2448

системы, позволяющих сохранить или изменить направление его движения при соответствующем воздействии на орган управления /39/. Вопросы управляемости мобильных машин рассмотрены в работах /1,4,33,35,38 и др./.

Под устойчивостью системы рулевого управления ЗТМ понимается его способность возвращаться в состояние установившегося режима после прекращения действия источника, нарушившего это равновесие /26,27,28,29 и др./. Автоколебания управляемых колес характерны для машин с механическими и гидромеханическими системами рулевого управления.

В ОГРУ при определенной сборке это явление вообще отсутствует. Это доказано в работах /40,41/. Из этих работ видно, 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, невысокую устойчивость против автоколебаний из-за малой жесткости гидросистемы и значительных масс, охваченных обратной связью. Таким образом, при включении гидромотра обратной связи в активную линию исследования устойчивости системы против автоколебаний достаточно полно отражают стабильность работы системы рулевого управления /40,41/.

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 ОГРУ и установки их на автомобили, тракторы, самоходные шасси и т.п.

Отличие ОГРУ от усилителей мощности, применяемых в промышленности:

1. Работа ОГРУ производится в условиях резких изменений

31

температуры и сильной запыленности окружающего воздуха. Нагрузка на ОГРУ резко переменна по знаку и величине, которая не определяется какими-либо наперед заданными законами. Эти условия приводят к значительно большим износам деталей ОГРУ, 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 ОГРУ.

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 различий можно заключить, что ОГРУ, по существу, является классом сервомеханизмов, 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 ОГРУ, требующие свою методику анализа.

1.4. Основные параметры и требования к объемным гидроприводам рулевого управления

Основным конструктивным параметром ОГРУ, по которому строится типоразмерный ряд, является подача – объем рабочей жидкости, подаваемой гидрорулем к исполнительным гидроцилиндрам за один оборот рулевого колеса /5/.

kC – коэффициент скольжения, учитывающий внутренние утечки рабочей жидкости и зависящий от ее давления и вязкости, а также от схемы ОГРУ и качества изготовления узлов; m – количество оборотов рулевого колеса для поворота управляемых колес или полурам из

32

одного крайнего положения в другое.

Исходя из требований к системам рулевого управления, где предусматривается поворот управляющих колес из одного крайнего положения в другое за 5 оборотов рулевого колеса, а также с учетом объема исполнительных гидроцилиндров производится выбор гидроруля из типоразмерного ряда для данной машины /5/.

К основным параметрам также относятся номинальное давление, номинальный расход, максимальная сила (момент сил), развиваемые исполнительным механизмом /7/.

Кроме вышеперечисленных параметров гидроруля существует ряд показателей, к которым относятся /5,7/:

-момент сил сопротивления на рулевом колесе, который регламентируется ГОСТом как при работающем питающем насосе, так и при аварийном режиме;

-потери давления в нейтральном положении золотника;

-«скольжение» – непроизводительное вращение качающего узла гидромотора обратной связи вследствие внутренней негерметичности гидроруля.

Скорость «скольжения» возрастает с уменьшением вязкости рабочей жидкости, а также с увеличением температуры, приводящей

кувеличению зазоров между уплотнительными поверхностями золотникового распределителя и качающего узла гидромотора, что может привести к ухудшению управляемости /7,42/.

Скольжение определяется при крайнем положении штока исполнительного гидроцилиндра в процессе вращения вала гидроруля в положении «в упор» с крутящим моментом, необходимым для поддержания работы предохранительного клапана. При этом измеряется частота вращения вала гидроруля /42/.

Кроме того, существуют показатели качества ОГРУ /5,7,42/:

-статическая точность – соответствие угла поворота управляемых колес или полурам углу поворота рулевого колеса;

-быстродействие – определяется временем чистого запаздывания или временем регулирования выходного сигнала как при выходе на рабочий режим, так и при отключении;

-стабильность выходных параметров, т.е. минимальное перерегулирование, с целью снижения динамических нагрузок на элементы гидропривода и машину в целом.

Системы рулевого управления являются одними из наиболее

ответственных узлов ДСМ. На основе накопленного опыта

33

эксплуатации, анализа конструктивных решений и результатов исследований разработан и введен ряд требований к системам рулевого управления /2,43/:

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 иметь следующие устройства /43, 44/:

- 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.

Надежность системы рулевого управления должна быть обеспечена правильным выбором и конструкцией ее элементов, а также компоновкой, удобной для проверки и технического обслуживания /43/.

Помехи в системе рулевого управления должны соответствовать следующим требованиям /2,43/:

компоновка и кинематическая схема должны сводить к минимуму помехи, вызываемые работой других систем машины (прогиб или смещение элементов подвески, боковые наклоны машины, качания осей и курсовые отклонения, связанные с возникновением крутящих моментов от действия привода и тормозов);

помехи от воздействия внешних сил при эксплуатации машины в условиях, для которых она предназначена, не должны существенно влиять на ее управляемость.

