ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-

ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЛІЗУНКОВ ОЛЕКСАНДР ВІКТОРОВИЧ

УДК 621.869

РЕЖИМИ НАВАНТАЖЕННЯ ГІДРОПРИВОДУ

ДВОМОДУЛЬНИХ МАЛОГАБАРИТНИХ

МАШИН

Спеціальність 05.05.04 - Машини для земляних та дорожніх робіт

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,

Кириченко Ігор Георгійович,

Харківський національний автомобільно-дорожній

університет, декан механічного факультету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, заслужений

винахідник України,

Хмара Леонід Андрійович, Придніпровська державна

академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри

будівельних та дорожніх машин

кандидат технічних наук,

Власенко Ігор Володимирович , Харківський

національний університет внутрішніх справ, старший

викладач кафедри тактико-спеціальної підготовки

Провідна установа:

Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури, м. Харків

Захист відбудеться 19.06.2002 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою:

61002, м. Харків, вул. Петровського, 25

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою:

61002, м. Харків, вул. Петровського, 25

Автореферат розісланий 18.05.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, доцент Богомолов В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розробка, виробництво і експлуатація малогабаритних модульних машин пов'язані з цілим рядом труднощів, поява яких обумовлена недостатньою розробленістю теоретичних і експериментальних досліджень по виробництву, наприклад, малогабаритних двомодульних машин, що складаються з енергетичного і технологічного модулів. Одним з вузлів енергетичного модуля, який безпосередньо сприймає зовнішні навантаження, є гідравлічна система керування робочим обладнанням. В процесі експлуатації малогабаритних двомодульних машин, для підвищення їх продуктивності, рекомендується поєднувати декілька робочих рухів, зокрема переміщення робочого органу і одночасне переміщення самої машини. У перехідних режимах руху це може призвести до суміщення двох незалежних динамічних процесів, що викликає пере навантаження основних систем та вузлів машини, зокрема гідравлічної системи керування робочим обладнанням. Точна оцінка максимального рівня діючих навантажень дозволяє правильно вибрати параметри системи керування та підвищити її показники міцності, що є достатньо актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана відповідно до планів бюджетної НДР з модульного проектування та загальної наукової програми “Удосконалення конструктивного виконання, методів розрахунку та випробувань будівельних і дорожніх машин” кафедри підйомно-транспортних, будівельних, дорожніх машин та обладнання ХНАДУ, а також у рамках державної програми “Ресурсозбереження”.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи полягає в підвищенні роботоздатності гідравлічної системи керування робочим обладнанням малогабаритної двомодульної машини на підставі оцінки навантажень у випадку суміщення процесів гальмування робочого обладнання, що опускається та різкого рушення машини з місця.

Для досягнення мети були поставлені і розв'язані такі задачі:

- розроблена математична модель навантаження системи керування робочим обладнанням малогабаритної двомодульної машини для випадку суміщення двох динамічних процесів: гальмування робочого обладнання, що опускається та різкого рушення машини з місця;

- проаналізовано закономірності формування динамічного наван-таження гідравлічних систем керування робочим обладнанням існуючих моделей навантажувачів та експериментальної малогабаритної двомодульної машини з навантажувальним технологічним модулем;

- розроблено методику проведення експериментальних досліджень в польових умовах на експериментальному зразку малогабаритної двомодульної машини;

- проведено експериментальні дослідження та виконано аналіз отриманих результатів та їх співставлення з теоретичними даними;

- розроблено інженерну методику розрахунку максимальних динамічних навантажень, що виникають у випадку суміщення динамічних процесів при одночасному переміщенні робочого обладнання та машини;

- розроблено інженерну методику комплектування парку малогабаритних двомодульних машин з урахуванням максимального рівня навантаження гідравлічної системи керування робочим обладнанням.

- розроблено конструктивні елементи, що дозволяють знизити максимальний рівень навантажень елементів гідравлічної системи керування робочим обладнанням малогабаритних двомодульних машин.

Об'єкт дослідження – гідравлічна система керування робочим обладнанням малогабаритної двомодульної машини в процесі суміщення двох незалежних динамічних процесів.

Предмет дослідження – динамічні навантаження в гідравлічній системі керування робочим обладнанням малогабаритної двомодульної машини у випадку суміщення гальмування робочого обладнання, що опускається та різкого рушення машини з місця.

Методи дослідження. Дослідження базуються на положеннях аналітичної механіки, теорії машин і механізмів, теорії надійності, а також чисельних та ітераційних методів розв'язання диференціальних рівнянь. Обробка отриманих експериментальних даних та перевірка адекватності розрахункових моделей натурної машини здійснювалася на основі відомих методик з використанням прикладних програм для ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у встановленні нових закономірностей формування динамічного навантаження гідравлічної системи керування робочим обладнанням малогабаритних двомодульних машин, а також у визначенні нових взаємодій при суміщенні двох незалежних перехідних процесів руху машини і її робочого обладнання.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці науково обґрунтованої інженерної методики розрахунку максимальних динамічних навантажень в гідравлічній системі керування робочим обладнанням малогабаритних двомодульних машин у випадку суміщення двох незалежних перехідних процесів руху машини і її робочого обладнання, яка реалізована у вигляді програми для ЕОМ; розробці інженерної методики комплектування парку малогабаритних двомодульних машин з урахуванням максимального рівня навантаження гідравлічної системи керування робочим обладнанням та розробці конкретних конструкцій пристроїв для зниження рівня динамічного навантаження системи керування робочим обладнанням.

