close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка математической модели гидропривода механизма подъема рабочего оборудования экскаватора..pdf

код для вставкиСкачать
УДК 621.869
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ГИДРОПРИВОДА МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА РАБОЧЕГО
ОБОРУДОВАНИЯ ЭКСКАВАТОРА
А.И. Власов, инженер, НПП «Газтехника»
Аннотация. Рассматриваются вопросы моделирования динамических процессов, протекающих в сложной электро-гидро-механической подсистеме
механизма подъема рабочего оборудования гидравлического экскаватора.
Ключевые слова: гидропривод, моделирование, автоматическое регулирование, система, экскаватор, рабочий орган.
Введение
Цель и постановка задачи
Копающие механизмы карьерных гидравлических экскаваторов работают в тяжелых
динамических режимах, обусловленных частыми разгонами, торможениями и резкими
изменениями внешней нагрузки. Наибольшие динамические нагрузки в гидравлической и механической подсистемах гидропривода подъема возникают при встрече ковша
с непреодолимым препятствием, что приводит к стопорению рабочего оборудования.
Динамические процессы в экскаваторных
механизмах носят сложный характер, исследование их необходимо проводить с учетом
взаимного влияния гидравлической и механической подсистем.
Целью работы является разработка математической модели гидропривода механизма
подъема рабочего оборудования строительных и карьерных экскаваторов. Для решения
поставленной цели потребовалось решить
следующие задачи: разработать принципиальную и структурную схемы системы автоматического управления подачей насосов
гидропривода механизма подъема рабочего
оборудования экскаваторов; составить уравнения, описывающие переходные процессы в
гидросистеме экскаватора, и преобразованные для использования в системе имитационного моделирования.
Анализ публикаций
Наибольшее количество публикаций по моделированию динамических процессов, протекающих в рабочих органах и приводе экскаваторов, было в 70-е – 80-е годы прошлого
столетия. Тщательно изучались режимы стопорения и динамические нагрузки, возникающие в электрической и механической
подсистемах [1,2,3]. Исследованию этой проблемы посвящены диссертации [6,7,8,9]. Исследование стопорных режимов, способов и
устройств, для снижения забросов давления
и его колебания в напорной магистрали проводились автором, в результате чего им созданы изобретения [10, 11, 12, 13, 14, 15, 16],
а также опубликованы статьи [17, 18].
Решение задачи
Исследование динамически комплексной
электро-гидро-механической системы выполнено для привода подъема строительных
и карьерных экскаваторов. Механизм подъема представлен функциональной схемой
(рис. 1). Регулируемые по подаче реверсивные по потоку насосы 1 приводятся во вращение асинхронным двигателем 2 через понижающий раздаточный редуктор 3. Насосы
1 в зависимости от направления потока по
магистрали 4 или 8 подают рабочую жидкость к рабочим цилиндрам 5, штоки которых 6 связаны с рабочим органом 7. Если в
рабочей жидкости из гидроцилиндров 5 осуществляется по магистрами 8 или 4. Изменение направления движения штоков 6 рабочих
цилиндров 5 осуществляется реверсировани-
ем потока насосов. Для предотвращения разрыва потока рабочей жидкости в гидравлическую систему введена линия подпитки 9 с
клапанным блоком 10.
7
3
1
4
5
2
ЭД
10
6
8
9
Рис.1. Упрощенная схема механизма подъема
рабочего оборудования экскаватора
Принципиальная схема автоматического
управления подачей насоса гидропривода
подъема приведена на рис. 2.
Uвх
UА
КА
КА
КФ
РС
K ДУП
1 pTL
ДУП
ДД1
UД1
KД1 PB
ДД2
БО2
UБО2
КРС
ФЧВ
БО1
UБО1
UФ
UД2
KД2
ГМ
KТМ
Q
H
РУ
WГ(p)
pT1HT2H pT1H 1
ГПП
PH
Рис. 2. Принципиальная схема системы автоматического управления подачей насосов гидропривода механизма подъема
экскаватора
В схеме 2 приняты следующие обозначения:
КА – командоаппарат; ФЧВ – фазочувствительный выпрямитель; РС – регулятор скорости; ДУП – блок дистанционного управления подачей насоса; ГМ – гидравлический
механизм изменения подачи насосов; ГПП –
гидропривод подъема экскаватора; ДД1, ДД2
– датчики давления в магистралях гидропривода; БО1, БО2 – нелинейные элементы; UА –
напряжение на входе командоаппарата; UФ –
напряжение на входе фазочувствительного
выпрямителя ФЧВ; Uрс – напряжение на входе регулятора скорости; РУ – давление управления, поступающее на вход гидравлического механизма изменения подачи насоса ГМ;
QН – подача насосов; Рв, Рн – давление в
сливной и напорной магистралях; U Д1 , U Д 2 –
напряжение на выходе датчиков давления;
Uбо1, Uбо2 – давление на выходе нелинейных элементов; КА, КФ, КРС, КДУП, КГМ, КД1,
КД2 – коэффициенты передачи соответственно командоаппарата, фазочувствитель-
ного выпрямителя, регулятора скорости, механизма, дистанционного управления подачей
насосов, гидравлического механизма подачи
насосов и датчиков давления в напорной
и сливной магистралях; Тl – электромагнитная постоянная времени механизма дистанционного пропорционального управления
ДУП; Т1н, Т2н – постоянные времени гидравлического механизма изменения подачи
насоса ГМ; р – оператор Лапласа.
