РАЗДЕЛ II

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 621.879.44

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ ТРАНШЕЙНОГО ЭКСКАВАТОРА

М.Е. Агапов

ФГБОУ ВО «СибАДИ», Россия, г. Омск

Аннотация. В статье освещены требования, предъявляемые к траншеям и цепной траншейный экскаватор, который позволяет получать траншеи нужной геометрической формы, отвечающие требованиям строительных норм. Данная статья содержит результаты теоретических исследований устройства управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора поперечной плоскости. В статье рассмотрены математические модели электрогидрораспределителей траншейного экскаватора. Выявлены зависимости площади проходного сечения от сигнала управления.

Ключевые слова: экскаватор, математическая модель, гидрораспределитель, цепной траншейный экскаватор.

Введение

Нефте- и газопроводы и многие коммуникации прокладывают под землей вдоль дорог или по пересеченной местности в различных грунтах и в грунтах с вечной мерзлотой. Для этого необходимы траншеи. Траншеи строят при помощи специальной техники – траншеекопателей. Наиболее эффективной техникой являются траншейные экскаваторы (ТЭ) непрерывного действия. Одним из видов ТЭ является цепной траншейный экскаватор (ЦТЭ). Такие машины позволяют производить работы в короткие сроки и с большой производительностью, так как практически исключают доделочные работы [1].

К траншеям предъявляют определенные требования: отклонение геометрической формы траншеи от проектной документации, не должно превышать заданных пределов [1]. В работе рассматривается ЦТЭ с возможностью стабилизации рабочего органа в поперечной плоскости для обеспечения вертикальности стенок траншеи и минимализации отклонения от проектного положения осей трубопроводов, что предписывают строительные нормы и правила [2, 3].

Математическая модель

При проектировании ЦТЭ важным этапом является исследование их статических и динамических характеристик. В этом важную роль играет математическая модель, которая позволяет, используя математические уравнения, исследовать объект. В настоящее время для более точного и полного анализа математической модели широко используют современные компьютерные средства [4].

ЭГР достаточно хорошо изучены и имеют различные математические модели, которые зависят от принятых при их описании допущений [5, 6, 7].

При математическом описании ЭГР были приняты следующие допущения [5, 6, 7, 8]:

-вязкость рабочей жидкости не учитывается;

-влияние волновых процессов на динамику привода, вследствие сравнительно малой длины магистрали, не учитываются;

-температура рабочей жидкости, а так же количество нерастворенного воздуха не изменяются в течение переходного процесса;

-коэффициент расхода управляемых дросселей является постоянной величиной;

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

-параметры гидроэлементов сосредоточены;

-утечки жидкости в гидроэлементах не учитываются;

-сжимаемость жидкости в рабочих полостях гидронасоса, гидромотора и гидроцилиндра не учитывается;

-неравномерность подачи гидронасоса и неравномерность расхода гидромотора не учитывается;

-силы сухого трения не учитываются.

В работе рассмотрены ЭГР дискретного и пропорционального действия. ЭГР дискретного действия предназначен для направления потоков рабочей жидкости от насоса к гидроцилиндру при изменении наклона базы ЦТЭ, т. к. часто требуется перенаправлять потоки рабочей жидкости. А ЭГР пропорционального действия используется, чтобы плавно изменять скорость машины при отклонении рабочего органа ЦТЭ от гравитационной вертикали, при этом, чем дольше по времени происходит отклонение рабочего органа, тем медленнее движется экскаватор. Динамика перемещения золотника ЭГР, описывается уравнением [6, 8, 9]:

где c1 – линеаризованный коэффициент пропорциональности между током в обмотках электромагнита и силой тяги электромагнита; с2 – коэффициент вязкого трения в золотнике; с3 – коэффициент упругой деформации пружин, удерживающих золотник в нейтральном положении; mзол – масса сердечника электромагнита и золотника, iзол – управляющий ток обмоток золотника.

Передаточная функция перемещения золотника электрогидравлического распределителя с учетом общего запаздывания гидропривода [6, 7, 8, 9, 10]:

Золотник распределителя дискретного действия имеет три положения: + xзол – жидкость поступает в штоковую полость гидроцилиндра, - xзол – жидкость поступает в поршневую полость гидроцилиндра и 0 – сечения распределителя закрыты – шток неподвижен (рисунок 1) [6, 7, 10, 11].

Рис. 1. Релейная характеристика системы управления наклоном базы

Техника и технологии строительства, № 3(7), 2016 http://ttc.sibadi.org/

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Направление рабочей жидкости в различные полости гидроцилиндра осуществляется сигналом управления xупр [6, 7, 10]:

где d z – ширина зоны нечувствительности срабатывания устройства управления наклона РО в поперечной плоскости ЦТЭ, – угол отклонения РО от гравитационной вертикали в

поперечной плоскости. Для формирования этих сигналов в схеме присутствует пороговый элемент (рисунок 1). Пороговый элемент является электронным реле с регулируемой зоной нечувствительности 2dz.

Гидрораспределитель описывают уравнением расходов через регулируемый дроссель [5, 6]:

где Q Н Р – расход на выходе гидрораспределителя; PР1 и PР2 – давление, соответственно на

входе и выходе напорной магистрали гидрораспределителя; SР – площадь проходного сечения местных сопротивлений напорной магистрали распределителя; ρЖ – плотность рабочей жидкости, μ – коэффициент расхода.

Частота вращения гидромотора привода ЦТЭ зависит от расхода жидкости, которая поступает в гидромотор. Количество поступаемой жидкости зависит от степени одновременного открытия напорной магистрали гидрораспределителя и закрытия проходного сечения сливной магистрали гидрораспределителя. Поэтому количество жидкости, поступающее в гидромотор примет следующее значение [5, 6, 7]:

Sс – площадь проходного сечения сливной магистрали распределителя.

В качестве исполнительного механизма управления движением экскаватора служит ЭГР пропорционального действия. Сигнал управления представляет собой ток от 0 до U m a x .

Площадь проходного сечения S p изменяется от 0 до R 2 (рисунок 2).

Рис. 2. Зависимость площади проходного сечения канала золотника от сигнала управления

Зависимость площади проходного сечения канала гидрораспределителя от сигнала управления:

Техника и технологии строительства, № 3(7), 2016 http://ttc.sibadi.org/

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

U m a x – напряжение на обмотке золотника, соответствующий максимальной площади проходного

сечения магистрали гидрораспределителя.

Максимальная площадь проходного сечения магистрали гидрораспределителя:

где R – радиус проходного сечения канала гидрораспределителя. Управляющий сигнал на золотнике гидрораспределителя:

Напряжение на обмотке золотника в соответствии с заданной скоростью движения ЦТЭ:

площади проходного сечения канала гидрораспределителя, V – заданная скорость движения ЦТЭ.

Изменение напряжения на обмотке ЭГР происходит равномерно, в зависимости от длительности подачи сигнала и будет иметь следующий вид:

0

где n – коэффициент пропорциональности между поданным сигналом и степенью закрытия/открытия проходного сечения канала гидрораспределителя, t – длительность подачи сигнала на обмотку золотника.

Заключение

В работе разобраны математические модели ЭГР, которые можно использовать при моделировании рабочего процесса цепного траншейного экскаватора. Полученные данные можно использовать для дальнейших исследований или инженерных расчетов.

Библиографический список

1.Агапов, М.Е. Использование траншейных экскаваторов при возведении газо- и нефтепроводов / М.Е. Агапов // Сборник трудов региональной научно-технической конференции молодых ученых, студентов, аспирантов (с международным участием) ОИВТ (филиал) ФГОУ ВПО «НГАВТ». – Омск, 2010. – С. 174-177.

2.СНиП 12-04-2002. Безопасность труда в строительстве. – М.: ЦИТП, 2003. – 29 с.

3.СНиП 3.05.04-85 Наружные сети и сооружения водоснабжения и канализации. – М.: 2011. – 48 с.

4.Агапов, М.Е. Моделирование процесса взаимодействия рабочего органа цепного траншейного экскаватора с грунтом в поперечной плоскости в программном комплексе Matlab / М.Е. Агапов. – Вестник ИрГТУ, 2014. – № 3. – С. 21-24.

5.Жданов, А.В. Обоснование основных конструктивных параметров гидравлических рулевых

механизмов строительных и дорожных машин с шарнирно-сочлененной рамой: дисcертация / А.В. Жданов. – Омск: СибАДИ, 2007. – 239 с.

6.Сухарев, Р.Ю. Совершенствование системы управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора: монография / Р.Ю. Сухарев. – Омск: СибАДИ, 2008. – 170 с.

7.Щербаков, В.С. Научные основы повышения точности работ, выполняемых землеройнотранспортными машинами: автореферат / СибАДИ. – Омск, 2000. – 37 с.

8.Щербаков, В.С. Основы моделирования систем автоматического регулирования и электротехнических систем в среде MatLab и Simulink: учебное пособие / В.С. Щербаков, А.А. Руппель, В.А. Глушец. – Омск: СибАДИ, 2003. – 160 с.

9.Фрейнкман, И.Е. Землеройные машины / И.Е. Фрейнкман, В.К. Ильгисонис. – Ленинград: Машиностроение, 1972. – 320 с.

10.Алексеева, Т.В. Оценка и повышение точности землеройно-транспортных машин: учебное пособие / Т.В. Алексеева, В.С. Щербаков. – Омск: Изд-во СибАДИ, 1981. – 99 с.

11.Алексеева, Т.В. Разработка следящих систем управления рабочим процессом землеройнотранспортных машин с целью повышения их эффективности / Т.В. Алексеева. – Омск: Изд-во СибАДИ, 1974. – 175 с.