Фрикционные автоколебания в судовых гидравлических рулевых машинах

Объект исследования. Объектом исследования в работе является типовая электрогидравлическая плунжерная рулевая машина с аксиальнопоршневым насосом переменной производительности.

Особенностью данного рассмотрение является учет сухого трения сосредоточенного, в основном, в рулевом устройстве, являющегося нагрузкой для гидродвигателя рулевой машины.

Сухое трение представляет собой совокупность многих физических явлений, в связи, с чем его учет является достаточно сложной задачей, особенно для математического описания его проявления, что часто приводит к неверным выводам о влиянии сухого трения на динамическое поведение и устойчивость замкнутых динамических систем.

В настоящее время установлены следующие устойчивые закономерности в законе сухого трения: а) сила трения покоя превышает силу трения движения (скольжения) — б) сила трения движения (скольжения) уменьшается с увеличением скорости движения (скольжения) — в) сила сухого трения изменяет свое значение (ненулевое, конечное) на противоположное при изменении направления движения (скольжения).

Перечисленные закономерности в работе принимаются, как физически значимые и учитываются в исследуемых математических моделях гидропривода и самой рулевой машины.

Актуальность. Как известно, судовая рулевая машина относится к наиболее сложным и ответственным энергетическим системам судна, обеспечивающим его функционирование.

Основные характеристики рулевых машин регламентируются правилами международной морской организации (IMO, International Maritime Organization), которые направлены на повышение безопасности в морском судоходстве и предотвращение загрязнения с судов окружающей среды, в первую очередь, морской. Ко всякому рулевому устройству и приводу предъявляются следующие требования: надежность и безопасность работы при любых навигационных условияхживучестьобеспечение заданного угла и заданной скорости перекладки руля при максимальной скорости суднавозможность быстрого перехода от основного вида управления к вспомогательномувозможность управления с нескольких местудобство управления, наименьшие габаритные размеры и массапростота устройства, ухода и обслуживанияэкономичностью и некоторые другие.

В настоящее время на судах мирового флота наиболее широкое применение получили гидравлические рулевые машины (ГРМ) благодаря присущим только им свойствам: компактности, небольшим массе и габаритам, удобству автоматизации, надежности и эффективности эксплуатации, более высокой точности управления рулем и соответственно удержанию судна на курсе, способности выдерживать значительные перегрузки без ухудшения эксплуатационных характеристик и многое другое.

Гидравлические рулевые машины устанавливаются на всех типах судовот супертанкеров до прогулочных катеров. Например, на супертанкерах устанавливаются рулевые машины мощностью до 800 кВт (крутящий момент — до 9000 кНм), на маломерных судах (катерах) — мощностью до 0,3 кВт (крутящий моментдо 1,6 кНм).

Большинство машиностроительных фирм промышленно развитых государств выпускают электрогидравлические рулевые машины плунжерного типа, такие как «Hatlapa» (Германия) «Kobelt» (Канада), «Fluidmecanica» (Испания), «Kawasaki» (Япония), ОАО «Пролетарский завод» (Россия), ООО «Невский судо-строительно-судоремонтный завод» (Россия), ОАО «Завод имени Гаджиева» (Россия) и многие другие.

Однако непрерывное совершенствование гидравлических рулевых машин и их широкое применение вызвало ряд серьезных проблем при их эксплуатации. К ним относятся, прежде всего, автоколебания в гидравлических рулевых машинах. Они возникли логически в результате совершенствования гидравлического оборудования (насосов и др.) и электрических систем управления. Разработчики рулевых машин, стремясь повысить их быстродействие, оказались при этом неспособными оценить границу устойчивости ГРМ, так как до последнего времени отсутствовали необходимые для этого теоретические и экспериментальные методы.

Наряду с вышеуказанными проблемами опыт эксплуатации гидравлических рулевых машин выявил также и проблему автоколебательных режимов, возникающих в гидравлических рулевых машинах по необъяснимым причинам.

Как правило, автоколебания возникали в результате совершенствования гидравлического оборудования рулевых машин, направленного в первую очередь, на повышение их быстродействия. При этом никто не мог обоснованно оценить границу устойчивости проектируемых гидравлических рулевых машин ввиду отсутствия необходимого для таких случаев теоретического анализа.

В связи со сказанным тема работы по исследованию причин возникновения автоколебательных режимов в гидравлических рулевых машинах является вполне актуальной научной задачей.

Методы исследования. Внимание к расчету и исследованию динамических режимов и их математическому описанию резко усилилось в середине прошлого века. Большой вклад в развитие теории судовых приводов и методов расчета динамических режимов судовых следящих систем внесли: Завиша В. В., Позднюнин В. Л., Сурвилло В. Л., Краковский И. И., Харип В. М., Попов Д. Н. и многие другие.

Математическое описание процессов в следящем рулевом гидроприводе рассматривается как математическая модель этой системы, исполненная с определенной (разумной) степенью приближения к реальному объекту исследования. В настоящее время имеется возможность создавать математические модели любой сложности с любой, требуемой для практики, степенью приближения к реальному объекту. Затруднения возникают с исследованием полученных математических моделей.

Научной и методологической основой исследования математических моделей является теория автоматического управления (ТАУ), целенаправленно объединяющей результаты и достижения других теорий, способствующих созданию и исследованию систем автоматического управления (САУ). В ТАУ определены два основных направления — теория линейных САУ и теория нелинейных САУ.

Теория линейных САУ до сих нор служит основным инструментом при исследовании САУ, допускающих линеаризацию, присущих им нелинеГшостей. Однако исследование устойчивости при больших возмущениях или для систем с существенными нелинейное 1ями (принципиально не допускающих линеаризацию) линейная теория либо вообще не позволяет обнаружить важные свойства системы, либо приводит к недопустимым погрешностям.

Теория нелинейных САУ значительно обширнее в сравнении с теорией линейных систем и поэтому разработана не столько подробно. В рамках теории нелинейных САУ существуют различные методы исследования, которые условно можно разделить па неаналитические и аналитические. К неаналитическим методам относятся методы вычислительного эксперимента, базирующиеся на численном интегрировании исходных уравнений математической модели. Аналитические методы, в свою очередь, подразделяются на аналитические приближенные и аналитически точные.

Методы вычислительного эксперимента с развитием средств вычислительной техники получили в настоящее время самое широкое распространение. При решении технических задач, связанных с управлением сложных объектов метод часто оказывается единственно возможным. Основным недостатком метода считается невозможность получения результатов исследования в общем виде.

Среди аналитических приближенных методов основными методами остаются методы гармонического баланса (гармонической линеаризации). Наибольшее применение метод имеет в интерпретации Е. П. Попова и Л. С. Гольдфарба. Ограничением данного метода является жесткое требование, предъявляемое к линейной части системы — наличие в достаточной степени свойства фильтра низких частот. Получить решение задачи в общем виде с помощью данного метода удается лишь при одиночных, достаточно простых нелинейных зависимостях.

К аналитически точным методам относится Прямой метод Ляпунова и методы теории нелинейных колебаний. Прямой метод Ляпунова, связанный с отысканием функции Ляпунова, может быть эффективно использован лишь при относительно простых нелинейных зависимостях.

Созданная школой академика А. А. Андронова теория нелинейных колебании базируется на качественную теорию дифференциальных уравнений, в рамках которой был создан метод точечных преобразований в пространстве состояний системы (Ю.И.Неймарк). В рамках теории нелинейных колебаний возникла теория релаксационных колебаний, в основу которой была положена концепция «скачка», используемая при идеализации практических колебательных систем. Данный метод, в случае успешного применения, позволял найти общее решение по выяснению причин возникновения в системе автоколебательных движений решить вопрос об их устойчивости и условий возникновения. Наличие общего решения, связывающего наиболее важные параметры системы, всегда желательно при проектировании гидропривода, поэтому к их получению стремятся в первую очередь. Ограничением данного метода является требование невысокого порядка к линейной части системы.

Изучение и сравнение различных методов расчета и исследования динамических моделей позволяет сделать правильный выбор метода в соответствии с поставленной задачей и целями исследования.

Научная новизна. Разработанные в работе математические модели рулевого гидропривода предоставляют возможность: 1) получать новые знания о причинах возникновения в исполни1ельных механизмах гидравлических систем фрикционных автоколебаний — однонаправленных относительно быстрых, чередующихся с остановками, перемещений- 2) получать новые знания о причинах возникновения в замкнутых гидравлических системах автоколебательных режимов — устойчивых периодических движений относительно состояний равновесия.

Полученные в работе результаты исследований, представленные в виде разбиения пространства параметров рулевого гидропривода и гидравлической рулевой машины на области качественно различного динамического поведения, позволяют: 1) проектировать исполнительные механизмы гидравлических систем с параметрами, исключающими возникновение фрикционных автоколебаний — однонаправленных, прерывистых движений- 2) проектировать гидравлические рулевые машины с параметрами, исключающими возникновение автоколебательных режимов — устойчивых периодических движений относительно состояний равновесия- 3) повысить надежность и долговечность эксплуатации гидравлических рулевых машин и их основных элементов.

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие научные положения:

1) математическая модель инерционной нагрузки рулевого гидропривода, математическая модель рулевого гидропривода, математическая модель гидравлической рулевой машины, позволяющих эффективно исследовать динамическое поведение, необъяснимое с позиций линейной теории и упрощенных представлений закона сухого трения;

2) результаты исследования математических моделей рулевого гидропривода и гидравлической рулевой машины, представленные в виде разбиения их пространства параметров на области качественно различного динамического поведения;

3) основные выводы, полученные в результате исследования по установлению причинно-следственных закономерностей влияния параметров сухого трения на динамическое поведение рулевого гидропривода и гидравлической рулевой машины.