Система управления гидроприводом подъема
содержит последовательно включенный бесконтактный командоаппарат КА и фазочувствительный выпрямитель ФЧВ, выходной,
сигнал которого UФ определяет заданное
значение скорости перемещения штоков рабочих цилиндров подъема. Полярность сигнала UФ на выходе ФЧВ определяет заданное
направление перемещения штоков рабочих
цилиндров в установившемся режиме работы. Сигнал с выхода фазочувствительного
выпрямителя ФЧВ поступает на вход регулятора скорости РС. На вход этого регулятора
поступает также сигнал отрицательной обратной cвязи по давлению в магистрали высокого давления с отсечкой. Эта связь осуществляется с помощью двух датчиков
давления ДД1 и ДД2, на выходе которых вырабатываются электрические сигналы U Д1 и
U Д2 , пропорциональные давлению в штоко-
вых и бесштоковых полостях рабочих гидроцилиндров. Выходы датчиков давления ДД1
и ДД2 соединены со входами нелинейных
элементов БО1 и БО2, входы которых связаны со входами регулятора скорости РС, который связан с обмоткой катушки пропорционального
электромагнитного
блока
дистанционного управления подачей насоса
ДУП. Блок дистанционного управления подачей насосов ДУП гидравлически соединен
с механизмом изменения подачи насоса ГМ.
При подаче электрического сигнала U A заданной полярности с выхода блока дистанционного пропорционального управления
подачей насосов поступает давление управления PУ на вход гидравлического механизма изменения подачи насоса. Величина и направление давления управления PУ определяются величиной и полярностью напряжения U A . При работе гидропривода подъема
экскаватора в режиме, когда нагрузки на рабочем органе не превышают определенной
заданной величины, давления в напорной
и сливной магистралях также не превышает
заданной величины давления отсечки Pотс
статической характеристики насоса (рис. 3).
Q
Q
жесткость подъемного механизма C12 , а
также механическое трение в упругой связи
К тр12 и утечки в гидравлическом канале rут
(на схеме не показаны).
QНо
Pотс
Pmax P
Рис. 3. Статическая характеристика насоса
При этом гидропривод экскаватора работает
на участке КА механической характеристики
(рис. 4), который характеризуется незначительным снижением подачи насоса Q с ростом давления в приводе. При чрезмерном
заглублении ковша, либо при встрече его с
непреодолимым препятствием в работу вступает нелинейная отрицательная обратная
связь по давлению через датчик давления
ДД1 и блок нелинейности БО1. Привод начинает работать на участке А-А1 механической
характеристики (рис. 4).
В рассматриваемом приводе процессы в
комплексной электрогидравлической системе «насосы – гидроцилиндры – рабочее оборудование» описываются следующими дифференциальными уравнениями в операторной форме для движения массы m1 :
FД
F12
Fтр12
m1 pV1
(1)
или
PB AB
где
C12
V V2
p 1
FД
K тр12 V1 V2
РВ АВ , F12
Fтр12
m1 pV1 , (2)
e12
V1 V2 ,
p
K тр12 V1 V2 .
(3)
Q
Уравнение движения массы m2
K
A
F12
N
0
-P
Pmax
Pотс A1 P
D
-Q
Рис. 4. Механическая характеристика
При этом величина давления в гидроцилиндре находится в пределах: Ротс Р Рmax . Механизм подъема экскаватора может быть
представлен расчетной схемой (рис. 5), в которой учитывается приведенная к оси штока
гидроцилиндра эквивалентная масса поршней и штоков гидроцилиндров m1, масса
рабочего оборудования m2, гидравлическая
жесткость канала гидропривода CГ и жестV1
FД
QH
F12
F12
m1
CГ
PB
Fтр12
C12
Fтр12
FB
m2 pV2 ,
(4)
где PB – давление жидкости в напорной магистрали; AB – эквивалентная площадь поршней бесштоковых полостей рабочих гидроцилиндров; FД – движущее усилие на штоке
Г
C
Fтр12
эквивалентного гидроцилиндра; F12 – усилие
упругой связи механизма подъема; Fтр12 –
усилие трения в механизме подъема; FВ –
усилие сопротивления копания; m1 , m2 –
соответственно приведенные массы рабочих
гидроцилиндров и рабочего оборудования;
C12 – жесткость упругой связи; K тр12 – коэффициент вязкого трения упругой связи; V1 ,
V2 – соответственно, скорости движения
массы m1 и массы m2 ; p – оператор Лапласа.
V2
m2
FB
KТР12
Рис. 5. Расчетная схема механизма подъема
экскаватора
Расход рабочей жидкости (подачи насоса)
в гидроприводе описывается уравнением
QH
AB v1
Vш
pPB
Еш
rут PB ,
(5)
где QH – расход рабочей жидкости в гидроприводе; Vш – объем рабочей жидкости в напорной магистрали гидропривода; rут – коэффициент сопротивления утечек гидропривода;
Еш – модуль упругости рабочей жидкости.
Система регулирования подачи насоса может
быть представлена структурной схемой
(рис. 6).
ГМ
QH
ДУП
KТМ
pT1HT2H pT1H 1
K ДУП UРC
1 pTL
РУ
Рис. 6. Структурная схема системы регулирования подачи насоса
Структурной схеме электрогидравлической
системы регулирования подачи насоса соответствуют следующие дифференциальные
уравнения:
Pу
TL pPу
K ДУП U рс ;
QH T1 pQH T22 p 2QH
(6)
Pу Kгм , (7)
где Pу – гидравлическое давление управления; U рс – электрическое напряжение, постуна
катушку
K0gn
1 pT
пропорционального
p
2
K ГМ
pT1 1
циент передачи электрогидравлического механизма динамического пропорционального
управления подачей насоса; QH – подача насоса; Kгм – коэффициент передачи гидравлического механизма изменения подачи насоса
(ГМ); TL – электромагнитная постоянная
времени электрогидравлического механизма
(ДУП); T1 , T2 – постоянные времени гидравлического механизма изменения подачи; p –
оператор Лапласа.
В системе дифференциальных уравнений
(1) – (7) приняты следующие допущения:
скольжение приводного асинхронного двигателя не оказывает существенного влияния на
подачу насоса; значение времени изменения
подачи насосов от нуля до номинального
значения и наоборот принимается одинаковым для всех насосов; не учитывается изменение температуры и вязкости рабочей жидкости на величину ее утечек, т.е. рассматриваются процессы при установившейся
рабочей температуре рабочей жидкости (50–
60°С). Системе дифференциальных уравнений (1) – (7) соответствует разработанная
автором статьи структурная схема (рис. 7).
В структурной схеме (рис. 7) имеются нелинейности H 1 и H 2 , соответствующие давлению стенки PСТС насоса.
1
vш
p
Е
Qн
T22
AB
AB
H1
KД1
1
pm1
Fд
rут
КФ
H2
KД2
C12
p
AН
V2
UA
Kтр12
КА
пающее
электромагнита
блока
дистанционного
управления подачей насоса; K ДУП – коэффи-
V2
V2
1
pm2
Fв
Рис. 7. Структурная схема электрогидравлической системы подачи экскаватора
Преобразовав систему дифференциальных
уравнений (1) – (7) и выполнив соответствующие алгебраические преобразования, получим следующую передаточную функцию
по возмущающему воздействию FB при выходной величине – давлении PB в напорной
магистрали гидропривода:
PB p
( p 4b4
FB p
7
6
/( p a7
p a6
p 2 a2
p 3b3
p 2b2
5
4
p a5
b2
тр 1
2
b1
тр 1
b0
3
p a4
2
3TГ
a6
2
5 (TГ
1
;
AB
1
1
p a3
э
Г
(8)
2
1
TГ2
тр
;
1
2
5TГ ;
a7
2
ом 1
1
;
AB
pb1 b0 ) /
pa1 a0 ),
где
2
ом 1
2
1
;
AB
2
ом 1
3
);
2
T22H ;
TLT1H
3
Г
TL T1H ;
1
1
TL
T1H ;
Г
2
2TГ
a5
1
2
3TГ (
тр )
5
2
;
5
TL
T22H .
Г
2
2TГ
a4
тр
1
TГ2
3
В выражение передаточной функции (8) входят следующие физические параметры:
тр
Г
2
2
омTГ
1 K2
2
4TГ
1
2
2
омTГ
тр
;
5
;
1
TГ
Г
2
1TГ
a3
2
2
омTГ
1 K2
2
3
mэ
– постоянная времени;
СГ
K тр12
тр
mэ
трения;
1
Г
2
4TГ
m1m2
– эквивалентная масса;
m1 m2
тр
1
2
2
омTГ
mэ
тр
5
2
ом
1;
– относительный коэффициент
С12
– частота колебаний эквивалентmэ
ной массы в упругой связи;
ом
a2
2
1
2
2
омTГ
тр 1
Г
2
ом 1
3
a1
2
1TГ
1
тр
2
2
омTГ
2
b3
3
2
ом 1
1 K2 ;
тр 1
5
тр 1
тр 1
5
1
AB
;
K2
m1
m1
– коэффициент соотношения
m2
масс;
АВ2
– коэффициент относительных
Г
rут СГ
утечек;
2
ом 1 ;
a0
b4
2
2
омTГ
;
2
ом 1
Vш
– коэффициент относительного
E Kp2
модуля сжатия жидкости,
э
1
;
AB
где Kp2 Kд1 Kре Kдуп Kгм – коэффициент передачи цепи обратной связи системы
автоматического регулирования по давлению.
В формуле для коэффициентов передаточной
функции (1)–(8) введено также обозначение:
1
2
1 K2
K 2 (1 K 2 )
1 2
2
2
TГ
омTГ
тр
.
Г
Исследование передаточной функции (8),
соответствующей структурной схеме (7),
электрогидромеханической системы подъема
экскаватора удобно и наглядно осуществить
при помощи компьютерной программы
СИАМ (система имитационного автоматического моделирования). Результаты моделирования механизма подъема экскаватора как
комплексной электрогидромеханической системы будут представлены в дальнейших публикациях данного сборника.
Выводы
Анализ полученной математической модели
показывает, что в нее входят все основные
параметры электрической системы управления, гидропривода и механической подсистемы экскаватора ЭТ-15.
Полученной математической модели соответствует структурная схема рис. 7 комплексной электрогидромеханической системы экскаватора.
Предполагается исследовать забросы в напорной магистрали привода экскаватора при
копании, а также при стопорных режимах
работы при Cr=var, m1=const, m2=var, Fв
.
Литература
1. Волков Д.П., Немишин Д.А. Динамика
электромеханических систем экскаваторов. – М.: Машиностроение, 1971. – 310 с.
2. Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов. – М.: Машиностроение, 1965. – 222 с.
3. Домбовский И.Г. Экскаваторы. – М.: Машиностроение, 1971. – 256 с.
4. Ключев В.М. Ограничение динамических
нагрузок электропривода. – М.: Энергия, 1971. – 22 с.
5. Панкратов С.А. Динамика машин для открытых горных и земляных работ– М.:
Машиностроение, 1967. – 255 с.
6. Богданов Н.М. Исследование оптимальных
переходных процессов в копающих механизмах экскаваторов. – Харьков: ХАДИ,
1971. – 220 с.
7. Девяткин Ю.А. Динамические нагрузки в
подъемных и напорном механизмах карьерных экскаваторов при стопорном режиме. – Свердловск, УПИ, 1984. – 210 с.
8. Кочетков В.П. Разработка исследование
систем управления копающими механизмами одноковшового экскаватора. –
Свердловск, СТИ, 1972. – 198 с.
9. Ломакин В.П. Динамика комплексных
систем одноковшовых экскаваторов. –
К.: КИСИ, 1970. – 202 с.
10. А.С. № 1681036 от 1.06.1991 г. Адаптивный электрогидравлический привод
экскаватора. Власов А.И. и др. – 7 с.
11. А.С. № 1629634 от 22.10.1990 г. Электрогидравлический привод. Власов А.И.
другие. – 11 с.
12. А.С. № 1686407 от 22.06. 1991 г. Устройство адаптивного управления объемным
гидравлическим приводом. Власов А.И.
и другие. – 11 с.
13. А.С. № 1714219 от 22.10.1991г. электрогидравлическая система. Власов А.И. и
другие. – 15 с.
14. А.С. № 1774072 от 8.07.1992 электрогидравлическая система Власов А.И. и другие – 9 с.
15. А.С. № 1779803 от 8.08.1992 Электрогидравлическая схема Власов А.И. и другие. – 10 с.
16. А.С. № 1779805от 8.08.1992 Электрогидравлическая схема Власов А.И. и другие. – 13 с.
17. Сапожников А.И., Власов А.И., Каменская Д.А. Синтез параметров гидропривода подъема по критерию заданного
коэффициента динамичности при стопорении Доп. Укр. 09.04.1990 №632УН96. – 18 с.
18. Сапожников А.И., Власов А.И., Каменская Д.А. Система адаптивного регулирования жесткости гидравлического
объемного гидропривода. Доп. в Укр.
НИИНТНОУ 9.09.90 №632-УН90. – 22 с.
Рецензент: В.В. Ничке, профессор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 27 мая 2007 г.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
9
Размер файла
361 Кб
Теги
рабочего, экскаватор, разработка, оборудование, математические, pdf, механизм, подъема, модель, гидроприводы
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа