Разработка методов динамического анализа тяжелых машин с гидроприводом

Последние несколько десятилетий интенсивно разрабатываются и развиваются многочисленные системы автоматизации объектов авиационной и ракетной техники, технологические и транспортные машины. Машины являются сложными системами, состоящими из нескольких подсистем, называемых функциональными частями [17, стр. 6]. К функциональным частям относятся двигатели (приводы), механическая система, система управления и рабочий процесс. Существует достаточно большой класс машин, в которых применяются разнообразные гидравлические устройства. Это позволяет создавать автоматизированные приводы и системы управления, отличающиеся высокими динамическими характеристиками, точностью и надежностью при сравнительно небольших габаритах и массе.

При изучении динамики машин, как и всегда при выборе динамической модели, исследователя интересуют только те свойства функциональных частей, которые наиболее существенно влияют на исследуемые процессы. Поэтому рассмотрение сложных физических моделей частей машины не всегда является эффективным.

Гидросистема машины зачастую состоит из большого количества элементов. Однако, для описания динамики машины представляется важным создание модели гидросистемы как единого целого. В [20, стр. 9] говорится о том, что современные гидросистемы можно разделить на следующие виды: управляющие системы, используемые в системах управления и регулированиятехнологические гидросистемы, обеспечивающие рабочие режимы машин, аппаратов, станков и других устройств.

Настоящая работа посвящена решению одной из задач указанной проблемы, а именно созданию алгоритма формирования динамических моделей тяжелых машин с гидроприводом на примере разводного моста. Тяжелыми мы будем называть машины, у которых приведенная к выходному звену привода масса рабочей жидкости значительно уступает приведенной массе механической системы, и в процессе работы механическая система не проявляет своих упругих свойств. Очевидно, что разводной мост представляет собой тяжелую машину, а его гидросистема должна быть отнесена к технологическим.

Исследованию гидравлических систем и приводов посвящено достаточно большое количество работ [6−9,12,13,18,23,27,28]. В них указывается, что для описания динамических процессов, протекающих в гидросистеме машины, необходимо составить систему уравнений, описывающих поведение каждого гидроэлемента. Необходимо также учитывать свойства жидкости как материала. Все это приводит к созданию в общем случае громоздкой системы нелинейных дифференциальных уравнений. И, если для описания уже существующей системы эти трудности, так или иначе, можно решить, то на стадии проектирования подобных машин, когда возможны рассмотрения различных вариантов, они могут оказаться непреодолимыми.

Для оценки динамики тяжелой машины в целом возникает необходимость создания простых динамических моделей гидросистемы. Итак, целью данной работы является разработка методов формирования динамических моделей тяжелых машин с гидроприводом. Адекватность составленных моделей можно проверить на результатах экспериментальных исследований.

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе формулируется постановка задачи исследования, рассматривается ряд математических моделей гидропривода, анализируются физические процессы, протекающие в гидросистемах, указываются основные допущения.

Во второй главе составляется динамическая модель гидросистемы разводного моста, исследуется влияние различных физических факторов на динамические процессы. На основании этого обосновываются принятые допущения, строятся гидромеханические аналогии и формируется простейшая модель гидропередачи.

В третьей главе исследуются линеаризованные модели гидропривода с учетом и без учета внутреннего объемного сопротивления в жидкости. Показана плохая обусловленность математической модели, учитывающей местные сопротивления. При учете внутреннего объемного трения в жидкости обосновано рассмотрение колебаний трубопроводов с жидкостью как системы эквивалентных стержней. Получены соотношения для приведения масс, податливостей и коэффициентов диссипации в машине.

В четвертой главе приведены результаты исследований упруго-диссипативных свойств жидкости на специально сконструированном стенде, которые позволяют оценить величину коэффициента объемной диссипации. На примере гидросистемы Троицкого моста в Санкт-Петербурге произведено динамическое исследование машин с гидропередачей. Результаты исследования сопоставлены с экспериментальными данными, полученными на основе мониторинга. Подтверждена правомерность допущений принятых в результате исследования.

Выводы. В этой главе приведены результаты экспериментальных исследований упруго-диссипативных свойств рабочей жидкости. Для минерального масла И20 оценено значение коэффициента диссипации. Составлена и изучена динамическая модель гидросистемы Троицкого моста в Санкт-Петербурге. Ее адекватность подтверждена результатами, полученными системой мониторинга моста.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на примере разводного моста предложен алгоритм формирования динамической модели тяжелых машин с гидравлическим приводом. При этом исследовании были получены следующие результаты:

1. Разработанные ранее методы формирования динамических моделей машин с гидроприводом не являются универсальными, а предназначены для машин определенных классов (используемых в различных отраслях).

2. В работе предложена динамическая модель гидросистемы разводного моста. Проведено исследование влияния различных физических факторов на динамические процессы в гидросистеме.

3. Исследованием установлено, что на колебательные процессы в гидропередаче не влияют местные сопротивления, а наибольшую роль в них играет внутреннее сопротивление рабочей жидкости.

4. Предложен метод формирования динамических моделей тяжелых машин с гидроприводом. Он основан на аналогии колебаний трубопроводов с жидкостью с продольными колебаниями эквивалентной системы стержней. При этом дано обоснование определения тяжелой машины с гидроприводом. А также получены соотношения, связывающие объем гидросистемы с ее податливостью и внутренним трением в рабочей жидкости.

5. Создан испытательный стенд И1 для определения коэффициента объемной диссипации рабочей жидкости. Для минерального масла И20 экспериментально определено его значение ц/ = 0,007 с.

6. На основании кинематического и силового исследования исполнительного механизма моста и идеальной характеристики насоса создана математическая модель гидропередачи Троицкого моста в Санкт-Петербурге. Использование экспериментальных данных из мониторинга моста подтвердило, что местные сопротивления не влияют на колебательные процессы в гидросистеме, но создают потери напора в 15−20%. Подтверждена адекватность составленной математической модели. Получен диапазон изменения периода свободных колебаний гидросистемы, который составил [2- 6] с.