«СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН Методические указания для самостоятельной работы студентов специальности 150405 всех форм обучения Санкт-Петербург 2006 Министерство образования и науки Российской Федерации ...»

Дурманов М.Я.

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ПРИВОДОМ

ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН

Методические указания

для самостоятельной работы

студентов специальности 150405

всех форм обучения

Санкт-Петербург

2006

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ПРИВОДОМ

ЛЕСОСЕЧНЫХ МАШИН

Методические указания для самостоятельной работы студентов специальности всех форм обучения Санкт-Петербург Рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией лесомеханического факультета Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии 13 января 2005 г.

Составитель старший преподаватель М.Я. Д урм анов О т в. р е д а к т о р доктор технических наук, профессор В.А. А лександров Рецензент каф ед ра п р о ек ти р о ван и я сп ец и ал ьн ы х л есн ы х м аш и н СПбГЛТА Методические указания предназначены для самостоятельного изуче­ ния студентами материала по дисциплинам «Надёжность машин и обору­ дования» и «Гидропривод лесных машин».

Приводится анализ систем управления (СУ) приводом манипулято­ ров отечественных и зарубежных лесосечных машин и конструктивных особенностей их гидроприводов. Рассмотрены принципы функционирова­ ния и устройство элементов гидроавтоматики в системе управления техно­ логическим оборудованием трактора ТБ-1. Описаны динамические модели и режимы работы лесосечных машин манипуляторного типа (ЛММТ), а также влияние параметров системы управления приводом на характер и уровень нагрузок в упругих связях ЛММТ. Рассмотрены основные пара­ метры СУ приводом и их влияние на динамическую нагруженность, каче­ ство управления манипулятором и на его надёжность. Проанализированы биомеханические и эргономические аспекты проектирования СУ приводом манипулятора и рабочего места оператора ЛММТ.

Методические указания также могут быть полезными студентам дипломникам, выполняющим дипломный проект на кафедре проектирова­ ния специальных лесных машин.

Темплан 2006 г. Изд. № 45.

ВВЕДЕНИЕ

Анализ технико-экономических показателей использования манипуляторных лесосечных машин и факторов повышения их эффективности [16,25,26] показывает, что достижение большинством лесосечных машин их предельной производительности объясняется серьезными конструктив­ ными недостатками и низкой надежностью технологического оборудова­ ния (ТО) и базовых машин, а также несовершенством систем управления (СУ) приводом.

На отечественных лесосечных машинах манипуляторного типа (ЛММТ) применяются преимущественно релейные системы управления гидроприводами звеньев манипулятора по каждой степени подвижности [4,5]. Релейные СУ реализованы на базе дискретных гидрораспределителей (ГР), конструкция которых жестко лимитирует возможность управления параметрами движения звеньев манипулятора [6 ]. Корректирование скоро­ сти движения звеньев манипулятора и времени цикла технологической операции возможно только за счет управления приводящим двигателем [4].

Использование оператором указанного метода управления приводит к воз­ никновению неустановившихся режимов работы дизеля, сопровождаемых повышением часового расхода топлива и параметров изнашивания пар трения [38], а также уровня вибрации на рабочем месте оператора.

На ЛММТ второго поколения и их модификациях реализован команд­ ный метод управления манипуляторами. При этом методе требуемое дви­ жение звеньев манипулятора формируется оператором при непосредствен­ ном воздействии на рукоятки ГР. При существующей СУ приводом за один час работы оператор воздействует на органы управления до 3000 раз [17]. В соответствии с отраслевым стандартом по эргономике такой труд относится к категории очень напряж енного.

Высокая психофизиологическая и физическая нагруженность опера­ тора вследствие конструктивного несовершенства СУ, неудовлетворитель­ ных эргономических показателей рабочего места, высокой интенсивности труда и значительных информационных нагрузок в системе “внешняя сре­ да - оператор - машина - дерево”, приводят к быстрой утомляемости опе­ ратора, появлению ошибок в управлении ТО, сопровождаемых чрезмер­ ными динамическими нагрузками в металлоконструкции (МК) и приводе, снижению производительности лесосечной машины.

Эффективным направлением совершенствования СУ приводом лесо­ сечных манипуляторов можно считать направление создания некопирую­ щих манипуляторов с двухконтурным гидроприводом, мнемоническим управлением и плавным регулированием скорости движ ения звеньев [38].

Углы поворота задающей мнемонической рукоятки р ^ и исполнительного звена манипулятора р и необходимо соединить астатической связью, за­ дающей функционально по углу р ^ угловую скорость р и при номиналь­ ной частоте вращения гидронасосов.

Разработка принципиально новой СУ приводом, при одновременном улучшении эргономических показателей рабочего места оператора, позво­ лит среднестатистическому оператору оптимально согласовать свои дина­ мические и психомоторные характеристики с динамическими характери­ стиками системы при управлении оборудованием и машиной. Создание физического и психофизиологического комфорта оператору позволит сни­ зить его утомляемость, повысить коэффициент использования машинного времени и производительность машины. Реализация представленной кон­ цепции возможна на базе пропорциональной электрогидравлической си­ стемы управления (ЭГСУ), в которой управляющее воздействие может быть непрерывным или импульсным. Непрерывное управляющее воздей­ ствие используется в аналоговых (непрерывных) СУ приводом, а импульс­ ное - в системах с широтно-импульсным управлением (ШИУ) и цифровых СУ, имеющих ряд преимуществ перед аналоговыми СУ. Например, Ш ИУ приводом характеризуется малой чувствительностью к загрязнению и ва­ рьированию вязкости рабочей жидкости для широкого диапазона рабочих температур окружающей среды, возможностью аппаратного корректиро­ вания р и [44], а цифровые СУ позволяют организовать эффективное ком­ плексное управление приводом манипулятора, гидронасосами (по нагруз­ ке), двигателем и гидростатической трансмиссией машины, а также опре­ деляют высокие эргономические показатели рабочего места оператора.