Системы рулевого управления с усилителем и силовым приводом

34

должны соответствовать следующим требованиям /2,44/:

-системы должны быть независимы от других устройств и контуров. Если это невозможно, то системы рулевого управления с усилителем и силовым приводом должны иметь преимущественное действие по сравнению с другими системами или контурами, исключая систему рулевого управления и аварийную тормозную систему, эффективность которой должна соответствовать известным требованиям /44/;

-если от рабочего энергетического источника системы рулевого управления снабжаются другие системы, то любой отказ этих систем необходимо рассматривать как отказ рабочего энергетического источника системы рулевого управления;

-при отказе рабочего энергетического источника системы рулевого управления допускается изменять передаточное отношение от органа рулевого управления к управляемым колесам при выполнении требований к аварийным системам рулевого управления.

Усилие управления должно быть по возможности низким и не должно превышать следующих значений /2,43/:

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 управляющих колес или 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 трактора /43/.

При применении одного исполнительного гидроцилиндра разница в угловом передаточном отношении при повороте вправо и влево не должна быть более 25 %. Для выполнения этого условия необходимо применять гидроцилиндр, диаметр штока которого не превышает половины диаметра поршня /43/.

Гидроагрегаты объемного гидропривода рулевого управления должны быть рассчитаны на работу при максимальном давлении 16 МПа /2,43/. Давление настройки противоударных клапанов должно превышать давление настройки предохранительного клапана на

35

4 – 6 МПа /2,43/. Конструкция объемного гидропривода рулевого управления должна быть моноблочной, а его распределительное устройство должно иметь механическую связь с командным органом управления /2,43/.

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 /2,43/. Ресурс объемного гидропривода рулевого управления должен быть не меньше ресурса машины, на которой он установлен /2,43/.

Объемный гидропривод рулевого управления должен 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 /2,43/. Объемный гидропривод рулевого управления должен быть работоспособен при температуре окружающей среды от -50 до +50°С /2,43/.

Допустимый диапазон вязкости рабочей жидкости должен быть 10 – 1200 сСт. Предпочтительным является рабочий диапазон вязкости 20 – 300 сСт. Максимальная температура рабочей жидкости должна быть не более +80°С /2,43/. Таким образом, из вышеизложенного можно сделать вывод, что при проектировании систем рулевого управления необходимо строгое соблюдение перечисленных требований для повышения безопасности работы ЗТМ, качества гидрорулей и обеспечения конкурентоспособности их на внешнем рынке.

1.5. Критерии эффективности объемных гидроприводов рулевого управления и пути повышения качества

их основных параметров

Эффективность использования ДСМ зависит от большого числа свойств машин. В связи с этим достоверность результата исследований ДСМ может быть получена при рассмотрении не отдельных свойств, а их совокупности. Эффективность использования машин представляет собой совокупность двух понятий: производительности машин и затрат на их приобретение и эксплуатацию /47/ .

Эффективность машин оценивают при помощи критерия эффективности. Наиболее полным критерием эффективности

36

является критерий удельных приведенных затрат /47/. Эффективность ДСМ 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: в различных климатических поясах, грунтовых условиях, временах года и др. /47/.

К критериям эффективности более низкого иерархического уровня относятся: производительность машины, себестоимость единицы продукции, срок окупаемости машины, удельная металлоемкость машины, удельная мощность машины, выработка продукции на одного рабочего и др. /48/. Повышение производительности машин – одно из наиболее важных средств повышения производительности труда. Для машин периодического действия производительность – величина, обратно пропорциональная времени рабочего цикла, а для машин непрерывной работы – величина, прямо пропорциональная рабочей скорости. Поэтому сокращение периода рабочего цикла и увеличение рабочих скоростей, наряду с ростом силовых параметров, относятся к числу наиболее важных задач по повышению производительности ДСМ

/48/.

Таким образом, эффективность колесных ДСМ зависит от ее подвижности, определяемой совокупностью взаимозависимых факторов. Повышение подвижности достигается совершенствованием качества криволинейного движения машины, которое характеризуется поворотливостью, управляемостью, точностью, устойчивостью движения, поворачиваемостью, чувствительностью, быстродействием, маневренностью и др.

/33,35,39,40/.

Поворачиваемость выражает способность машины к преодолению поворотов на местности или дорогах /23/. Определения управляемости, точности и устойчивости приведены в предыдущем подразделе.

При разработке мероприятий, улучшающих устойчивость системы рулевого управления ДСМ, важно рассматривать их в сочетании с другой не менее важной характеристикой – чувствительностью, т.к. эти две характеристики взаимосвязаны. В общем случае под чувствительностью понимается время от момента

37

подачи на вход сигнала определенной величины до момента достижения входным сигналом заданной доли от его окончательного значения /49/. Поворачиваемость определяется направлением изменения кривизны траектории в зависимости от изменения конструктивных или эксплуатационных параметров /23/. Под маневренностью колесных ДСМ понимается свойство машины, характеризующее его предельные возможности по изменению положения на местности /50/. Колесные ДСМ основную часть времени находятся в криволинейном движении, причем траектория изменяется либо по желанию оператора, либо в результате каких-то внешних возмущений, либо вследствие изменения некоторых параметров и характеристик самой машины в процессе движения

/45/.

В принципе любое движение машины можно считать криволинейным, если рассматривать прямолинейное движение как частный случай с кривизной траектории, равной нулю. Движение с кривизной траектории в плане, отличной от нуля, часто называют поворотом /45/. Процесс поворота машин состоит из трех этапов: 1) переход от прямолинейного движения к криволинейному, когда кривизна траектории увеличивается – вход в поворот; 2) движение с постоянной кривизной – равномерный поворот; 3) возвращение к прямолинейному движению – выход из поворота. В частном случае второй этап может отсутствовать /45/.

Исследование криволинейного движения машины ведется в двух направлениях / 45/ :

-определение и исследование кинематических параметров: траектории, скорости и ускорения движения машины;

-определение силовых параметров: крутящих моментов, продольных, боковых и нормальных реакций колес, а также сил и моментов сил, возникающих при повороте.

Современный парк ДСМ отличается многообразием их типов и

видов и, в частности, различием систем управления поворотом. Наряду с наиболее распространенными двухгусеничными и

двухосными колесными машинами с передними управляемыми колесами получают все большее развитие новые машины с другими компоновочными схемами и системами управления поворотом: многоосные машины с различным числом и расположением управляемых колес, машины с неповоротными колесами, шарнирно-сочлененные колесные и гусеничные машины и

38

др. Очевидно, что новые машины обладают своими характерными особенностями и их появление диктует необходимость придания этим машинам определенных качеств, которые при обычных конструктивных схемах и системах управления поворотом получить невозможно. Анализ показывает, что применение той или иной компоновочной схемы или системы управления поворотом на некоторых существующих ДСМ не всегда оправдано, вследствие чего потенциальные возможности повышения качества криволинейного движения и, следовательно, подвижности машины не исчерпаны до конца /35/.

При изучении управления ДСМ среди множества факторов, влияющих на систему рулевого управления, можно выделить два основных: конструктивные и эксплуатационные /39/. К числу конструктивных факторов ДСМ, влияющих на его управляемость и устойчивость движения, относятся прежде всего параметры шин, их типоразмер и внутреннее давление. Научно-исследовательские работы по их изучению, начавшиеся с момента открытия явления бокового увода шин, продолжаются и в настоящее время /23, 38, 39/.

Наиболее распространена линейная гипотеза увода, которая справедлива до тех пор, пока увод происходит за счет эластичности шин, без бокового скольжения. В этом случае сцепление шины больше направления, созданного боковой силой, поэтому скольжение отсутствует. Характеристикой бокового увода является коэффициент сопротивления боковому уводу шины /45/:

где kУ – коэффициент сопротивления боковому уводу; RУ – боковая реакция, действующая на колесо; δ – угол бокового увода.

Наибольшее влияние на управляемость колесных машин оказывают также конструктивные факторы: число и расположение направляющих колес, продольная и поперечная базы, координаты центра тяжести, главные моменты инерции машины, конструкция рулевого управления и т. п. /39, 45/.

К эксплуатационным факторам, определяющим управляемость, относятся /39/:

- рельеф и микрорельеф, которые характеризуются статическими показателями;

39

-тип и состояние почвы;

-рабочая скорость и ее непостоянство из-за неравномерности сил сопротивления и сцепления;

-состояние шин;

-технологические требования к точности движения ДСМ и допуск на отклонение относительно заданной траектории.

На данный момент существует множество работ, посвященных влиянию перечисленных факторов на управляемость ДСМ. Однако большинство работ обращает внимание на управляемость в связи с объектом управления, не учитывая непосредственно рулевого механизма. Входной величиной для ДСМ принимается угол поворота управляющих колес без учета свойств рулевого управления. В то же время для большинства ДСМ рулевое управление включает в себя комплекс механических и гидравлических устройств, которые так же, как и объект управления, находятся под непрерывным воздействием

необходимо выделение рулевого управления в отдельный элемент, чтобы рассмотреть влияние таких параметров, как жесткость деталей рулевого привода, демпфирование, конструкции распределителей и т.п. на управляемость машины.

Сложность исследования систем заключается в зависимости показателей управляемости и точности управления машиной от большого числа факторов, включающих в себя в качестве одного из элементов управления человека-оператора. Человек-оператор как звено системы «оператор – рулевое управление – ДСМ – внешняя среда» отличается довольно сложной структурой. Функциональные возможности и особенности человека как звена управляемой системы представляют собой предмет специальных инженернопсихологических исследований. Поэтому считается возможным в настоящей работе выделить в отдельный предмет исследования рулевое управление как канал передачи управляемых сигналов от оператора к управляемому объекту.

Анализ предшествующих работ позволяет сделать следующие выводы:

1. Для обеспечения высоких показателей управляемости и стабильности выходных параметров, а также снижения утомляемости

40