быть  не  более  0,31  рад  /с  /21, 
58/. 
Ресурс ГРМ должен быть не меньше ресурса машины, на которой 
он установлен /21/. 
ГРМ  должны  обеспечивать  возможность  вращения  рулевого 
колеса  с  максимальной  частотой  не  менее  1,5  об/с  при  частоте 

вращения  вала  двигателя  в  пределах  60  –100  %  от  номинальной  /21, 
58/. 
Допустимый  диапазон  вязкости  рабочей  жидкости  должен  быть 
10  –  1200  сСт.    Предпочтительным  является  рабочий  диапазон  вяз-
кости 20 – 300 сСт /66/.  
Максимальная  температура  рабочей  жид-
кости должна быть не более плюс 80 °С /66/. 
Таким  образом,  исходя  из  вышеизложенного,  можно  сделать 
вывод,  что  при  проектировании  систем  рулевого  управления 
необходимо 
обеспечить 
строгое 
соблюдение 
перечисленных 
требований  для  повышения  безопасности  работы  СДМ  и  качества 
ГРМ для конкурентоспособности их на рынке. 
 
 
1.5. Критерии эффективности и пути рационализации  
рабочих процессов гидросистем рулевого управления 
 
При  решении  инженерных  задач  часто  требуется  сравнение 
нескольких  вариантов  решения  и  выбора  среди  них  наилучшего. 
Применение нерациональных решений влечет за собой существенные 
потери.  В  таких  случаях  вводится  критерий  эффективности, 
экстремальное  значение  которого  характеризует  свойство  одного  из 
наиболее 
важных 
технико-экономических 
показателей 
проектируемого устройства /41/.  
Эффективность  устройства  может  быть  установлена  на  каждом 
из  следующих  этапов:  на  первом  –  предпроектном  и  проектном 
этапах,  когда  создаются  чертежи    машин;  на  втором  –  этапе 
изготовления,  когда  проект  машины  выполняется  в
 
металле;  на 
третьем 
– 
этапе 
эксплуатации, 
когда 
машина 
серийного 
производства  эксплуатируется  в  различных  условиях  /58/. 
Методики  оптимизационного  синтеза  как  раз  позволяют  решить 
вопрос  о  соответствии  выходных  параметров  объекта  критерию 
эффективности именно на стадии проектирования. 
Целевая  функция  позволяет  качественно  сравнить  два  или 
несколько  альтернативных  решений.  Целевая  функция  должна  быть 
однозначной  функцией  проектируемых  параметров.  Решение  может 
оцениваться  не  по  одной,  а  по  нескольким  целевым  функциям.  В 
таком  случае  вводится  система  приоритетов,  соответствующих 
каждой целевой функции при использовании комплексного критерия. 
Такие  приоритеты  задаются  чаще  всего  в  виде  коэффициентов, 

которые называются весовыми коэффициентами /41/. 
В  настоящее  время  наиболее  предпочтительным  является 
применение векторного критерия. 
В  данной  работе  под  критерием  эффективности  понимаются  те 
границы  выходных  характеристик,  показателей  устойчивости  и 
качества  ГРУ,  в  которых  система  является  работоспособной,  то  есть 
отвечает  всем,  предъявляемым  требованиям.  Таким  образом, 
критериями эффективности ГРУ являются: 
-  обеспечение требуемого расхода в ГРУ; 
-  обеспечение  поворота  машины  при  давлении  в  ГРУ,  не 
превышающем  настройки  предохранительного  клапана,  другими 
словами  к  снижению  перепада  давления  на  гидрораспределителе 
ГРМ; 
- обеспечение устойчивости ГРУ; 
-  соответствие  ГРУ  показателям  качества  переходного  процесса, 
таким  как  перерегулирование,  время  переходного  процесса  и  время 
чистого запаздывания. 
В  качестве  оптимизируемых  конструктивных  параметров  ГРМ 
выступают  рабочий  объем  гидромотора  обратной    связи  и  основные 
параметры  гидрораспределителя,  к  которым  относятся  диаметры 
отверстий  гидромоторного  ряда,  углы  зоны  нечувствительности 
распределителя  и  площади  проходных  сечений  каналов  разгрузки 
распределителя. 
1. Требования к рабочему объему гидромотора обратной связи.  
Очевидно,  что  вытесняемый  объем  жидкости  определяется 
установкой  той  или  иной  героторной/героллерной  пары,  другими 
словами  гидромотора  обратной  связи.  Объема  рабочей  жидкости  на 
выходе  из  ГРМ  должно  хватать  для  перемещения  штока 
исполнительного  гидроцилиндра  из  одного  крайнего  положения  в 
другое,  что  соответствует  полному  повороту  машины  за  пять 
оборотов рулевого колеса. Таким образом /3, 48/, 
 
5
ЦИЛ
V
 
q  
,                                          (1.3) 
 
где  V
ЦИЛ
  –  объем  жидкости,  необходимый  для  перемещения  штоков 
исполнительных  гидроцилиндров  из  одного  крайнего  положения  в 
другое; q – рабочий объем гидромотора обратной связи. 
2. Требования к давлению в гидросистеме рулевого управления. 

Требования  сводятся  к  тому,  что  давление  в  системе  должно 
обеспечивать  необходимое  для  поворота  усилие  на  штоке 
исполнительного  гидроцилиндра,  не  превышая  давления  настройки 
предохранительного клапана: 
 
р < р
КП
,                                             (1.4) 
 
где р
КП 
  давление настройки предохранительного клапана. 
 
3.  Устойчивость  системы  в  предлагаемой  работе  оценивается 
при  помощи  коэффициента  колебательности  М.  При  коэффициенте 
колебательности  большем  или  равным  100%,  системе  соответствуют 
незатухающие  колебания,  поэтому  для  обеспечения  устойчивости 
необходимо выполнение следующего условия: 
 
М < 100%.                                          (1.5) 
 
 
4.  В  соответствии  с  требованиями  к  системам  автоматического 
регулирования,  перерегулирование  выходной  величины  не  должно 
превышать 
20%, 
поэтому 
критерием 
эффективности 
для 
перерегулирования будет являться условие: 
 
σ < 20%.                                           (1.6) 
 
 
Таким образом, были сформулированы требования к выходным 
характеристикам,  к  обеспечению  устойчивости  и  к  показателям 
качества. Однако помимо этого необходимо обозначить направления, 
по  которым  должны  стремиться  выходные  характеристики  и 
показатели  устойчивости  и  качества  для  рационализации  рабочих 
процессов ГРУ. 
 
1.  Для  повышения  эффективности  гидропривода  машины  в 
целом, рекомендуется снизить давление в системе, чтобы уменьшить 
перетечки  и  износ  элементов  гидропривода  путем  выбора 
рациональных  параметров  гидрораспределителя,  другими  словами 
условие (1.2) необходимо дополнить следующим условием: 
 
min

p
.                                             (1.7) 
 
 
2.  Для  обеспечения  запасов  устойчивости,  при  решении  задачи 
синтеза необходимо выполнение условия: 

 
min

M
.                                              (1.8) 
 
 
3.  Для  снижения  перерегулирования  выходной  величины 
необходимо выполнение условия: 
 
min
σ 
.                                            (1.9) 
 
4. Для повышения быстродействия ГРУ необходимо уменьшать 
время регулирования расхода на выходе, то есть: 
 
min

ПП
t
.                                        (1.10) 
 
Таким  образом,  выражения  (1.3…1.6)  задают  границы,  в 
которых  должны  лежать  выходные  характеристики,  показатели 
качества системы для обеспечения ее работоспособности. Выражения 
(1.7…1.10)  уточняют  направление,  в  сторону  которого  необходимо 
смещать  значение  выходной  величины,  показателей  устойчивости  и 
качества  для  рационализации  рабочего  процесса  ГРУ  путем 
оптимизации 
конструктивных 
параметров 
ГРМ. 
Определение 
наиболее  приоритетных  направлений,  а  также  методы  оптимизации 
рассматриваются в методике синтеза. 
 
 

жүктеу/скачать 46,93 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: