Оптимизация конструктивных параметров гидравлических рулевых

моделируется  телами  Фохта.  Для  этого  к  одному  из  поступательных 
примитивов  шарниров  «Planar»  через  блоки  «Joint  Actuator»,  в 
качестве 
возмущающих 
воздействий, 
приводится 
сигнал, 
формирующий координаты микрорельефа, из модели стохастических 
возмущающих воздействий. Тела Фохта преобразовывают этот сигнал 
в дополнительные возмущающие усилия в шарнирах «Planar». 
 

 
 
 
 Таким  образом,  имитируются  усилия,  возникающие  на  штоках 
Ри
с.
 2.
23
. 
Мод
ел
ь 
п
роц
есса 
п
ов
орот
а 
ш
арн
и
рн
о
-соч
л
ен
ен
н
ой
 м
аш
и
н
ы
 в
 сред
е 
SimMechanics
 

исполнительных  гидроцилиндров  в  процессе  поворота,  с  учетом 
кинематики шарнирно-сочлененной машины. Эти силы фиксируются 
блоками 
«Joint 
Sensor», 
присоединенными 
к 
шарнирам, 
моделирующим  движение  штока  и  корпуса  гидроцилиндра  друг 
относительно  друга.  Блок  «Joint  Sensor»  конвертирует  механический 
сигнал SimMechanics в обычный сигнал Simulink, который поступает 
в  модель  гидропривода  на  вход  гидроцилиндра,  как  входной 
параметра R
CIL
. 
При  помощи  блока  «Joint  Sensor»,  присоединенного  к  шарниру 
сочленения  полурам,  можно  регистрировать  угол  поворота  полурам 
относительно друг друга Θ
2
. 
Одним из достоинств пакета SimMechanics является возможность 
визуализировать  движения  моделируемых  машин  и  механизмов, 
используя  возможности,  предоставляемые  SimMechanics.  Движения 
механизма  можно  наблюдать  в  процессе  моделирования  в 
специальном 
окне 
визуального 
наблюдения 
SimMechanics. 
Достоинство этого варианта визуализации в том, что пользователь не 
тратит  времени  на  создание  виртуальной  реальности,  описание 
геометрии  тел  и  их  связей,  сцены  анимации  и  т.  д.  Все  это  уже 
подготовлено и выполняется автоматически встроенными средствами 
SimMechanics /94/. 
Тела  механизма  в  окне  визуального  наблюдения  могут  быть 
изображены двумя способами: 1) в виде поверхностей, соединяющих 
характерные точки тел; 2) в виде эллипсоидов, положение и размеры 
которых  зависят  от  положения  центров  масс  тел  и  их  массово-
инерционных свойств /94/. 
Кроме  того,  для  выделения  характерных  точек  определенного 
вида,  используются  специальные  знаки.  Знак  «плюс  в  круге»   
используется  для  обозначения  центров  масс  тел.  Знак  «начало 
системы координат»   используется для обозначения всех остальных 
характерных  точек  CS,  положение  которых  задано  в  окне  настройки 
блока Body /94/. 
 
Фрагменты  визуализации  процесса  поворота  машины  в 
начальном  и  конечном  положении,  то  есть  при  нулевом  и 
максимальном угле складывания полурам, представлены на рис. 2.24. 
 

 
 
 
Рис. 2.24. Фрагменты визуализации процесса поворота 

Таким образом, обобщенная модель поворота отражает основные 
признаки  пневмоколесных  СДМ  с  шарнирно-сочлененной  рамой  и 
может  быть  использована  при  моделировании  различных  машин 
данного  типа  путем 
замены 
исходных 
данных:  координат 
характерных  точек,  значений  масс  и  моментов  инерции  полурам,  а 
также  сил  и моментов  сопротивлений,  возникающих в  зоне  контакта 
колес с опорной поверхностью в процессе поворота. 
 
Выводы по главе: 
 
1. 
На 
основании 
гидравлической 
и  расчетной 
схемы 
разрабатывается блок-схема ГРУ, каждый блок которой соответствует 
одноименному  элементу  расчетной  схемы  и  представляет  собой 
гидравлический многополюсник. 
 
2.  На  основе  блок-схемы  в  соответствии  с  принципами 
композиции математической модели и дифференциальных уравнений 
описывающих  элементы  системы,  составляется  структурная  схема 
гидропривода  рулевого  управления  и  реализована  в  среде  Matlab  – 
Simulink. 
3.  Движение  гильзы  и  золотника  гидрораспределителя  ГРМ 
описываются нелинейными статическими характеристиками. 
 
4.  Элементы  гидропривода  моделируются  путем  составления 
структурной  схемы  из  Simulink-блоков  и  представляют  собой 
дифференциальные 
уравнения, 
описывающие 
этот 
элемент. 
Преимуществом  данного  метода  является  высокая  точность  и 
возможность варьирования любого параметра элемента. 
 
5.  Разрабатывается  модель  стохастических  возмущающих 
воздействий,  отражающих  влияние  внешней  среды,  действующих  на 
систему рулевого управления и реализована в среде Matlab. 
 
6. Составляется расчетная схема поворота машины с шарнирно-
сочлененной  рамой,  а  также  принципиальная  схема  связей  для 
элементов  машины  для  разработки  имитационной  модели.  Модель 
поворота позволяет корректно смоделировать усилия, приведенные к 
штокам  исполнительных  гидроцилиндров,  возникающих  в  процессе 
поворота машины и обусловленных сопротивлениями в зоне контакта 
колес  с  опорной  поверхностью  и  случайными  процессами, 
возникающими при взаимодействии шин с микрорельефом грунта. 
 
7.  Динамика  поворота  машины  моделируется  в  приложении 
SimMechanics,  предназначенного  для  моделирования  механического 
движения  твердых  тел.  Модель  поворота  машины  является 
имитационным  аппаратом,  позволяющим  моделировать  процесс 
поворота различных  пневмоколесных  СДМ с  шарнирно-сочлененной 
рамой путем замены исходных данных блоков SimMechanics. 

 
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ  
ГИДРОСИСТЕМЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ 
 
 
Целью  теоретических  исследований  является  анализ  и  синтез 
ГРУ  на  основе  математической  модели  рулевого  управления  СДМ, 
включающей 
в 
себя 
модель 
стохастических 
возмущающих 
воздействий  и  имитационную  модель  процесса  поворота  машины  с 
шарнирно-сочлененной рамой. 
 
3.1. Анализ гидросистемы рулевого управления 
 
Возмущающие  и  управляющие  воздействия,  подаваемые  на 
гидросистему  рулевого  управления,  выводят  систему  из  состояния 
равновесия, 
предопределяя 
возникновение 
переходных 
гидромеханических процессов. 
Для  решения поставленных задач необходимо  выявить  факторы, 
влияющие  на  формирование  переходных  процессов  в  ГРУ, 
определить  степень  их  влияния  и  установить  зависимости  между 
параметрами 
переходных 
гидромеханических 
процессов, 
характеризуемых 
показателями 
качества, 
и 
анализируемыми 
конструктивными параметрами объекта исследования. 
 
Анализ ГРУ производился в соответствии со следующими этапами: 
 
-  анализ  факторов,  влияющих  на  формирование  переходных 
процессов в ГРУ; 
 
-  определение  параметров  элементов  ГРМ,  подлежащих 
варьированию; 
 
- задание численных значений фиксированных параметров; 
-  задание  границ  и  интервалов  варьирования  анализируемых 
параметров; 
- решение математической модели на ПК; 
-  анализ  влияния  анализируемых  параметров  на  выходные 
характеристики системы; 
- выводы по решению задачи анализа.  
 
3.1.1. Факторы, влияющие на формирование переходных  
процессов в системе и степень их влияния 
 
В 
соответствии 
с 
известными 
положениями 
динамики 
гидросистем  к  основным  факторам,  оказывающим  влияние  на 

формирование  переходных  гидродинамических  процессов  следует 
отнести  возмущающие  воздействия  и  факторы,  определяемые 
свойствами системы «оператор – машина – окружающая среда» /37/. 
Возмущающие 
воздействия 
могут 
быть 
внешними 
и 
внутренними.  К  внешним,  в  данном  случае,  относится  состояние 
грунта,  по  которому  перемещается  машина  (Ф1),  этот  фактор 
оказывает  значительное  влияние  на  формирование  переходных 
процессов 
в 
гидроприводе 
при 
взаимодействии 
ходового 
оборудования с неровностями микрорельефа. 
К 
внутренним 
возмущающим 
воздействиям 
относится 
совокупность 
гидромеханических 
явлений, 
предопределяющих 
формирование  и  развитие  во  времени  и  по  пространству,  занятому 
потоком  нестационарного  течения  рабочей  жидкости,  которое 
определяется  большим  числом  факторов  различной  физической 
природы /37/. Основными являются следующие факторы: 
 
-  структура гидросистемы (Ф2); 
 
-  параметры        возмущающего        воздействия:        элемент    
системы  гидроприводов,  формирующий  переходный  процесс  (точка 
приложения возмущающего воздействия) (Ф3), интенсивность (Ф4) и 
тип возмущающего воздействия (Ф5); 
 
-    физико-  и  гидромеханические  свойства  элементов  гидропривода 
(Ф6); 
 
-  физические свойства рабочей жидкости (Ф7). 
 
Формирование 
факторов 
переходного 
процесса 
предопределяется  свойствами  системы  «оператор  –  машина  – 
окружающая  среда».  В  соответствии  с  системным  подходом  к 
исследованиям  целесообразно  выделить  следующие  свойства, 
оказывающие  существенное  влияние  на  формирование  переходного 
процесса: 
 
-  свойства  оператора  –  квалификация  и  производственные 
навыки  (Ф8),  физиологическое  и  психологическое  состояние  в 
процессе выполнения работы (Ф9); 
 
-  свойства  ГРУ  и  ее  элементов  –  схемные  и  конструктивные 
особенности  гидропривода  и  его  элементов  (Ф10),  энергетические 
параметры  и  конструктивные  свойства  силовой  установки  (Ф11), 
техническое 
состояние 
элементов 
машины 
в 
процессе 
ее 
эксплуатации (Ф12); 
 
-  свойства  объекта  труда  и  окружающей  среды  –  особенности 
организации  и  технологии  проводимых  работ  (Ф13),  погодные  и 

климатические условия (Ф14). 
 
В  качестве  математической  модели  формирования  параметров 
переходного  процесса  может  быть  предложена  граф-модель, 
отражающая  связи  между  факторами,  влияющими  на  формирование 
переходного процесса (рис. 3.1). 
На  основе  анализа  причинно-
следственных 
связей, 
моделируемых 
графом, 
необходимо 
отметить 
их 
сложность, 
взаимообусловленность, 
отсутствие 
ярко 
выраженных 
закономерностей,  что  затрудняет 
ранжирование 
факторов 
по 
степени  их  значимости.  В  связи  с 
этим,  решение  задачи  анализа 
переходных  процессов  в  ГРУ, 
поставленной  в  полном  объеме, 
имеет 
известные 
трудности. 
Основная  проблема,  очевидно, 
заключается 
в 
достаточно 
большой 
области 
факторного 
пространства. 
 
Анализ  приведенной  граф-модели  показал,  что  наибольшее 
влияние  на  формирование  переходных  процессов  оказывают 
конструктивные особенности гидросистемы, за счет многочисленных 
косвенных влияний на переходный процесс через другие факторы.  
Малозначимые  факторы  могут  принимать  бесконечно  большое 
множество  значений  в  зависимости  от  управляющих  воздействий 
оператора,  физико-механических  свойств  объекта  труда,  условий 
эксплуатации, погодных и климатических условий. 
 
Таким  образом, необходимо  выявить  основные закономерности 
процессов,  протекающих  в  ГРУ,  при  различных  значениях 
конструктивных параметров ГРМ. 
 
3.1.2. Конструктивные параметры гидравлических  
рулевых механизмов, подлежащие анализу 
 
 
Необходимо  отметить,  что  основной  подсистемой  рулевого 
управления  СДМ  является  ГРУ,  в  состав  которой  входит  агрегат, 
Рис. 3.1. Граф-модель формирования 
переходного процесса в 
гидросистемах рулевого управления 

называемый 
ГРМ 
и 
включающий 
в 
себя 
подсистему 
гидрораспределителя  и  гидромотор  обратной  связи,  поэтому 
целесообразно  в  первую  очередь  оценить  влияние  конструктивных 
параметров именно этих элементов на выходные характеристика ГРУ 
в целом. 
  
Анализ  структурной  схемы  и  выражений,  описывающих 
гидрораспределитель,  позволил  обозначить  в  качестве  варьируемых 
параметров  следующие:  диаметры  отверстий  гидромоторного  ряда 
гидрораспределителя 
d
0
, 
углы 
зоны 
нечувствительности 
гидрораспределителя  γ,  площади  проходных  сечений  каналов 
разгрузки питающего насоса в гидрораспределителе f
SL
.  
Перечисленные  параметры  оказывают  наибольшее  влияние  на 
формирование  переходных  процессов  в  ГРУ,  поскольку  они 
участвуют  в  процессе  регулирования  выходных  параметров  ГРМ,  то 
есть  они  охвачены  обратной  связью.  Остальные  конструктивные 
параметры  распределителя,  перечисленные  в  разд.  1.4,  служат  лишь 
для перераспределения рабочей жидкости и не представляют интереса 
для их исследования. 
 
Анализ  выражений,  описывающих  гидромотор  обратной  связи, 
позволил обозначить в качестве варьируемого параметра рабочий объем q. 
 
3.1.3. План вычислительного эксперимента 
 
 
- Обосновать выбор управляющего воздействия. 
- 
Определить 
границы 
варьирования 
для 
каждого 
из 
анализируемых параметров, установить шаг варьирования. 
- 
Определить 
границы 
устойчивости 
для 
варьируемых 
параметров  при  различных  значениях  рабочего  объема  гидромотора 
обратной связи. 
- Построить переходные характеристики выходной величины при 
различных  значениях  диаметров  отверстий  гидромоторного  ряда  в 
гильзе. 
-  Построить  зависимости  показателей  качества  переходных 
процессов от величины диаметра отверстий гидромоторного ряда при 
различных значениях рабочего объема гидромотора обратной связи. 
-  Построить    переходные    характеристики  выходной  величины 
при 
различных 
значениях 
угла 
зоны 
нечувствительности 
гидрораспределителя. 
-  Построить  зависимости  показателей  качества  переходных 

процессов от величины угла зоны нечувствительности при различных 
значениях рабочего объема гидромотора обратной связи. 
-  Построить    переходные    характеристики  выходной  величины 
при  различных  значениях  площади  проходных  сечений  каналов 
разгрузки в гидрораспределителе. 
-  Построить  зависимости  показателей  качества  переходных 
процессов  от  величины  площади  проходных  сечений  каналов 
разгрузки  при  различных  значениях  рабочего  объема  гидромотора 
обратной связи. 
-  Дать  краткие  выводы  и  рекомендации  по  применению 
конструктивных параметров. 
 
3.1.4. Управляющее воздействие 
 
ГРУ 
является 
специфической 
системой 
автоматического 
регулирования,  включающей  в  себя  контур  отрицательной  обратной 
связи. 
Поэтому 
является 
целесообразным 
проанализировать 
процессы, протекающие  в системе как при включении гидропривода, 
то  есть  при  выходе  на  установившийся  режим  работы,  так  и  при 
отключении, то есть при прекращении воздействия на рулевое колесо.  
Поэтому,  понадобятся  два  управляющих  воздействия:  одним 
являлся  единичный  ступенчатый  сигнал  скорости  вращения  рулевого 
колеса (рис. 3.2), который позволил получить переходные процессы при 
включении  гидропривода  и  оценить  переходные  процессы  в  ГРУ  при 
рассмотрении  гидромотора  обратной  связи  как  регулирующего  звена. 
Другим  управляющим  воздействием  являлся  единичный  ступенчатый 
сигнал поворота рулевого колеса (рис. 3.3), который позволил получить 
переходные  процессы  при  отключении  гидропривода,  то  есть  когда 
гидромотор  обратной  связи  доворачивает  гильзу  гидрораспределителя, 
перекрывая  каналы  гидромоторного  ряда,  при  снятии  управляющего 
воздействия. 
 

 
Рис. 3.2. Управляющее воздействие для анализа 
переходных процессов при включении гидропривода 
 
 
 
Рис. 3.3. Управляющее воздействие для анализа 
переходных процессов при отключении гидропривода 
 
3.1.5. Границы и интервалы варьирования  
анализируемых параметров 
 
Анализ 
отечественных 
и 
импортных 
исполнений 
гидрораспределителей  показал,  что  значения  диаметров  отверстий 
гидромоторного  ряда  лежат  в  пределах  от  2,8  до  3,6  мм,  поэтому  в 
предлагаемой  работе,  для  наиболее  полного  представления  о 
происходящих  в  системе  гидромеханических  процессах,  принято 
решение проанализировать переходные процессы выходной величины 
при следующих значениях диаметров отверстий гидромоторного ряда: 
d
1
 = 2,6 мм; d
2
 = 2,8 мм;    d
3
 = 3 мм; d
4
 = 3,3 мм; d
5
 = 3,6 мм; d
6
 = 3,8 

мм. 
Значения  углов  зоны  нечувствительности  гидрораспределителя 
лежат в пределах от 0,035 до 0,07 рад, в предлагаемой работе принято 
решение проанализировать переходные процессы выходной величины 
при следующих значениях: γ
1
 = 0,01 рад; γ
2
 = 0,02 рад; γ
3
 = 0,035 рад; 
γ
4
 = 0,05 рад; γ
5
 = 0,07 рад; γ
6
 = 0,085 рад. 
 
Значения  площадей  проходных  сечений  каналов  разгрузки 
лежат  в  диапазоне  от  0,6  ∙  10
-4
  м
2
  и  более.  Для  анализа  приняты 
следующие  значения  площадей    сечений    каналов    разгрузки:    f
SL1
  = 
0,5∙10
-4
  м
2
;      f
SL2
  =  0,75∙10
-4
  м
2
;  f
SL3
  =  10
-4
  м
2
;  f
SL4
  =  1,25∙10
-4
  м
2
;  f
SL5
  = 
1,5∙10
-4
 м
2
. 
 
Героторные и героллерные пары ГРМ изготавливаются серийно 
со  следующими  основными  рабочими  объемами:  q
1
  =  80∙10
-6
  м
3
;         
q
2
  =  125∙10
-6
  м
3
;  q
3
  =  160∙10
-6
  м
3
;  q
4
  =  200∙10
-6
  м
3
;  q
5
  =  250∙10
-6
  м
3
. 
Поэтому  вышеперечисленные  значения  рабочих  объемов  являлись 
исходными значениями для анализа ГРУ. 
3.1.6. Устойчивость гидросистемы рулевого управления 
 
Поскольку 
ГРУ 
является 
системой 
автоматического 
регулирования,  в  которой  присутствует  контур  отрицательной 
обратной  связи,  на  нее  распространяются  все  требования, 
предъявляемые  к  системам  автоматического  регулирования,  в  том 
числе и требование по обеспечению устойчивости системы. 
В  ряде предшествующих  работ  по  исследованию  гидроприводов 
рулевого  управления  /36,  57,  58/  были  проведены  исследования 
автоколебаний  в  системе  на  установившемся  режиме  работы.  Было 
доказано, что на возникновение автоколебаний влияет величина угла 
зоны  нечувствительности  гидрораспределителя,  так  называемая 
«мертвая  зона»,  и  чем  она  меньше,  тем  более  система  склонна  к 
возникновению  автоколебаний.  Однако  об  устойчивости  системы 
судить  только  по  наличию  автоколебаний  нельзя,  поскольку  этот 
процесс  носит  случайный  характер  и  на  него  влияют  множество 
факторов,  не  поддающихся  исследованию.  Поэтому  в  данной  работе 
принято  решение  произвести  оценку  устойчивости  при  включении 
(при  выходе  на  установившийся  режим  работы)  и  при  отключении 
привода  (при  прекращении  воздействия  на  рулевое  колесо),  а  также 
выявить область устойчивости системы. 
На  устойчивость  системы  при  включении  влияют  следующие 
факторы /36, 58/: 
- вид нелинейной статической характеристики гидрораспределителя; 
- жесткость гидролиний;  

- количество нерастворенного воздуха в рабочей жидкости; 
-  массы, приведенные к штоку исполнительного гидроцилиндра и др. 
Влияние  жесткости  гидролиний  на  устойчивость  системы  не 
рассматривается,  поскольку  длины  гибких  участков  гидролинии  на 
исследуемой 
машине 
незначительны, 
вследствие 
небольших 
перемещений исполнительных гидроцилиндров. Приведенные к штокам 
гидроцилиндров массы, учитываются в имитационной модели поворота 
машины. 
ГРМ  содержит  существенные  нелинейные  элементы,  такие  как 
гильза  и  золотник  гидрораспределителя,  поэтому  она  может 
называться  существенной  нелинейной  системой  и  вид  нелинейной 
статической 
характеристики 
гидрораспределителя 
оказывает 
существенной  влияние  на  устойчивость  ГРУ.  Вид  нелинейной 
статической  характеристики  определяют  следующие  параметры 
гидрораспределителя:  углы  зоны  нечувствительности  и  диаметры 
проходных  сечений  каналов  гидромоторного  ряда.  Исследования 
показали, что на устойчивость ГРУ при включении оказывает влияние 
величина  диаметров  отверстий  гидромоторного  ряда,  а  при 
отключении 
– 
углы 
положительного 
перекрытия 
гидрораспределителя ГРМ. 
На  рис.  3.4  представлены  переходные  процессы  скорости 
перемещения штока исполнительного гидроцилиндра при включении 
гидропривода  при  различных  значениях  диаметра  отверстий 
гидромоторного 
ряда. 
Представленный 
график 
наглядно 
демонстрирует 
влияние 
величины 
диаметров 
отверстий 
гидромоторного 
ряда 
на 
устойчивость 
системы. 
Поэтому 
целесообразно  исследовать  систему  на  устойчивость  при  различных 
значениях диаметров d
1
…d
6
. 
Универсальных  методов  исследования  нелинейных  систем  нет. 
Имеются  различные  методы,  которые  пригодны  или  удобны  для 
решения определенного класса задач.  
 

 
Рис. 3.4. Переходные процессы в ГРУ при включении привода 
при различных значениях диаметра отверстий гидромоторного ряда 
 
Оценка  устойчивости  нелинейной  системы  проведена  методом 
фазовых траекторий. Метод фазовых траекторий основан на построении 
и  изучении  фазового  портрета  (совокупности  фазовых  траекторий),  так 
как  по  нему  можно  судить  об  устойчивости  системы.  Построить  и 
наглядно представить фазовую траекторию можно на фазовой плоскости, 
которая представляет собой координатную плоскость, в которой по оси 
абсцисс 
откладывается 
какая-либо 
переменная, 
однозначно 
определяющая  состояние  системы,  а  по  оси  ординат  –  ее  производная 
/36, 58, 65/. 
Фазовые  траектории  перемещения  штоков  исполнительных 
гидроцилиндров  ГРУ  при  включении,  при  рабочем  объеме 
гидромотора  обратной  связи  q
1
  =  80∙10
-6
  м
3
  и  диаметрах  отверстий 
гидромоторного  ряда  d
4
  =  3,3  мм  и  d
6
  =  3,8  мм  в  качестве  примера 
изображены  на  рис.  3.5  и  3.6.  Фазовые  траектории  перемещения 
штоков  исполнительных  гидроцилиндров  ГРУ  при  включении,  при 
рабочем  объеме  гидромотора  обратной  связи  q
3
  =  160∙10
-6
  м
3
  и 
диаметрах отверстий гидромоторного ряда d
1
 = 2,6 мм и  d
6
 = 3,8 мм 
качестве примера изображены на рис. 3.7 и 3.8 соответственно. 
 

 
 
Рис. 3.5. Пример фазовой траектории ГРУ при включении привода при  
значении диаметра отверстий гидромоторного ряда d
4
 = 3,3 мм  
и рабочем объеме гидромотора обратной связи q
1
 = 80∙10
-6
 м
3 
 
 
 
Рис. 3.6. Пример фазовой траектории ГРУ при включении привода при  
значении диаметра отверстий гидромоторного ряда d
6
 = 3,8 мм  
и рабочем объеме гидромотора обратной связи q
1
 = 80∙10
-6
 м
3 

жүктеу/скачать 46,93 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: