2448

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

В.С. Щербаков, Ш.К. Мукушев, А.В. Жданов

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБЪЕМНЫХ ГИДРОПРИВОДОВ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Монография

Омск

СибАДИ

2011

1

УДК 625.76.08(021) ББК 39.311-06-05

Щ 61

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. А.С. Ненишев (ОмГТУ); д-р техн. наук, доц. Д.И. Чернявский (ОмГТУ)

Монография одобрена редакционно-издательским советом СибАДИ.

Щербаков В.С., Мукушев Ш.К., Жданов А.В.

Щ 61 Совершенствование объемных гидроприводов рулевого управления дорожно-строительных машин: монография / В.С. Щербаков, Ш.К. Мукушев, А.В. Жданов. – Омск: СибАДИ, 2011. – 162 с.

ISBN 978-5-93204-613-5

В монографии представлен обзор существующих конструкций объемных гидроприводов рулевого управления и требований к ним. Разработана конструкция усилителя потока, математическая модель объемного гидропривода рулевого управления с усилителем потока, решена задача анализа, что позволило дать рекомендации по выбору основных конструктивных параметров объемных гидроприводов рулевого управления с разработанным усилителем потока. Представлены экспериментальные исследования и инженерные разработки в области объемных гидроприводов рулевого управления. Работа может быть использована студентами специальностей 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и 190109 «Наземные транспортно-технологические средства» при выполнении дипломных проектов и аспирантами в научно-исследовательской деятельности.

Табл. 7. Ил. 117. Библиогр.: 107 назв.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………...……….5

1. ОБЪЕМНЫЙ ГИДРОПРИВОД РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ: КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ…………………………………………………………..7

1.1.Основные понятия, устройство и принцип действия объемного гидропривода рулевого управления…………………………………. 7

1.2.Обзор существующих конструкций объемных гидроприводов рулевого управления и тенденции их развития……………………. 13

1.3.Обзор предшествующих исследований в области объемных гидроприводов рулевого управления………………………………..30

1.4.Основные параметры и требования к объемным гидроприводам рулевого управления………………………………………………….32

1.5.Критерии эффективности объемных гидроприводов

рулевого управления и пути повышения качества их основных параметров…………………………………………….. 36

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ…………………. 42

2.1.Математическая модель системы рулевого управления…..…. 42

2.1.1.Алгоритм формирования математической модели……..... 42

2.1.2.Расчетная схема объемного гидропривода рулевого управления…………………………………………………………. 43

2.1.3.Блок-схема объемного гидропривода рулевого

управления и декомпозиция системы……………………………. 47

2.1.4.Определение параметров элементов объемного гидропривода рулевого управления……………………………… 52

2.1.5.Математическое описание элементов объемного гидропривода рулевого управления……………………………… 52

2.1.6.Композиция математической модели объемного гидропривода рулевого управления……………………………… 67

2.2.Математическая модель возмущающих воздействий, действующих на систему рулевого управления…………………… 67

2.2.1.Анализ стохастических математических моделей рельефа..... 69

2.2.2.Анализ взаимодействия системы рулевого управления с неровностями микрорельефа………………………………………73

3

2.3. Решение задачи анализа объемного гидропривода рулевого управления……………………………………………………………. 78

2.3.1.Алгоритм решения задачи анализа………..………………. 78

2.3.2.Определение варьируемых параметров

элементов системы…………………………………………………79 2.3.3. Анализ объемного гидропривода рулевого управления…………………………………………………………. 81

2.4.Методика синтеза и инженерная методика выбора конструктивных параметров объемного гидропривода рулевого управления…………………………………………………………... 108

2.4.1.Методика синтеза объемного гидропривода рулевого управления………………………………………………………... 108

2.4.2.Инженерная методика выбора конструктивных параметров объемного гидропривода рулевого управления………………...111

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ………………... 116

3.1.Стендовые испытания объемного гидропривода

рулевого управления………………………………………………...116

3.1.1.Задачи экспериментальных исследований………...…….. 116

3.1.2.Объект и аппаратура экспериментальных

исследований……………………………………………………... 117 3.1.3. Методика определения параметров при стендовых исследованиях……………………………………….. 127

3.1.4.Результаты экспериментальных исследований…………..129

3.2.Подтверждение адекватности математической модели объемного гидропривода рулевого управления…………………...136

4.ИНЖЕНЕРНЫЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ ГИДРОПРИВОДОВ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ……………… 139

4.1. Гидрообъемное рулевое управление……………………….. 139 4.2. Гидрообъемное рулевое управление тяжелого транспортного средства………………………………………….. 146

4.3. Делитель-сумматор потока………...………………………...148 4.4. Гидрообъемное рулевое управление колесного транспортного средства………………………………………….. 150

Библиографический список…………………………………………155

4

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие машиностроения все большее внимание уделяет производству базовых машин на пневмоколесном ходу.

Причина этого явления связана с тем, что применение на самоходных машинах в качестве движителя пневматических шин позволяет получить удачное сочетание качеств автономного быстроходного транспортного средства и высоких тяговодинамических возможностей, необходимых для выполнения технологических операций. За последние годы появились и получили широкое распространение новые типы машин, признание которых во многом определяется этими положительными особенностями. К таким машинам, прежде всего, следует отнести самоходные колесные дорожно-строительные машины (ДСМ), представляющие широкий класс устройств: экскаваторы, скреперы, погрузчики, автогрейдеры, бульдозеры, катки и множество других машин различного технологического назначения, использующих самоходное пневмоколесное шасси как базовую машину.

Возможность получения высокой транспортной скорости, маневренности и, как следствие, высокой производительности делает такие машины особенно предпочтительными в карьерах и на строительных объектах.

Несмотря на то, что ДСМ предназначены, прежде всего, для работы во внедорожных условиях, напряженность движения в условиях строительства, повышенные скорости, необходимость быстрой переброски с объекта на объект требуют от этих машин обеспечения возможности свободного передвижения в общем транспортном потоке на дорогах. При условии непрерывного повышения транспортных скоростей это требование выдвигает перед конструкторами машин определенный круг задач, связанных с обеспечением удовлетворительной управляемости и устойчивости движения ДСМ. Эти задачи также привлекают все большее внимание исследователей в связи с тем, что вождение представляет собой наиболее тяжелый процесс управления машиной, обуславливающей основную часть психофизической нагрузки оператора. Качество вождения влияет на производительность и экономичность ДСМ в процессе эксплуатации.

Повышению качества управления способствует применение объемного гидропривода рулевого управления (ОГРУ) как наиболее

5

перспективной системы рулевого управления для колесных ДСМ. Обладая высокими компоновочными свойствами, широким

диапазоном варьирования выходной мощности, возможностью унификации, плавностью изменения передаточных отношений, ОГРУ нашел широкое применение в создании пневмоколесных машин.

6

1. ОБЪЕМНЫЙ ГИДРОПРИВОД РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ: КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

ИОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

1.1.Основные понятия, устройство и принцип действия объемного гидропривода рулевого управления

На современном уровне развития транспорта возникает необходимость одновременно с эксплуатационными требованиями выполнять условия повышения комфортабельности машин и условия труда водителя. И то и другое вынуждает устанавливать на машины узлы и устройства, которые в ряде случаев вызывают ухудшение управляемости и устойчивости движения. Последнее заставляет постоянно уделять внимание не только практической разработке улучшенных или принципиально новых узлов управления машиной, но и теоретическим вопросам исследования устойчивости движения и управляемости машин с целью их повышения.

В основном все пневмоколесные ДСМ имеют общий принцип изменения направления движения – посредством поворота управляемых передних или задних колес или складыванием шарнирных полурам. Выбор системы рулевого управления в значительной степени влияет на производительность машины в целом /1/. Системой рулевого управления является система, включающая все элементы машины, участвующие в управлении поворотом машины /2/. По принципу действия системы рулевого управления подразделяются на механические, гидромеханические, гидрообъемные, электрические и комбинированные рулевые механизмы /1/.

Наиболее широкое распространение в управлении поворотом ДСМ получили устройства, где в качестве системы управления применяются гидравлические устройства с обратной механической или гидравлической связью, т.е. гидромеханические и гидрообъемные рулевые механизмы. Это объясняется тем, что сила, необходимая для поворота ДСМ, значительно выше по сравнению с другими транспортными средствами из-за особенностей конструкции и эксплуатации машин /3/.

Из большого разнообразия последних можно выделить устройства, имеющие в контуре гидравлической обратной связи гидромотор, обеспечивающий дозированную подачу рабочей

7

2имеющий шестерни с внутренним циклоидальным зацеплением, –

героторную пару (рис. 1.1). Наружная шестерня (статор) 1 имеет семь зубьев, внутренняя (ротор) 2 – шесть. Ротор при

соответствующем эксцентриситете может вращаться внутри статора. Между статором и ротором образуются камеры, одна половина которых связана с напорной магистралью, другая – со сливной. За один оборот ротора, благодаря тому, что у статора имеется семь зубьев, а у ротора шесть, ее центр совершает шесть оборотов по окружности диаметром, равным эксцентриситету, а число вытесненных объемов жидкости составляет их произведение, т.е. сорок два. Такая конструкция дозирующего устройства обеспечивает его компактность /4/.

В связи с тем, что дозирование потока осуществляется объемным способом, эти устройства получили название ОГРУ. В специальной технической литературе также встречаются термины гидрообъемное рулевое управление или насос-дозатор, что означает, по сути, то же самое. В зарубежной литературе такие устройства называются полногидравлическими системами рулевого управления.

Исполнительный механизм ОГРУ (гидроруль) является отдельным автономным агрегатом, входящим в систему рулевого управления, он связан с исполнительными гидроцилиндрами только гидролиниями, дозирует и распределяет рабочую жидкость к исполнительным гидроцилиндрам пропорционально углу и скорости поворота рулевого колеса. Эта основная особенность такого типа рулевых механизмов обеспечивает полную свободу компоновки на машине, позволяет упростить конструкцию и снизить металлоемкость машины. Применение гидроруля открывает большие возможности в типизации схем систем рулевого управления и унификации их

8

основных элементов. Наряду с этим обеспечивается более легкое управление и улучшаются условия труда оператора /5/.

На рис. 1.2 представлена типовая блок-схема ОГРУ. Система содержит гидробак 1, источник давления рабочей жидкости 2, приводной двигатель 3, рулевой механизм 10, исполнительный механизм 8, рулевой привод 9, предохранительное устройство 11 и фильтрующее устройство 12.

Гидроруль, как и всякое следящее гидравлическое устройство, состоит из задающего (рулевое колесо) 5, распределительного (золотник) 4, согласующего (гидромотор обратной связи) 7 и дифференциального (гильза) 6 устройств. Дифференциальное устройство связывает между собой задающее, распределительное и согласующее устройства и осуществляет операцию вычитания входного (поворот рулевого колеса) и выходного (поворот вала гидромотора обратной связи) сигналов, передавая разность сигналов распределительному устройству, контролирующему величину рассогласования следящей системы /6/.

поступает в гидробак.

При повороте рулевого колеса срабатывает распределительное устройство и распределяет рабочую жидкость в соответствующую полость исполнительного механизма, соединяя другую полость со

9

сливом. Как видно из блок-схемы (см. рис. 1.2), согласующее устройство включается последовательно в гидролинию исполнительного механизма. Исполнительный механизм воздействует на рулевой привод – происходит поворот машины. При этом рабочая жидкость воздействует на ротор гидромотора обратной связи (согласующее устройство), который через дифференциальное устройство согласует систему, обеспечивая пропорциональное перемещение штока гидроцилиндра (исполнительный механизм) /6/.

ОГРУ, применяемые в качестве рулевого механизма в ДСМ, можно классифицировать по /3/:

-количеству контуров управления;

-способу согласования потоков в контурах;

-способу регулирования, типу регулирующего гидроаппарата;

-способу подключения дозирующего узла, типу связи с дозирующим узлом и гидрораспределителем;

-способу согласования, типу обратной связи.

Используя указанные классификационные признаки, большинство гидроприводов рулевого управления могут быть охвачены единой классификационной схемой, представленной на рис. 1.3. Наряду с вышеуказанной схемой классификации систем ОГРУ, отражающей основные признаки, имеется ряд других классификаций, детально рассматривающих их некоторые особенности и др. /6/.

При значительном разнообразии схемных и конструктивных решений объемных гидроприводов рулевого управления наиболее распространенными являются схемы, основанные на базе управляющих устройств, называемых насосами-дозаторами. К ним относятся одноконтурные схемы объемного гидропривода рулевого управления /3/, которые характеризуются тем, что весь поток рабочей жидкости, поступающий от насоса в исполнительный гидроцилиндр, проходит по одной последовательной гидравлической цепи. Объемные гидроприводы рулевого управления, выполненные по одноконтурной схеме, наиболее просты по устройству, но требуют применения насосов-дозаторов с различными рабочими объемами в зависимости от класса и типа машин. С увеличением рабочего объема увеличиваются габаритные размеры насосов-дозаторов и ухудшаются их функциональные характеристики. Так, например, надежное управление колесной машиной при неработающем источнике питания обеспечивается при рабочем объеме 80 10-6 м3.

10