Результати наукового дослідження використовуються Комунальним підприємством по утриманню автодоріг при Кіровоградському міському управлінні житлово-комунального господарства, АТЗТ "Кіровоградекологія”, КП „Кіровоградський ремонтно-механічний завод ім.. В.К. Таратути”. Елементи розроблених методик використовуються в навчальному процесі на кафедрі будівельних, дорожніх машин та будівництва Кіровоградського державного технічного університету.

Особистий внесок здобувача. Автору належать: розробка математичної моделі для ситуації суміщення двох незалежних перехідних процесів руху малогабаритної двомодульної машини і її робочого обладнання; аналіз закономірностей формування навантаженності гідравлічної системи керування робочим обладнання з урахуванням положення робочого обладнання, маси розроблюваного матеріалу, що знаходиться в ковші, часового інтервалу між початком незалежних перехідних процесів та початкової швидкості руху машини; розробка методики, проведення і аналіз результатів експериментальних досліджень навантаженності гідравлічної системи керування малогабаритної двомодульної машини; розробка методика комплектування парку малогабаритних двомодульних машин з урахуванням максимального рівня навантаження гідравлічної системи керування робочим обладнанням; розробка інженерної методики розрахунку максимальних динамічних навантажень, що виникають у випадку суміщення динамічних процесів при одночасному переміщенні робочого обладнання та машини; розробка приладів для зниження рівня динамічного навантаження системи керування робочим обладнанням малогабаритних двомодульних машин.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і дисертаційна робота в цілому доповідалися і обговорювалися на: Міжнародній науково-практичній конференції "Интерстроймех" (ХДАДТУ м. Харків, 2000 р.), конференції Асоціації спеціалістів промислової гідравліки та пневматики (АТ “Гідросила “ м. Кіровоград, 2000 р.), наукових семінарах кафедри будівельних, дорожніх машин і будівництва Кіровоградського державного технічного університету (м. Кіровоград, 1996-2002 р.); засіданнях кафедри підйомно-транспортних, будівельних і дорожніх машин Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (м. Харків, 1996-2002 р.); засіданні кафедри будівельних і дорожніх машин Полтавського державного технічного університету ім. Ю. Кондратюка (м. Полтава, 2002 р.).

Публікації. Основні результати наукових досліджень опубліковані у 9 друкованих роботах, з них 3 - у фахових виданнях, рекомендованих „Переліком ВАК...”.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 100 найменувань та додатків. Робота містить 207 сторінок друкованого тексту, з них 130 стор. основного тексту, 97 рисунків на 60 сторінках, 26 таблиць на 17 сторінках, 7 додатків на 44 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначені наукова новизна і практичне значення дисертаційної роботи, наведені основні положення, котрі виносяться на захист.

У першому розділі “Огляд виконаних робіт з теми дослідження” приведено аналіз методів конструювання дорожніх машин, визначення методів розрахунку їх динамічного навантаження.

Найбільш докладно методи проектування будівельних та дорожніх машин розглянуті в роботах таких авторів як: Алєксєєва Т.В., Артем'єва К.А., Баловнєва В.І., Баладинського В.Л., Бромберга А.А., Бородачова І.П., Ветрова Ю.А., Гаркаві Н.Г., Гальперина М.І.,Гобермана Л.А., Домбровського М.Г., Картвелішвілі Ю.Л., Кархова А.А., Кириченко І.Г., Кузіна Є.М., Назаренко І.І., Назарова Л.В., Нічке В.В., Холодова А.М., Хмари Л.А. та інших.

Одним з напрямків сучасного машинобудування є виробництво дорожньо-будівельних і комунальних машин модульного компонування. Модульний принцип конструювання машин є найбільш перспективним. Модуль трактується як цілісна, конструктивно і технологічно завершена автономна складальна одиниця, механізм, вузол чи агрегат. Комбінація окремих модулів між собою дозволяє одержати завершений об'єкт, здатний виконувати задані технологічні функції.

Велику увагу розвитку й аналізу модульних методів проектування в різних галузях техніки приділено в роботах В.І. Борисова, А.В. Дабагяна, А.Л. Борисова, А.Б. Демського, І.Г. Кириченко, Б.Ф. Кузнецова, Г.Д. Петрова, Е.І. Пилашина, В.А. Хвостова, Л.Б. Чертова, В.В. Яцкевича та іншіх авторів.

Головною особливістю експлуатації двомодульної машини є періодична заміна ТМ. Це призводить до зміни режимів навантаження, що характеризується зміною амплітуд, частот і напрямків прикладених зовнішніх навантажень, а також тривалістю їхнього впливу. Якщо технологічний модуль і робочий орган можна спроектувати виходячи з оптимальної їхньої конфігурації для сприйняття типового зовнішнього навантаження, то ЕМ знаходиться в менш вигідному стані.

На сучасному етапі недостатньо докладно розроблені методи проектування модульних, і зокрема двомодульних машин. Відсутні рекомендації з формування парків таких машин в експлуатуючих організаціях.

Існуючі методи розрахунку не дозволяють досить точно оцінити величину навантаження основних вузлів і елементів енергетичного модуля двомодульної машини.

Випуск надійної техніки є однією з найбільш важливих проблем сучасного машинобудування.

Найбільш повно і докладно питання імовірнісного розрахунку технічних об'єктів, що дозволяють забезпечити заданий рівень надійності на стадії проектування висвітлений у роботах В.В. Болотіна, Б.А. Бондаровича, В.І. Брауде, Б.В. Гнеденка, А.П. Гусенкова, Б.І. Дідусева, В.П. Когаєва, Н.А. Махутова, І.А. Нєдорєзова, В.В. Нічке, П.А. Павлова, В.І. Перепонова, А.Р. Ржаніцина, І.А. Ушакова, Д.І. Федорова, Б.Ф. Хазова, Р. Барлоу, К. Капура, Л. Ламберсона, Ф. Прошана та інших.

Аналіз результатів експериментальних досліджень дозволяє виділити основні групи навантажень, що діють на вузли і деталі машин.

При розробці ґрунтів і будівельних матеріалів загальний режим зовнішнього впливу на робоче обладнання машини можна охарактеризувати як випадкове змінне навантаження з накладеними на нього разовими динамічними перенавантаженнями ударного характеру на фоні інтенсивного абразивного зносу. Такий режим зовнішнього впливу, особливо ударні навантаження, призводить до прискореного росту тріщин втомленості в металоконструкції, вузлах і деталях машини, внаслідок чого різкого знижуються її показники надійності.

Складний зовнішній вплив на машину призвів до появи різних розрахункових методів. Причому нерідко для розрахунку однієї деталі приходиться використовувати одночасно декілька методик з різними граничними критеріями.

Особливу увагу при проектуванні будівельних і дорожніх машин приділяють ударним навантаженням, які при виконанні розрахунків на міцність трактуються як максимально можливі разові статичні навантаження. Розрахунок при цьому виконується за критеріями статичної міцності.

Загальні принципи динаміки будівельних і дорожніх машин докладно висвітлені в роботах Т.В. Алексєєвої , К.А. Артем'єва, А.А. Бромберга, І.П. Бородачова, А.А. Вєтрова, М.І. Гальперина, М.Г. Домбровського, Ю.Л. Картвелішвілі, Л.В. Назарова, А.М. Холодова та інших відомих вчених.

Проведений аналіз дозволив зробити такі висновки:

- існує декілька принципів проектування та конструювання будівельної і дорожньої техніки;

- перспективним напрямком конструювання малогабаритної універсальної техніки є створення двомодульних малогабаритних машин, що складаються з енергетичного модуля та змінних технологічних модулів;

- періодична зміна технологічних модулів під час експлуатації двомодульної машини призводить до зміни режимів навантаження енергетичного модуля, що істотно впливає на його показники надійності;

- досить докладно розроблена методика аналізу динамічної навантаженності машин для окремих динамічних процесів, і в той же час відсутні рекомендації для випадку суміщення у часі декількох динамічних процесів.

У другому розділі “Оцінка необхідної кількості енергетичних модулів на основі аналізу їх показників надійності” розглянуто особливості експлуатації двомодульних машин.

Конструктивна концепція двомодульної машини припускає періодичну зміну технологічного модуля при постійному енергетичному модулі. Це дозволяє більш ефективно експлуатувати машини, обладнані робочими органами для сезонного використання, або для виконання великої кількості різноманітних робіт невеликого обсягу. В той же час це призводить до довільної зміни режиму навантаження енергетичного модуля в залежності від виду виконуваних робіт.

В практиці експлуатації техніки, зокрема в організаціях комунальної служби, нерідко виникають ситуації, коли виконання заданих обсягів робіт є обмеженими за часом. В цьому випадку актуальною стає проблема вибору мінімально необхідної кількості модулів, які повинна мати організація.

Якщо для технологічного модуля це значення можна легко розрахувати, знаючи продуктивність модульної машини, обсяги робіт і термін їхнього виконання, то для енергетичного модуля визначення їх раціональної кількості сполучено з певними труднощами.

На відміну від технологічних модулів, енергетичні модулі постійно працюють, або знаходяться в ремонті. Це значить, що в заданий момент часу не всі 100% енергетичні модулі зможуть приступити до виконання і – го виду роботи, а тільки їхня частина.

Задача визначення раціональної кількості енергетичних модулів формулюється в такий спосіб: скільки необхідно мати енергетичних модулів для того, щоб гарантовано виконати роботу обсягу Vi у заданий інтервал часу ti?

Для рішення поставленої задачі необхідно залучати апарат теорії надійності.

Якщо призначити нормативний рівень імовірності [p], що визначає ступінь упевненості в тому, що в будь-який момент часу організація зможе надати не менш m працездатних машин, тоді можна записати граничну умову, на основі якої можна підібрати необхідну кількість енергетичних модулів n, що необхідна організації

. (1)

де pm,n(t) – імовірність того, що m з n енергетичних модулів працездатні.

Імовірність того, що m енергетичних модулів з n будуть працездатні в заданий момент часу, визначається через імовірність перебування в працездатному стані кожного з енергетичних модулів:

(2)

де Kj(t) – імовірність перебування в працездатному стані j – го енергетичного модуля; - розрахункові імовірності перебування системи машин у відповідному стані.

Для визначення імовірності працездатного стану кожного з енергетичних модулів доцільно використати теорію Марківських процесів.

В цьому випадку математична модель експлуатації енергетичного модуля представлена як сукупність двох потоків: потоку відмов та потоку відновлень і описується за допомогою диференціальних рівнянь Колмогорова:

(3)

де K1(t), K2(t), …, Kn(t) – імовірності працездатного стану енергетичного модуля; k1(t), k2(t), …, kn(t) – імовірності непрацездатного стану енергетичного модуля; m1, m2, ..., mn – інтенсивності потоку відновлень;

l1, l2 ... ln – інтенсивності потоку відмов.

У випадку, коли ЕМ працюють в період нормальної експлуатації, коли потік відмов є постійною величиною, диференціальні рівняння мають рішення в загальному виді:

(4)

де C1, C2 ,…, Cn – постійні інтегрування.

Інтенсивність потоку відновлень залежить від великої кількості факторів, тому на практиці її найкраще визначати експериментальним шляхом для кожного типу технологічного модуля, що працює з енергетичним модулем.

Інтенсивність потоку відмов може бути зображена в аналітичному вигляді в функції імовірності безвідмовної роботи енергетичного модуля:

. (5)

Оскільки енергетичний модуль складається з декількох окремих структурних елементів (рис. 1), то імовірність безвідмовної роботи всього агрегату буде виражатися через імовірність безвідмовної роботи цих структурних одиниць, яка, в свою чергу визначається імовірністю безвідмовної роботи окремих деталей, з яких a - розташовано послідовно і b - паралельно:

(6)

. (7)

де pід(t) – імовірність безвідмовної роботи і – ї деталі.

В теорії надійності розроблені аналітичні залежності, що дозволяють визначити імовірність безвідмовної роботи деталі для різних критеріїв та способів навантаження вже на стадії її проектування. При цьому необхідно пам'ятати наступні особливості запропонованих залежностей:

Рис. 1. Структурна схема енергетичного модуля

1. частина коефіцієнтів та значень в запропонованих залежностях визначаються експериментальним шляхом;

2. під час розрахунків за критерієм міцності стомлення, необхідно виконувати сумування пошкоджень. В цьому випадку зовнішнє навантаження може бути представлене в блочному вигляді, причому кожний блок відповідає своєму технологічному модулю.

В остаточному вигляді математична модель вибору необхідної кількості енергетичних модулів може бути представлена у вигляді структурної ієрархічної системи, причому розрахунки повинні виконуватися знизу догори і йти від деталей до парку машин.

На основі проведених теоретичних досліджень запропонована методика визначення необхідної кількості енергетичних модулів в експлуатуючій організації.

Для дослідження отриманої математичної моделі розглянуто найпростіший випадок, коли всі енергетичні модулі в організації експлуатуються в однакових умовах з однаковими технологічними модулями. Такий підхід дозволяє отримати найбільш характерні типи залежностей.

Для ситуації, що розглядається, імовірність того, що m з n енергетичних модулів в даний поточний момент часу будуть працездатні описується за допомогою усіченої формули бінома Ньютона.

(8)

Графіки зміни цієї імовірності в часі мають характерний вигляд і складаються з початкової нестаціонарної ділянки, де імовірність змінюється, та наступної прямолінійної ділянки, де значення імовірності є сталим.

Для оцінки впливу режиму навантаження на рівень імовірності, що встановилася, в процесі аналізу варіювалося значення інтервалу потоку відмов (рис. 2). Для проведених розрахунків збільшення l на порядок призводить до зменшення імовірності, що встановилася для різних парків машин на 30% - 1%.

З збільшенням інтенсивності потоку відмов при фіксованій нормативній імовірності збільшується і необхідна кількість енергетичних модулів.

Рис 2. Результати розрахунку за розробленою методикою

а) – графік залежності імовірності, що встановилася для різних

інтенсивностей відмов від кількості енергетичних модулів в

організації; б) – графік залежності необхідної кількості n енерге-

тичних модулів від інтенсивності потоку відмов l при [p] = 0,95

На основі проведених теоретичних досліджень можна зробити висновки, що для отримання інформації про необхідну кількість енергетичних модулів для конкретної організації, необхідно мати коректну і докладну інформацію про параметри динамічного навантаження енергетичного модуля при експлуатації його з різними видами технологічних модулів. Інтенсивність потоку відмов, що залежить від умов роботи і параметрів зовнішнього навантаження, здійснює істотний вплив на необхідну кількість енергетичних модулів для організацій.

У третьому розділі “Моделювання двомодульної машини при роботі з землерийно-транспортним технологічним обладнанням” запропонована розрахункова схема машини при суміщеннія двох незалежних перехідних процесів, що формуються в гідроприводі і трансмісії машини.

Аналіз конструктивних схем типових технологічних модулів з землерийним обладнанням дозволяє виділити їх загальні особливості, а саме:

- робочий орган кріпиться шарнірно до остову технологічного модуля і його керування здійснюється силовими гідроциліндрами, які змінюють своє положення в залежності від положення робочого обладнання.

Під час роботи гідроприводу часто трапляються випадки, коли він сприймає ударне навантаження на фоні змінного нестаціонарного робочого навантаження. Такий вплив приводить до стрибкового зростання тріщин втомленості. Як правило, в розрахунковій практиці розглядається обмежена кількість ситуацій, в яких з'являються динамічні сили.

Для процесів, що досліджуються, можна виділити наступні фази руху модульної машини та її елементів:

·

· різке стопоріння робочого обладнання;

· поступовий прямолінійний рух двомодульної машини;

· різке рушення або гальмування двомодульної машини.

Перехідні процеси як в гідроприводі, так і в трансмісії протікають достатньо швидко внаслідок відносно високих жорсткостей системи. Тому практичний інтерес представляє дослідження ситуації при суміщенні двох незалежних перехідних процесів. Це значить, що тимчасовий інтервал між моментами спрацювання пристроїв повинен лежати в межах 0 - 0,2 с. по крайній мірі часовий інтервал не повинен перевищувати тривалості одного напівперіоду коливань навантаження, так як внаслідок дисипаційного впливу необхідно чекати посилення динамічного ефекту тільки на початкових етапах перехідних процесів.

При розробці розрахункової схеми та математичної моделі процесу, що досліджується, було прийнято ряд обмежень та спрощень, які дозволили представити машину у вигляді плоскої багатомасної системи з пружними та демпфуючими зв'язками.

В процесі, що досліджується, можна виділити три основні етапи, яким в загальному випадку відповідають три різні розрахункові схеми:

1. на першому етапі відбувається опускання робочого обладнання під дією сил ваги та тиску з сторони гідронасосу;

2. на другому етапі внаслідок переключення розподільника в нейтральне положення зливні порожнини силових гідроциліндрів блокуються і відбувається різке стопоріння робочого обладнання;

3. на третьому етапі на процес стопоріння робочого обладнання, що продовжується, накладається перехідний процес, який викликаний спрацюванням (розгоном або гальмуванням) трансмісії машини.

Таким чином, формально математична модель процесу, що досліджується, повинна включати в себе три системи рівнянь руху, які описують поведінку машини та її елементів послідовно на трьох етапах руху.

З урахуванням прийнятих спрощень та допущень на першому етапі руху можна розглядати одномасні системи з одним ступенем вільності.

При складанні математичної моделі маса робочого обладнання приводилася до штоків силових гідроциліндрів. Основою отримання математичної моделі є нелінійне диференціальне рівняння з змінною масою та змінними навантаженнями:

(9)

де Rц – осьове зусилля на гідро циліндрах; х5 – швидкість руху гідро циліндра; mпр – приведена до поршня маса рухомих частин робочого обладнання і робочої рідини; t – час; n – кількість паралельно встановлених гідроциліндрів;pн – номінальний тиск, що розвиває насос; pp – тиск в робочій порожнині гідроциліндра; pc – тиск рідини в зливальній порожнині гідро циліндра; F1 – ефективна площа поршня з боку робочої порожнини гідро циліндра; F2 – ефективна площа поршня з боку зливальної порожнини; Rтр – сила тертя, що виникає в ущільнюючих пристроях між рухомими і нерухомими елементами гідро циліндра; mро, mм, mмк – відповідно маси робочого органа, матеріалу в робочому органі і несучій рамній або балковій металоконструкції; l – початкова довжина гідроциліндра; Qн, Qи – відповідно номінальна і ідеальна подачі насоса; D – діаметр поршня гідро циліндра;

d – діаметр штока силового гідро циліндра; a, b –емпіричні коефіцієнти, визначені експериментально.

На другому етапі руху виникає різке гальмування робочого обладнання, що опускається. Динамічна схема модульної машини має три ступені вільності (рис. ) і її рух описується за допомогою рівнянь Лагранжа другого роду. Кінематичні і силові характеристики для кінця 1-го етапу є початковими для 2-го етапу руху.

Рис. 3. Розрахункова схема машини на другому етапі руху

(10)

де z1 – спільне вертикальне переміщення енергетичного модуля і несучої конструкції технологічного модуля; j1 – кут повороту навколо центру мас; j2- кут повороту робочого обладнання.

На третьому етапі під час процесу гальмування робочого обладнання, починається різке рушення (або гальмування) самої двомодульної машини. В першому випадку динамічна модель має сім ступенів вільності, а у другому – шість. Розрахункова схема двомодульної машини наведена на рис. 4.

Рис. 4. Розрахункова схема машини на третьому етапі руху

Математична модель руху двомодульної машини на третьому етапі описується за допомогою рівнянь Лагранжа другого роду:

(11)

При складанні математичної моделі для процесу розгону машини ураховується кінетична енергія маховика і характер передачі зусилля через муфту зчеплення.

При гальмуванні машини вважаємо, що зчеплення попередньо вимкнуто, а колодкові гальма розвивають сили тертя, що гальмують трансмісію машини.

Для виявлення характерних закономірностей та проведення порівняльної оцінки відносних показників процесу, що досліджується, були виконані розрахунки як для малогабаритної двомодульної машини з навантажувальним технологічним модулем, так і для колісних навантажувачів, що випускаються на Україні: ПМТС 1200 (Бердянський завод дорожніх машин); Т-156 (Харківський тракторний завод); ПФ-04 (Крюківський вагонобудівний завод).

В процесі проведення аналізу було вивчено, як впливають на величину максимального тиску, що реєструвався в гідравлічній системі, наступні параметри руху:

·

· маса матеріалу в ковші;

кінцева швидкість руху машини після її різкого рушення на 3-му етапі руху;

·

Проведені теоретичні дослідження показали, що значення тимчасового інтервалу між процесами гальмування робочого обладнання та початком процесу різкого рушення двомодульної машини суттєво впливає на величину максимальних навантажень в гідроприводі. Найбільші навантаження гідроприводу виникають при одночасному початку процесів стопоріння робочого обладнання та рушення машини з місця. Положення, з якого починає опускатися робоче обладнання і позиція, в якій воно стопориться, визначають не тільки величину осьового наватаження на силові гідроциліндри, але й початкову швидкість процесу гальмування робочого органу. Зміна кута нахилу робочого органу, в якому він гальмується, викликає й зміну максимальних значень тиску, що діє в гідроприводі. Розрахунки показують, що в залежності від положення, в якому гальмується робочий орган, величина максимального тиску змінюється в 1,111...2,589 рази.

У четвертому розділі “Експериментальне дослідження навантаже-ності гідроприводу і металоконструкції двомодульної машини” подані результати експериментальних досліджень навантаженості гідравлічної системи керування робочим обладнанням малогабаритної двомодульної машини, обладнаної навантажувальним технологічним модулем. При проведенні експериментів використовувалася схема прямих вимірювань. Як величини, що реєструються, були вибрані:

·

· крутні моменти на напівосях ведучих коліс правого і лівого бортів енергетичного модуля;

Для контрольних вимірів використовувалися вимірювання деформацій та зусиль, що виникають в нижньому важелі урівнюючого пристрою.

Для посилення сигналів, що надходять від тензодатчиків, використовувався тензопідсилювач ЛХ-5515, а реєстрація процесів проводилася на рулонний осцилографічний папір за допомогою світлопроменевого осцилографа К-1222.

При виконанні експериментів з різким гальмуванням стріли в ковші встановлювалися почергово вантажі від 0 до 200 кг з кроком 50 кг. Стріла піднімалася в граничне верхнє положення, потім стріла опускалася і різко стопорилася в нижньому положенні. При цьому в гідроприводі реєструвалася коливальна зміна тиску рідини.

При проведенні експериментів з різким рушенням малогабаритної двомодульної машини стріла встановлювалася в нижньому положенні і в ковші також встановлювалися різні вантажі з кроком 50 кг. Діапазон передач включав в себе 5 рівнів.

З збільшенням вантажу в ковші, максимальний тиск в гідроприводі машини при різкому гальмуванні збільшується від 3,58 - 3,64 МПа до

7,19 ,63 МПа.

Рис. 5. Залежність максимального сумарного тиску в гідроприводі від

швидкості машини при різкому рушенні (а) та від маси матеріалу (б)

Рис. 6. Залежність сумарного максимального тиску в гідроприводі

від маси матеріалу в ковші

Для другої групи експериментів (розгін машини) тиск в гідроприводі в залежності від кінцевої швидкості розгону має достатньо близьку схожість теоретичних і експериментальних даних, похибка складає 1,9 - 5,6%.

При сумуванні максимальних тисків похибка між теоретичними і експериментальними даними складає 10,6 - 11,4%.

У п'ятому розділі “Практичні реокмендації” наведено інженерну методику розрахунку навантаженості гідравлічної системи керування робочим обладнанням малогабаритної двомодульної машини при суміщенні двох динамічних процесів з програмою розрахунку на ЕОМ, методику визначення раціональної кількості енергетичних модулів, що використовуються в експлуатуючій організації та розроблено конструкції запобіжних приладів, що забезпечують зниження тиску в гідравлічній системі машин при суміщенні динамічних навантажень.

ВИСНОВКИ

1. За результатами аналізу робочого циклу машин землерийної та навантажувальної групи, запропоновано при проектуванні машин розглядати розрахункові положення, що характеризують суміщення декількох незалежних динамічних процесів, які протікають у машині. Так, для системи керування робочим обладнанням запропоновано розглядати суміщення процесів гальмування робочого органу ти різкого рушення машини з місця.

2. Для опису навантаження системи керування робочим обладнанням двомодульної машини з навантажувальним технологічним модулем і навантажувачів, що випускаються серійно, обґрунтована і розроблена математична модель, що включає в себе три системи суттєво нелінійних диференціальних рівнянь. Кожна система рівнянь описує окремий етап руху динамічної моделі машини, причому на першому етапі ураховується зміна кінематичних і динамічних параметрів гідравлічної системи керування робочим обладнанням в процесі опускання робочого органу. Визначення навантаженості гідравлічної системи керування робочим обладнанням виконується методом стиковки рішень систем диференціальних рівнянь

3. Проаналізовані закономірності формування динамічного навантаження системи керування робочим обладнанням одноківшових навантажувачів. Встановлено, що найбільший вплив на величину максимальних навантажень, що діють в гідросистемі керування здійснюють: положення робочого органу в просторі в момент його гальмування, маса робочого обладнання і матеріалу в ковші, кінцева швидкість машини під час її рушення з місця і тимчасовий інтервал поміж початком двох незалежних динамічних процесів; гальмування робочого обладнання, що опускається і різке рушення машини з місця.

4. Встановлено, що у випадку гальмування робочого обладнання в положенні, коли його центр ваги розташований вище шарніра кріплення до остову машини, в момент рушення машини з місця спостерігається ефект зниження рівня максимальних навантажень в гідравлічній системі керування робочим обладнанням у порівнянні з розрахунковим випадком, коли не виникає суміщення динамічних процесів. Зменшення максимального тиску рідини досягає від 5,67% (навантажувач ПФ-04) до 4,4% (навантажувач Т-156). Найгірше розташування робочого органа при суміщенні двох динамічних процесів для цього випадку - гранично нижнє. Максимальні динамічні навантаження в момент різкого рушення машини збільшуються від 14,22% (навантажувач Т-156) до 8,07% (навантажувач ПМТС-1200). Для навантажувача ПФ-04 приріст максимального тиску в системі керування складає 1,7 рази, що обумовлено особливостями його кінематичної схеми.

5. Визначено вплив маси матеріалу в ковші на рівень максимальних навантажень в гідравлічній системі керування робочим обладнанням при суміщенні динамічних процесів. Найбільші динамічні навантаження відповідають повному завантаженню ковша матеріалом. Для найгіршого положення робочого органа значення максимального тиску в гідроприводі системи керування робочим обладнанням склали для повністю завантаженого ковша у порівнянні з порожнім: для навантажувача ПТМС-1200 – 1,91-7,86 МПа, для навантажувача ПФ-04 1,25 - 7,28 МПа, навантажувача Т-156 2,29 – 8,03 МПа, для дослідного зразка малогабаритної двомодульної машини 3,53 – 11,97 МПа.

6. Встановлено, що з збільшенням кінцевої швидкості машини в процесі різкого рушення з місця виникає зростання максимальних навантажень в гідроприводі системи керування робочим обладнанням. Для діапазону робочих швидкостей 0,8 - 1,3 м/с при повністю завантаженому ковші і найгіршому його розташуванні приріст максимального рівня навантажень для навантажувачів, склав: ПМТС-1200 1,2%, ПФ – 04 - 5,3%; Т-156 - 3,4%, для експериментально зразка двомодульної машини менш 0,01%. Встановлено, що максимальний приріст навантаження в системі керування робочим обладнанням відповідає одночасному початку гальмування робочого обладнання і рушенню машини з місця. Збільшення тимчасового інтервалу призводить до зниження рівня максимальних навантажень. Якщо тимчасовий інтервал складає ј періоду коливань робочого обладнання – максимальне навантаження в системі дорівнює розрахунковому для випадку реалізації тільки одного процесу різкого гальмування стріли.

7. Перевірка адекватності отриманих результів засвідчила, що запропонована математична модель достатньо точно описує навантаження гідравлічної системи керування робочим обладнанням при суміщенні двох незалежних динамічних процесів. Похибка склала 10,69 - 11,4%.

8. Результатом роботи є: інженерна методика визначення максимальних навантажень в гідравлічній системі керування робочим обладнанням для найгіршої розрахункової ситуації, реалізована у вигляді програми для ПЕОМ; методика вибору раціональної кількості енергетичних модулів з урахуванням рівня динамічної навантаженості основних вузлів енергетичного модуля; розробка конкретних пристроїв, які дозволяють знизити максимальний рівень динамічних навантажень в гідроприводі за рахунок обмеження швидкості опускання завантаженого робочого органу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні положення викладені в таких основних публікаціях:

1. Кириченко И.Г., Шевченко В.А., Лизунков А.В. Методика выбора потребного количества энергетических модулей // Техніка будівництва. – . – №2. – С. (розроблено елементи методики вибору необхідної кількості енергетичних модулів на основі аналізу їх показників надійності).

2. Кириченко И.Г., Шевченко В.А., Ефименко А.В., Лизунков А.В. Закономерности формирования внешней нагрузки, действующей на ковш погрузчика //Автомобильный транспорт. Сб. науч. тр. ХГАДТУ. – Харьков. – . – №2. – С. (розроблено елементи математичної моделі навантаженності гідроприводу енергетичного і технологічного модулів).

3. Кириченко И.Г., Шевченко В.А., Лизунков А.В. Исследование нагрузок, действующих в гидроприводе модульной погрузочной машины // Автомобильный транспорт. Сб. науч. тр. ХГАДТУ. – Харьков. – . –№5. – С. (встановлено закономірність зміни максимального навантаження в гідроприводі від накладання один на одного двох динамічних процесів).

А також в додаткових публікаціях:

4. Кириченко И.Г., Шевченко В.А., Ефименко А.В., Лизунков А.В. Нагруженность трансмиссии землеройно-транспортной машины в момент резкого трогания с места // Автомобильный транспорт. Сб. науч. тр. ХГАДТУ. – Харьков. – 1999. – №2. – С. (розроблено елементи математичної моделі навантаженності трансмісії землерийно-транспортної машини при рушені машини з місця).

5. Лізунков О.В. Дослідження навантаженності модульної машиниЗб. наук. пр. КІСМ. – Кіровоград. – . 2 вип. – С. (розроблено елементи математичної моделі, що ураховує накладання двох перехідних незалежних динамічних процесів).

6. Кіріченко І.Г., Лізунков О.В., Ефіменко О.В. Комп'ютерне супроводження модульного проектування машин // Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник. КІСМ. – Кіровоград. – . –С. (розроблено елементи прикладних комп'ютерних програм для забезпечення модульного проектування машин на ПЕОМ).

7. Кириченко И.Г., Шевченко В.А., Лизунков А.В. Определение силовых и массовых параметров гидропривода рабочего оборудованияЗб. наук. пр. КІСМ. Кіровоград. – . – С. (встановлено залежність силових характеристик гідроприводу від кінематичної характеристики робочого обладнання машин).

8. Кириченко И.Г., Шевченко В.А., Лизунков А.В. Расчет кинематических характеристик механизмов с качающимся силовым гидроцилиндром на примере одноковшового погрузчика // Зб. наук. пр. КІСМ. Кіровоград. – . – С. (розроблено елементи математичної моделі для розрахунку максимальних навантажень в гідроприводі для кінематичної характеристики механізмів з гідроциліндром, що коливається).

9. Кириченко И.Г., Шевченко В.А., Ефименко А.В., Лизунков А.В. Универсальные двухмодульные машины // Информационный листок ЦНТЭИ. Кировоград. – . – С. 1-5.

АНОТАЦІЯ

Лізунков О.В. Режими навантаження гідроприводу двомодульних малогабаритних машин – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 – машини для земляних і дорожніх робіт. – Харківський національний автомобільно-дорожній університет. Харків, 2002.

Розроблено методику вибору необхідної кількості енергетичних модулів для експлуатуючої організації, парк машин якої складають двомодульні машини. Методика враховує зміну показників надійності машин у процесі їх експлуатації. Для підвищення ефективності проектування двомодульних машин розроблена адекватна математична модель двомодульної машини, що описує процес накладення один на одного двох незалежних динамічних процесів, що одночасно розвиваються в гідроприводі керування робочим устаткуванням і трансмісії машини. Для перевірки прийнятих у математичній моделі допущень проведені експериментальні дослідження на дослідному зразку двомодульної машини з навантажувальним технологічним модулем.

Ключові слова: двомодульна машина, енергетичний модуль, технологічний модуль, динамічне навантаження.

THE SUMMARY

Lizunkov A.V. Modes loading of a hydrodrive two-modular small-sized machine.- the Manuscript

Dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.05.04 - machine for earthen and road works. - Kharkov national automobile and roads university, Kharkov, 2002.

The technique of a choice of necessary quantity(amount) of power modules for maintaining organization is developed, the park of which machines is made by(with) two-modular machines. The technique takes into account change of parameters of reliability of machines during their operation. For increase of efficiency of designing of two-modular machines the adequate mathematical model of the two-modular machine describing process of imposing against each other of two independent dynamic processes, management, simultaneously developing in a hydrodrive, of the working equipment and transmissen of the machine is developed. For check of the assumptions, accepted in mathematical model, the experimental researches on a skilled sample of the two-modular machine with the loading technological module are carried out(spent).

Keywords: the two-modular machine, power module, technological module, dynamic loading.

АННОТАЦИЯ

Лизунков А.В. Режимы нагружения гидропривода двухмодульных малогабаритных машин.- Рукопись

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 – машины для земляных и дорожных работ. – Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет. Харьков, 2002.

Разработана методика выбора необходимого количества энергетических модулей для эксплуатирующей организации, парк машин которой составляют двухмодульные машины. Методика учитывает изменение режимов нагружения энергетического модуля при его работе с различными технологическими модулями, вследствие чего происходит изменение показателей надежности энергетического модуля в процессе его эксплуатации.

Для повышения эффективности проектирования двухмодульных машин разработана адекватная математическая модель двухмодульной машины, описывающая процесс наложения друг на друга двух независимых динамических процессов. Разработана методика оценки максимального уровня нагруженности элементов гидропривода двухмодульной машины при наложении двух независимых динамических процессов. Расчеты по разработанной методике показали значительное увеличение нагрузок на гидропривод двухмодульной машины вследствие наложения друг на друга двух динамических процессов.

Для проверки принятых в математической модели допущений проведены экспериментальные исследования на опытном образце двухмодульной машины с погрузочным технологическим модулем. При проведении экспериментов использовалась схема прямых измерений. В качестве регистрируемых величин были выбраны давление в нагруженных полостях гидроцилиндра привода рабочего органа и крутящие моменты на полуосях ведущих колес энегретического модуля. Полевые испытания опытного образца двухмодульной машины подтвердили достоверность полученной математической модели с достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных данных.

Ключевые слова: двухмодульная машина, энергетический модуль, технологический модуль, динамическое нагружение.

Підписано до друку 17.05.2002. Формат 60х84 1/16. Папір білий.

Надруковано на ризографі. Умов. друк. арк. 1,25. Зам. № 643/2002. Тираж 100 прим.

У РВВ КДТУ. м. Кіровоград, пр. Університетський, 8, тел. 597-541, 559-245, 597-551.