В заключение необходимо отметить, что существует не только весьма ограниченное количество работ, посвященных пропорциональным СУ приводов лесных машин [15], но и промышленных образцов ЛММТ с ЭГСУ устоявшейся конструкции и отечественной элементной базой. При этом разработчиками СУ являются, как правило, сторонние организации, не владеющие спецификой работы ЛММТ, что негативно сказывается на эффективности и устойчивости работы привода в условиях лесосеки.

Конкурентоспособность и эффективность современной ЛММТ, а так­ же ее надежность, ремонтопригодность и стоимость определяются кон­ кретным типом СУ приводом в зависимости от вида управляющего воз­ действия, - на этом строится принципиальная схема управления, форми­ руются рабочее место оператора и его эргономические показатели. И ссле­ дований, посвященных разработке концепций, методик расчета и проекти­ рования ЭГСУ с различными управляющими воздействиями для лесосеч­ ных машин, на уровне литературного обзора отечественных публикаций не обнаружено, несмотря на очевидную ак ту ал ьн о сть проблемы.

1. А Н А Л И З С И С Т Е М У П Р А В Л Е Н И Я П РИ В О Д О М М А Н И П У ­

ЛЯТО РОВ О ТЕЧЕСТВЕН Н Ы Х ЛМ М Т И КО Н СТРУКТИ В­

Н Ы Х О С О Б Е Н Н О С Т Е Й ИХ Г И Д РО П РИ В О Д О В

В гидроприводах отечественных ЛММТ применяются преимущ е­ ственно ручны е системы управления с механическим приводом непосред­ ственного действия [1-5], в которых сигналы управления от оператора че­ рез систему рычагов и тяг передаются на запорно-регулирующий элемент ГР в приводе звена манипулятора (рис.1). Ш ироко используемые в приво­ дах лесосечных машин трех-четырехпозиционные ГР дискретного дей­ ствия с ручны м управлением типа Р20, Р25, Р32, Рн203, Р75, Р150 и др.

(табл.1 ), обеспечивают релейное управление и имеют зону нечувствитель­ ности, вследствие применения в их конструкции цилиндрических золотни­ ков с полож ительным осевым перекрытием. Последние обусловливают возникновение значительных пиков давления в магистрали насосраспределитель при переключениях в момент прохождения золотником нейтрального положения [6,7].

Несовершенство СУ приводом лесосечных манипуляторов состоит в том, что возможность управления параметрами движения звеньев манипу­ лятора жестко лимитирована конструкцией дискретных ГР и цилиндриче­ ских золотников, а управление наиболее нагруженными в динамическом отношении пуско-тормозными режимами фактически полностью опреде­ ляется субъективными действиями оператора. Единственной возможно­ стью корректирования скорости движения звеньев манипулятора, времени цикла Т ц технологической операции и интенсивности пуско-тормозных режимов является управление приводящим двигателем [8 ], т.е. регулирова­ ние подачи гидронасоса, изменением частоты вращения коленчатого вала Рис.1. Схема ручного управления золотником гидрораспределителя: 1- крышка распределителя верхняя; 2- золотник; 3- корпус; 4- рычаг; М^щ) - максимальный мо­ мент от управляющего воздействия на рукоятке распределителя, Н - м.

Характеристики систем релейного управления приводом гидроманипуляторов отечественных ЛММТ второго поколения приводом манипулятора с машин­ с дроссельным управлением дах управления ТО но-поршневой НШ-100 - шневой НШ-100 НШ-

ПР ПР ПР

Тип гидрораспределителей клапанно-золотниковый, дискретный в приводах управления ТО насосов в приводах управ­ ления N эф н, кВт тельной гидроаппаратуры в приводах управления Тип гидроцилиндров в при­ поршневые одноштоковые (несимметричные) поступа­ водах управления звеньев тельного движения двустороннего действия манипулятора Способ регулирования ско­ специ­ приводящим двигателем ( изменением ча­ рости движения выходного стоты вращения коленчатого вала дизеля) звена гидродвигателя исполне­ Характер нагрузок в гидро­ затухающий колебательный, со случайными значения­ приводе Приводы управления звень­ независимые, с разомкнутым потоком рабочей жидко­ ями манипулятора Сокращения: РК - раздаточная коробка; ВОМ - вал отбора мощности; ПР- повы- шающий редуктор; ДВС- двигатель внутреннего сгорания.

(КВ) дизеля (рис.2). Активное изменение оператором управляющего воз­ действия по частоте вращения КВ приводит к возникновению неустановившихся реж имов работы дизеля, сопровождаемых повышением часово­ го расхода топлива и величины объемного изнашивания пар трения цилиндро-поршневой группы дизельного двигателя [9,10]. Последняя являет­ ся одним из наиболее значимых факторов, определяющих средний ресурс дизеля до капитального ремонта [1 1, 1 2 ].

На ЛММТ второго поколения и их модификациях реализован ко­ мандный метод управления манипуляторами. При этом методе требуемое движение звеньев манипулятора формируется оператором при непосред­ ственном воздействии на рукоят ки ГР. За время одного технологического цикла оператор выполняет в среднем 7-13 операций с 21-40 воздействиями на органы управления [28]. При средней продолжительности одного тех­ нологического цикла 40-45 с за один час работы оператор воздействует на органы управления до 3000 раз. В соответствии с отраслевым стандартом по эргономике такой труд относится к категории очень напряж енного.

Сложное движение рабочего органа манипулятора при выполнении технологических операций представляет собой совокупность независимых угловых перемещений стрелы, рукояти и поворотной колонны, что опре­ деляется независимостью гидравлических контуров управления этих звень­ ев. Основная гидравлическая система ЛММТ, обеспечивающая управление и привод всех основных механизмов и элементов ТО, выполнена двухпо­ точной (рис.3) или двухнасосной (см. рис.2). Такая система позволяет сов­ мещать операции, т.е. управлять одновременно двумя звеньями манипуля­ тора [1-5]. Величина, угловая скорость перемещений и количество Рис.2. Принципиальная схема релейной двухнасосной системы управления двухпозиционным приводом звеньев манипулятора лесосечных машин ТБ-1, ЛП-18А, ЛП-17 и ЛП-49.

Рис.3. Принципиальная схема релейной двухпоточной системы машиннодроссельного управления двухпозиционным приводом звеньев манипулятора ВПМ ЛП-19А: УСМ - упругая соединительная муфта.

релейных включений звеньев гидроманипулятора (ГМ) полностью опреде­ ляются субъективными психофизиологическими и физическими особенно­ стями человека-оператора, его квалификацией [28,30-32] и спецификой пе­ реместительных технологических операций (пакетирование), выполняе­ мых машинами на лесосеке. Гидропривод ЛММТ при пакетировании дере­ вьев функционирует как двухпозиционный, однако координаты исходной и конечной позиций, а следовательно величины реализуемого вылета и углов поворота звеньев ангулярного ГМ, являются непрерывными случайными величинами [33].

Релейные СУ манипулятора лесосечной машины на базе дискретных ГР определяют только пуск и остановку процесса перемещения звеньев по каждой степени подвижности без учета его качества, одним из критериев которого является динамическая нагруж енность привода. Работы [34-36] содержат рекомендации по улучшению качественных показателей конту­ ров управления звеньев ГМ за счет использования дополнительной гид­ равлической аппаратуры - дросселя или регулятора расхода (РР), установ­ ленных на выходе гидродвигателя (рис.4), и пневмогидроаккумулятора (ПГА). Предлагаемые схемы дроссельного управления (регулирования) позволяют изменять скорость движения выходного звена гидродвигателя и снизить динамическую нагруженность приводов при пуско -тормозных ре­ жимах движения звеньев ГМ [6,7,37-40]. Однако, варьирование в широком диапазоне массовых и жесткостных параметров деревьев и сложный х а­ рактер взаимодействия рабочего органа манипулятора с деревом при паке­ тировании последнего, определяющие специфику работы лесосечной ма­ шины, не позволяют синтезировать управляющее гидроустройство с опти­ мальными параметрами дросселирующей пары "золотник-втулка" [34].

Ручное управление дросселем или РР характеризуется дополнительными каналами управления по каждой степени подвижности ГМ, что повышает и без того значительную информационную и психофизиологическую нагруженность оператора [28,32], и усложняет привод. Автоматическое управление дросселем или РР в квазиоптимальном режиме с учетом слу­ чайных массовых и жесткостных параметров деревьев технически сложно реализуемо.

Изменение нагрузки на штоках гидроцилиндров (ГЦ) управления звеньев ГМ при выполнении технологических операций носит затухаю­ щий колебательный характер с изменяющимися периодом, частотой, ам­ плитудой и интенсивностью затухания [28,30,41,42]. Типовые способы дроссельного управления лимитируются мощностью на выходном звене гидродвигателя Ыг д = R = 0,5...3,0 кВти не обеспечивают достижения стабильных скоростей движения выходного звена при колебательном х а­ рактере нагрузки вследствие структурной неравномерности расхода, Рис.4. Схемы дроссельного управления и характер зависимостей p = f ( R ) и ур = f (R) при установке дросселя ( а ) и регулятора расхода ( б ) на выходе гидродвигателя привода звена манипулятора.

свойственной дроссельному регулированию [7]. Поскольку показатели стабильности скорости движения звена ГМ ЛММТ не нормированы, то схема с установкой дросселя на выходе гидродвигателя приоритетна по критерию динамической нагруж енности, - противодавление р 2 = Р 3 + + Ардр ^ const (см. рис.4.а) оказывает тормозящее действие на поршень ГЦ и снижает динамическую нагруженность пуско-тормозных режимов при знакопеременных нагрузках [6,7]. Применение РР позволяет уменьшить структурную неравномерность расхода в контуре управления звена ГМ.

Схема с установкой РР на выходе гидродвигателя (см. рис.4 б) характери­ зуется ж есткой механической характеристикой контура управления (ма­ лое влияние нагрузки R на скорость у р ) и удовлетворительной динамиче­ ской нагруженностью привода [6,7,43]. Однако, исследованиями [7] уста­ новлено, что для данной схемы существует возмож ность нарушения ст а­ билизации расхода через дроссель при низкочастотном колебательном х а ­ ракт ере изменения нагрузки f = 8...16 Гц (ю = 50...100 с-1). Указанный ча­ стотный диапазон колебаний нагрузки на штоке ГЦ граничит с частотой колебаний деревьев при пакетировании и собственными частотами коле­ баний звеньев ГМ [28,30,41,42], что не исключает возможность возникно­ вения резонансного реж им а, при котором низкочастотное возмущение с частотой 8 < f < 16 Гц не воспринимается поршнем редукционного клапана РР, а передается непосредственно на вход дросселя. Это означает, что ста­ билизация Ардр = const по существу отсутствует и схема рис.4 б начинает работать как обычная схема дроссельного регулирования рис.4 а, значи­ тельно снижая эффективность схемы управления с использованием РР.

Учитывая, что дросселирование увеличивает потери мощ ности и от­ рицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках рабочей жидкости и привода, а снижение динамической нагруженности контура управления звена ГМ на переходных режимах работы осуществляется за счет ухудшения эргономических показателей СУ и усложнения привода, то схемы дроссельного управления (см. рис.4) в конструкциях современ­ ных СУ ЛММТ применения не нашли (рис.5).

Контуры управления элементами ТО отечественных ЛММТ второго поколения (см. рис.5) характеризуются ж есткой функциональной взаимо­ связью дискретных ГР с предохранительными и разгрузочными клапанами в приводах звеньев ГМ, что объясняется следующими конструктивными особенностями ГР, цилиндрических золотников и гидроклапанов.

В конструкции дискретных ГР Р75-43-ПГ-1А и Р75-43-ПГ-2Б, входя­ щих в состав распределительного устройства Р75-46-ПГ, Р150-13-20 и др.

(см. табл.1 ) отсутствует автоматическая фиксация золотников в рабочих позициях, - демонтирован шариковый фиксатор 2 (рис. 6 а), и устройство Рис.5. Принципиальная схема гидропри­ вода звена манипулятора:

а) стрелы ( ТБ-1, ЛП-17, ЛП-18А );

б) рукояти ( ТБ-1, ЛП-17, ЛП-18А );

в) механизма поворота ( ТБ-1, ЛП-17 );

г) стрелы ВПМ ЛП-19;

д) механизма поворота ВПМ ЛП-19;

ГЦ - гидроцилиндр; РК - разгрузочный клапан; D - дроссельный канал; ПК предохранительный клапан; КО - обрат­ ный клапан; КПп - клапан подпитки; БК блок клапанов; БФ - блок фильтров; ГМ гидромотор.

Рис. 6. Цилиндрический золотник с положительным осевым перекрытием ГР ти­ па Р75/Р150 ( а ); параметры движения звена ГМ с релейной СУ гидроприводом ( б );

жесткостная характеристика возвратной пружины золотника ( в ).

автоматического возврата золотников из рабочих положений в нейтраль­ ное при достижении определенного давления в напорной гидролинии [1-4,6]. Золотники в позициях "Подъем" и "Опускание" фиксируются вруч­ ную при осуществлении управляющего воздействия. Возврат в нейтраль­ ное положение происходит автоматически под действием цилиндрической возвратной пружины сжатия 3 золотника 1 (см. рис. 6 а), после снятия управляющего воздействия с рукоятки управления. Таким образом, урав­ нения движения золотника дискретного ГР при переходных режимах рабо­ ты можно записать следующим образом:

где x - перемещение золотника из нейтрального положения в рабочее, м;

m з - масса золотника, кг; 3 - коэффициент вязкого трения (параметр демп­ фирования) на золотнике, Н С; Спр - коэффициент жесткости пружины золотника, — ; Яг д - гидродинамическая сила на золотнике, Н; Рупр - сила управляющего мануального воздействия оператора, Н.

Сила пружины Гпр = Спр x при деформации x = X р, соответствующей перемещению золотника в рабочее положение, определяется выражением [44] где E7- модуль упругости второго ряда, ——; d_ - диаметр проволоки, м;

D 0 - средний диаметр пружины, м; i - число рабочих витков.

Зависимость Епр = f ( x ) для цилиндрических пружин сжатия имеет линейный характер (см. рис. 6 в) [44].

нейтральное характеризует интенсивность переходных процессов в при­ воде и их динамические характеристики. У дискретных ГР tп не регули­ руется: tп = 0,1 0...0, 1 5 с [28,30, 41,42] и на основании (1) и (2) определяется коэффициентом жесткости Спр пружины, рабочим ходом золотника x = Х р, параметром демпфирования в и гидродинамическими силами на золотнике Яг д. Суммарное воздействие параметров в ---- ь Яг $ при диаметdt ре золотника d 3 = 20...25 мм и Ар = 10 М Па оценивается усилием 25... Н [40]. Влияние РуП на величину tп нормируется силой Fnp = Спр x.

Динамические характеристики гидропривода с релейным включением определяются не только временем переключения золотника tп, но и фор­ мой рабочих поверхностей последнего и соответствующей расходной ха­ рактеристикой дискретного ГР. Изменение проходных сечений каналов ГР Р75 с условным проходом Б у = 16 мм (ГОСТ 16516) и Р150 с Dy = 25 мм может быть аппроксимировано трапецеидальной характеристикой, учиты­ вающей величину положительного осевого перекрытия | 0 —Ху| и одно­ значно определяемой четырьмя положениями золотника x j, x 2, хз, х ^ [38,45,46]:

Расход через канал ГР, линеаризованный относительно Q, выражает­ ся дифференциальным уравнением [45,46] где B - параметр, учитывающий инерционность столба жидкости l в кана гидравлического сопротивления канала; f (x) - площадь проходного сече­ ния канала в функции перемещения золотника (4); Ap - перепад давления на канале; p - плотность рабочей жидкости; Q - расход через канал ГР.

Графические зависимости рис. 6 б, отражающие режим воспроизведе­ ния релейным приводом заданной величины перемещения А(рз звена ГМ, как наиболее нагруженного и типичного переходного режима, показывают, что динамические характеристики приводов данного типа ограничены по ускорению s и управляющ ему момент у М у = J z s [36,47] с резкими изме­ нениями нагрузки в середине и на границах цикла, определяемых време­ нем управления tу.

Таким образом, жесткий режим переключений золотника при непро­ грессивной расходной характеристике дросселирующей щели канала ГР [48] и нерегулируемое время переключений золотника tп определяют зна­ чительную динамическую нагруженность переходных режимов и возник­ новение пиковых нагрузок в приводе. Для защиты звеньев ГМ от перегру­ зок в контуры управления по каждой степени подвижности введены предо­ хранительные клапаны: напорные гидроклапаны ГР Р75-43-ПГ-1А и Р150разгрузочные клапаны стрелы, рукоят и и блок клапанов механизма поворота (рис.7 - 9).

Однако, исследованиями [49-54] установлено, что используемые в приводах Л М М Т предохранительные клапаны эффективной защиты при­ вода не обеспечивают, т.к. их динамические характеристики (быстродей­ ствие и чувствительность к Ар) не соответствуют динамическим пара­ метрам переходных реж имов. Неудовлетворительная работа клапанов в контурах управления звеньев ГМ определяется статическими методами их расчета, не учитывающих схему, характер нагружения и динамические характеристики рабочих процессов привода [55-57].

В ы воды : 1. На отечественных ЛММТ применяются ручные СУ с м е­ ханическим приводом непосредственного действия на запорно регулирующий элемент ГР и командный метод формирования управляю ­ щих воздействий по каждой степени подвижности манипулятора. Базовы­ ми элементами привода являются дискретный ГР с цилиндрическим зо ­ лотником и положительным осевым перекрытием, определяющие релей­ ный закон управления, и система предохранительных и напорных клапа­ нов. Возможность управления параметрами движения звеньев манипуля­ тора и временем переключения золотника tп жестко лимитирована кон­ струкцией ГР.

2. Корректирование скорости движения звена ГМ (ри / d t, времени цик­ ла Тц технологической операции и интенсивности пуско -тормозных реж и­ мов возможно за счет нерационального метода управления приводящим двигателем.

3. Релейные СУ характеризуются высокой динамической нагруженностью переходных процессов в приводе вследствие жесткого режима пере­ ключений золотника, обусловливающего резкое изменение нагрузки в се­ редине и на границах цикла, и усугубляющейся неудовлетворительной работой предохранительных клапанов, что в целом определяет низкую надежность приводов этого типа.

делителя Р75 - 43 - ПГ - 1А ( Р150-13-20 ): поворота: 1- корпус; 2, 15 - уплотнительные 1-корпус; 2,10-гнезда; 3-клапан; 4,13-пружины; 5,12- кольца; 3- гнездо обратного клапана; 4 - гнездо направляющие; 6,7,15,17 - кольца уплотнительные; предохранительного клапана; 5, 12 - шарики 8 -упор; 9-прокладка; 11- шарик; 14 -винт регулиро­ обратных клапанов; 6 - направляющая клапана;

Рис.9. Разгрузочные клапаны: а - стрелы; б - рукояти; 1 -корпус; 2 -плунжер; 3­ пружина; 4-крышка; 5-планка; 6 -шайба; 7-гнездо предохранительного клапана; 8 -шарик 9­ направляющая клапана; 10,16-уплотнительные кольца; 1 1 -корпус предохранительного клапана; 1 2 прокладка; 13-колпачок; 14-винт регулировочный; 15-пружина предохранительного клапана.

2. Э Л ЕМ ЕН ТЫ ГИ Д РО А ВТО М А ТИ КИ В СИ С ТЕМ Е У П РА ВЛЕН И Я

Т ЕХ Н О Л О ГИ Ч ЕС К И М О БО РУДО ВАН ИЕМ ТРА КТОРА ТБ-

Гидросистема управления технологическим оборудованием трактора ТБ-1 имеет элементы защиты, предохраняющие от перегрузок как метал­ локонструкцию манипулятора и коникового зажимного устройства (КЗУ), так и саму гидросистему управления стрелой, рукоятью, поворотом мани­ пулятора и зажимным коником [3,4,22]. По функциональному назначению (защита гидросистемы от перегрузок) и конструктивному исполнению раз­ грузочные клапаны стрелы и рукояти, блок клапанов механизма поворота и гидропанель КЗУ являются элементами гидроавтоматики [14]. Элемен­ ты гидроавтоматики включены в систему гидропривода между распреде­ лителем и гидроцилиндрами.

Р азгр у зо ч н ы й к л а п а н стрелы. Для предохранения привода и кон­ струкции стрелы от возможных перегрузок при резкой остановке стрелы с грузом, при вытаскивании деревьев ходом трактора и в других случаях в системе привода стрелы (см. рис.5, а) установлен разгрузочный клапан плунжерного типа с шариковым управляющим клапаном (гидроклапан не­ прямого действия, ГОСТ 17752-72), конструкция которого показана на рис.9 а, а схема подключения к системе - на ри с.10 [3,4,14,22].

Работа разгрузочного клапана стрелы на различных возможных режи­ мах работы гидроманипулятора (режимы А, Б и В) показана на рис. 11.

В режиме А стрела активно опускается под действием рабочей ж идко­ сти, беспрепятственно поступающей от насоса НШ -50К (см. рис. 5, а) через гидрораспределитель и соответствующие полости разгрузочного клапана стрелы (см. рис.10 и 11) в штоковые полости гидроцилиндров стрелы. О д­ новременно часть рабочей жидкости разгрузочным клапаном перепускает­ ся на слив через дроссельное отверстие а, что снижает возможную ско­ рость опускания стрелы с грузом и, следовательно, предохраняет гидрома­ нипулятор в этом режиме работы от больших внешних динамических нагрузок. Если же в этом режиме (при поступлении рабочей жидкости от насоса) опускающаяся стрела встретит препятствие и затормозит, то пере­ грузок в гидросистеме привода и в конструкции стрелы не возникает, так как при избытке давления в гидросистеме сработает предохранительный клапан гидрораспределителя (см. рис.7), отрегулированный на давление МПа.

Режимы Б и В соответствуют такой работе гидроманипулятора, когда поступление рабочей жидкости от насоса к гидроцилиндрам стрелы пре­ кращено (например, при быстрой остановке груза, - когда соответствую­ щий золотник гидрораспределителя поставлен в «запертое» положение).

При быстрой остановке опускавшегося груза на манипулятор будет дей­ ствовать инерционное усилие груза, которое должно вызвать в перекрытой от слива бесштоковой полости гидроцилиндров стрелы повышенное дав­ ление (перегрузку в приводе стрелы). От перегрузок в реж имах Б и В стрелу предохраняет разгрузочный клапан стрелы.

При малых перегрузках (режим Б) срабатывает управляющий шари­ ковый клапан. Он открывается и перепускает небольшой поток жидкости на слив.

При больших перегрузках (режим В) вначале также срабатывает управляющий шариковый клапан, а затем, под действием большой разно­ сти давления перед дроссельным отверстием в и за ним плунжер разгру­ зочного клапана, преодолевая усилие пружины, смещается и перепускает основной поток рабочей жидкости на слив и в противоположные (ш токо­ вые) полости гидроцилиндров. Этим достигается предохранение системы от возможно большего повышения давления.

Дроссельное отверстие а в корпусе разгрузочного клапана стрелы, со­ единяя постоянно штоковые полости гидроцилиндров стрелы со сливной магистралью гидросистемы, не только ограничивает, как показано выше, давление на опускание стрелы, но и устраняет возможные перегрузки гид­ роцилиндра рукояти при нахождении его в запертом положении.

Рис.11. Работа разгрузочного клапана стрелы: А - режим опускания стрелы под действием рабочей жидкости, поступающей в штоковую полость гидроцилиндра стрелы от насоса; перегрузок в системе нет; Б - режим нерезкого торможения при опускании стрелы; поступление рабочей жидкости от насоса перекрыто в гидрораспределителе; небольшие перегрузки в бесштоковой поло­ сти гидроцилиндра стрелы ликвидируются разгрузочным клапаном стрелы; В - режим резкого торможения при опускании стре­ лы; поступление рабочей жидкости от насоса перекрыто; перегрузки в бесштоковой полости гидроцилиндра ликвидируются раз­ грузочным клапаном стрелы;

х - рабочая жидкость через разгрузочный клапан поступает в штоковую полость гидроцилиндра стрелы; • - рабочая жидкость че­ рез разгрузочный клапан поступает из бесштоковой полости гидроцилиндра стрелы.

Ш ариковый управляющий клапан отрегулирован на давление сраба­ тывания 11,5+0,5 МПа.

Разгрузочный клапан стрелы закреплен в верхней части центрального коллектора, а на его корпусе имеется маркировка - буква С.

Р азгрузоч н ы й к л а п а н рукояти. Для защиты привода и конструкции рукояти от возможных перегрузок при вытаскивании деревьев ходом трак­ тора или воздействии на рукоять других внешних сил в системе ее привода со стороны бесштоковой полости гидроцилиндра рукояти установлен раз­ грузочный клапан плунжерного типа с шариковым управляющим клапа­ ном (см. рис.5, б) [3,4,14,22].

Конструкция разгрузочного клапана рукояти аналогична конструкции разгрузочного клапана стрелы (см. рис.9). Клапаны отличаются лиш ь кор­ пусами, - в корпусе разгрузочного клапана рукояти отсутствует дроссель­ ное отверстие а, соединяющее штоковую полость цилиндра со сливом.

Как и клапан стрелы, разгрузочный клапан рукояти закреплен в верх­ ней части центрального коллектора, а на корпусе клапана имеется марки­ ровка - буква Р.

Ш ариковый управляющий клапан отрегулирован на давление сраба­ тывания 11,5+0,5 МПа.

Б л о к к л ап ан о в м еханизм а поворота. Для защиты гидропривода по­ ворота манипулятора и конструкции последнего от перегрузок при воздей­ ствии на манипулятор внешних сил при нейтральном положении золотни­ ка гидрораспределителя и для предотвращения забросов давления при рез­ ком прекращении поворота в гидросистеме привода поворота манипулято­ ра (см. рис.5 в) установлен блок клапанов механизма поворота [3,4,14,22].

Конструкция блока клапанов представлена на рис.8, а схема подключения к системе - на рис. 1 2.

Блок клапанов механизма поворота состоит из регулируемого предо­ хранительного и четырех обратных шариковых клапанов. Предохрани­ тельный клапан отрегулирован на давление срабатывания 11,5+0,5 М Па и может при работе механизма поворота подключаться через один из обрат­ ных клапанов, нагруженных общей пружиной, к полости гидроцилиндра с повышенным давлением. Два других обратных клапана установлены в сливной магистрали гидросистемы и обеспечивают подсоединение поло­ сти гидроцилиндра с пониженным давлением к сливу.

Работа блока клапанов при различных режимах нагружения механиз­ ма поворота гидроманипулятора показана на рис.13. Направление движ е­ ния рабочей жидкости показано стрелками; если оно перпендикулярно плоскости рисунка, то обозначено: сплошными черными кружками - вверх;

крестиками - вниз.

Рис.12. Схема подключения блока клапанов механизма поворота манипулятора:

1 - корпус предохранительного клапана; 2 - винт регулировочный; 3 - колпачок; 4 - направляющая предохранительного клапана; 5 - гнездо предохранительного клапана; 6 - шарик 0 12 мм; 7 - шарик 0 19/32/7(0 15,1 мм); 8 - гнездо обратного клапана; 9 - корпус; 10 - пробка.

В режиме А осуществляется активный поворот манипулятора в одну из сторон. При этом рабочая жидкость от насоса через гидрораспредели­ тель поступает, например, в штоковую полость гидроцилиндра поворота, а из бесштоковой - на слив. Возможные перегрузки при внезапной встрече с препятствием в этом режиме ликвидируются предохранительным клапа­ ном гидрораспределителя (см. рис.7).

В режиме Б при нейтральном («запертом») положении золотника гид рораспределителя (например, при преднамеренной остановке поворота ма­ нипулятора) один из обратных клапанов, соединенных общей пружиной, под воздействием повышенного давления в штоковой полости гидроци линдра поворота перепускает рабочую жидкость из этой полости к предо­ хранительному шариковому клапану, который, в свою очередь, перепуска­ ет рабочую жидкость на слив, благодаря чему исключаются перегрузки в механизме поворота.

Режим В аналогичен режиму Б, но применителен к бесштоковой п о ­ лости гидроцилиндра поворота.

Рис.13. Работа блока клапанов механизма поворота манипулятора: А - режим поворота гидроманипулятора под действием рабочей жидкости, поступающей в гидроцилиндр привода от насоса через распределитель; перегрузок в системе нет; Б, В - ре­ жимы нерезкого торможения при повороте гидроманипулятора (малые перегрузки в гидроприводе поворота); гидрораспредели­ тель находится в запертом положении; Г - режим резкого торможения при повороте или приложения большой внешней нагрузки к гидроманипулятору в горизонтальной плоскости при запертом распределителе (большие перегрузки в гидроприводе поворота).

Направление потоков рабочей жидкости, перпендикулярных плоскости рисунка, обозначено: х - вниз; • - вверх.

В режиме Г в одной из полостей гидроцилиндра поворота (на рисунке - в бесштоковой полости) может возникнуть большое давление под дей­ ствием груза на повороте.

В этом случае блок клапанов предотвращает возникновение перегру­ зок в приводе поворота и опасных напряжений в конструкции манипуля­ тора следующим образом. Под действием большого потока рабочей ж ид­ кости из бесштоковой полости открываются последовательно: один из об­ ратных клапанов, соединенных общей пружиной, предохранительный кла­ пан и затем обратный клапан, установленный в сливной магистрали. При этом увеличенный поток рабочей жидкости из нагруженной полости гид­ роцилиндра поворота перепускается как на слив, так и в противоположную полость цилиндра поворота, т. е. в полость с пониженным давлением, за­ полняя ее.

Г идропри вод К ЗУ предназначен для выполнения нескольких задач [3,14]. Он обеспечивает: раскрытие и закрытие зажимных рычагов коника;

поворот коника вокруг горизонтальной оси вперед и назад по ходу тракто­ ра; регулируемое усилие зажима пачки деревьев в зависимости от способа трелевки (за комли или за вершину); автоматическую установку гидроци­ линдра поворота коника в плавающее положение при определенном уси­ лии зажима пачки деревьев (рычаги коника закрыты); фиксацию коника при разгрузке пачки и движении трактора без груза и снятие фиксации при трелевке пачки деревьев; ограничение давления в нерабочих полостях гид­ роцилиндров - в штоковой полости гидроцилиндра зажимных рычагов и бесштоковой полости гидроцилиндра поворота коника.

Для выполнения указанных задач в гидроприводе зажимного коника применены, кроме соответствующих гидроцилиндров, дополнительные гидроагрегаты: гидропанель и гидроуправляемый фиксатор коника.

На рис.14 приведено устройство гидропанели коника. Гидропанель управления гидроцилиндрами и фиксатором коника состоит из гидро­ управляемого гидрозамка 1 с конической запорной частью основного кла­ пана и вспомогательным шариковым клапаном; гидроуправляемого плун­ жера 2 (шунтирующего золотника) с обратным шариковым клапаном и фиксирующим устройством 3 (фиксатором плунжера); регулируемого предохранительного клапана 5 гидроцилиндра зажимных рычагов и нере­ гулируемого предохранительного клапана 4 фиксатора коника. Фиксатор коника на рисунке ( на принципиальной схеме гидропанели ) обозначен буквой Ф.

На рис.15 и 16 показана работа гидропанели и фиксатора коника при выполнении трелевочным трактором ТБ-1 следующих технологических операций: загрузка в коник комлей или вершин деревьев (хлыстов) и за­ жим их в конике; удержание пачки в конике при трелевке; разгрузка пачки.

Рис. 14. Гидропанель коникового зажимного устройства: 1 - гидрозамок; 2 - плунжер; 3 - фиксатор плунжера; 4 - предохрани­ тельный клапан; 5 - клапан регулирования усилия зажима пакета.

Направления потоков жидкости в соответствующие рабочие цилин­ дры и в фиксатор коника при различных положениях плунжера на рисун­ ках показаны стрелками.

Рассмотрим по отдельности назначение и работу основных устройств гидропанели коника и его фиксатора.

Г ид розам ок предназначен для предотвращения при трелевке утечек масла на слив из бесштоковой полости гидроцилиндра зажимных рычагов через зазоры по рабочим пояскам золотника распределителя после оконча­ ния зажима пачки и установки золотника гидрораспределителя в ней­ тральное положение [3,14].

Работает гидрозамок следующим образом. При закрытии рычагов ко ­ ника (зажим пачки) (см. рис.15,А и 16,А) масло от распределителя прохо­ дит через отверстие В в полость гидрозамка, открывает его конусный кла­ пан и далее, пройдя через отверстие А, поступает в бесштоковую полость гидроцилиндра рычагов. После окончания рабочего хода штока (пачка за­ жата) и установки золотника гидрораспределителя в нейтральное положе­ ние конусный клапан закрывается под действием возвратной пружины гидрозамка, надежно перекрывая выход маслу из бесштоковой полости гидроцилиндра рычагов при транспортировке пакета деревьев.

При раскрытии рычагов коника (см. рис.15,В; 16,В) рабочая жидкость от распределителя поступает одновременно в штоковую полость цилиндра зажимных рычагов и через канал Г в полость гидроуправляемого плунжера (шунтирующего золотника) со стороны его фиксирующего устройства.

Под действием небольшого давления плунжер перемещается в сторону гидрозамка и своим упором открывает сначала шариковый, а затем конус­ ный клапан гидрозамка. При открывании шарикового клапана происходит разгрузка конусного клапана гидрозамка от противодавления в бесштоковой полости цилиндра рычага, чем достигается открытие гидрозамка при небольшом давлении управления и максимально возможном противодав­ лении на клапаны гидрозамка со стороны бесштоковой полости гидроци­ линдра зажимных рычагов.

При открытии гидрозамка рабочая жидкость из бесштоковой полости гидроцилиндра рычага поступает через отверстие А, гидрозамок, отверстие В и гидрораспределитель на слив.

Г и д р о у п р авл яем ы й плунж ер (шунтирующий золотник) предназна­ чен для автоматического обеспечения нормальной работы гидропривода поворота зажимного коника вокруг горизонтальной оси при погрузке или разгрузке пачки деревьев и при ее трелевке, а также обеспечивает автома­ тическое открытие гидрозамка гидропривода зажимных рычагов при их раскрытии [3,14].

Рис.15. Положение плунжера гидропанели и направление потоков рабочей жидкости при работе коникового зажимного устройства на режимах: А - зажим пакета; Б - трелевка пакета; В - разгрузка пакета.

Направление потоков рабочей жидкости, перпендикулярных плоскости рисунка, обозначено: х - вниз; • - вверх.

Рис.16. Принципиальная схема функционирования гидропанели при работе КЗУ на режимах: А - зажим пакета; Б - трелевка пакета; В - разгрузка пакета.

Работает гидроуправляемый плунжер следующим образом. Под дей­ ствием давления рабочей жидкости, подаваемой в торцевые полости гид­ роуправляемого плунжера со стороны гидрозамка или со стороны фикси­ рующего устройства из соответствующих полостей гидроцилиндра зажим­ ных рычагов коника (эти полости подсоединены к соответствующим тор­ цевым полостям гидроуправляемого плунжера), гидроуправляемый плун­ жер может быть установлен в одно из двух положений: «нейтральное» или «плавающее».

В нейтральном положении, при раскрытии зажимных рычагов (см.

рис.15,В; 16,В), плунжер разъединяет полости гидроцилиндра поворота (наклона) зажимного коника и обеспечивает, при подаче рабочей жидкости от насоса в соответствующую полость гидроцилиндра, поворот коника вперед (разгрузка пачки) или назад (для погрузки деревьев в коник) по хо­ ду трактора, а также фиксацию гидроцилиндра поворота в любом проме­ жуточном положении. Гидрозамок открыт.

При установке гидроуправляемого плунжера в «плавающее» положе­ ние (зажимные рычаги коника закрыты, пачка или отдельное дерево заж а­ ты, см. рис.15,А,Б; 16,А, Б) полости гидроцилиндра поворота зажимного коника при нейтральном положении золотника гидрораспределителя со­ единяются между собой и через канал Т и дроссельную трубку Д штоковой полости гидроцилиндра зажимных рычагов со сливом, обеспечивая при транспортировке пачки свободный поворот коника вокруг его горизон­ тальной оси. Гидрозамок закрыт. В рабочих положениях плунжер гидро­ панели удерживается шариковым фиксирующим устройством.

Ф и к сатор заж им ного к о н и к а предназначен для фиксирования поло­ жения коника при разгрузке пакета и холостом ходе трактора, что обеспе­ чивает затем беспрепятственную погрузку деревьев в коник на лесосеке.

Фиксатор одностороннего действия устанавливается в направляющей втулке опорной плиты коника и состоит из подпружи-ненного стержня 2 с конической по­ верхностью на конце и плунжерного гидро­ цилиндра 1 0, рабочая полость которого со­ единена постоянно с рабочей (штоковой) п о­ лостью гидроцилиндра поворота зажимного коника (рис.17).

Фиксатор зажимного коника работает следующим образом. Под действием давле­ ния рабочей жидкости при включении ш то­ ковой полости гидроцилиндра поворота ко­ ника (разгрузка коника с поворотом послед­ него под пачкой вперед по ходу трактора, при этом пачка оказывается на разгрузочном ролике) фиксатор коника включается и пре­ пятствует повороту последнего вокруг вер­ тикальной оси (см. рис.15,В; 16,В).

При установке гидроцилиндра поворота Рис.17. Фиксатор КЗУ:

коника вокруг горизонтальной оси в плава­ ющее положение (пачка зажата зажимными 5-корпус; 6 -пружина; 7-толка­ рычагами коника) фиксатор коника выклю ­ тель; 8 -гайка; 9 -гильза; 10 плунжер; 1 1 -кольцо уплотни­ чается под действием возвратной пружины 6.

Р егули руем ы й п ред охран и тельн ы й к л а п а н предназначен для обес­ печения регулируемого усилия зажима пачки деревьев (хлыстов) в зависи­ мости от способа их трелевки (за комли или за вершины).

Регулируемый клапан подключен к бесштоковой полости гидроци­ линдра зажимных рычагов. Клапан отрегулирован на давление срабатыва­ ния при трелевке хлыстов, за вершины, равное 6,5+0,5 МПа. При трелевке хлыстов за вершины резьбовой упор клапана должен быть вывернут нару­ жу до отказа. При трелевке деревьев за комли клапан необходимо блоки­ ровать, для чего резьбовой упор следует завернуть внутрь до отказа.

Н ерегули руем ы й п ред о хран и тельн ы й к л а п а н предназначен для ограничения давления в гидроцилиндре поворота коника назад по ходу трактора (при нагружении коника деревьями).

Нерегулируемый предохранительный клапан подключен к бесш токо­ вой (нерабочей) полости гидроцилиндра поворота коника и отрегулирован на давление срабатывания 2,5 - 4,0 МПа.

Р абота ги дропри вода заж им ного кон и ка. Для зажима пачки в кони­ ке основной поток рабочей жидкости от золотника управления приводом зажимных рычагов через отверстие В, гидрозамок и отверстие А поступает в бесштоковую полость гидроцилиндра зажимных рычагов, а вспомо­ гательный (управляющий) поток - на слив через дросселирующее отвер­ стие «Т» на боковой поверхности плунжера (см. рис.15 и 16), обратный клапан и дроссельный канал Г постоянного сечения в полости фиксирую ­ щего устройства. Одновременно рабочая жидкость из штоковой полости гидроцилиндра зажимных рычагов вытесняется через гидропанель и рас­ пределитель на слив.

В связи с тем, что дроссельный клапан Г, расположенный в полости фиксирующего устройства плунжера, оказывает дополнительное сопро­ тивление проходу вспомогательного потока рабочей жидкости на слив, на торец плунжера будет действовать дополнительное усилие сопротивления.

Для преодоления этого усилия требуется более высокое давление перед плунжером (в полости гидрозамка). Поэтому перемещение плунжера в плавающее положение произойдет при давлении, превышающем давление, необходимое для преодоления трения и усилия фиксирующего устройства.

Давление срабатывания плунжера в плавающее положение больше давле­ ния, необходимого для закрытия свободных (до соприкосновения с деревь­ ями) рычагов, и меньше минимального допустимого давления, необходи­ мого для зажима пачки при трелевке деревьев за вершины. Его величина 3,0 - 4,0 МПа.

После зажима пачки деревьев давление в трубопроводах бесштоковой (рабочей) полости гидроцилиндра зажимных рычагов резко возрастает.

Как только оно превысит давление, при котором поворачивались свобод­ ные зажимные рычаги, плунжер переместится в «плавающее» положение, после чего гидроцилиндр поворота коника также устанавливается в «пла­ вающее положение». Теперь коник с зажатой в нем пачкой готов к надеж ­ ному удержанию последней в процессе трелевки по пересеченной местно­ сти (лесосеке).

Для сброса подтрелеванной пачки требуется раскрыть зажимные рычаги коника, а сам коник повернуть под пачкой вокруг горизонтальной оси впе­ ред по ходу трактора, чтобы пачка при разгрузке оказалась лежащей на разгрузочном ролике.

При раскрытии зажимных рычагов коника рабочая жидкость от гидро­ распределителя поступает одновременно в штоковую полость гидроци­ линдра зажимных рычагов, через дроссель Г постоянного сечения в торцо­ вую полость плунжера со стороны фиксирующего устройства и через дроссельную трубку Д на слив. При этом под действием давления рабочей жидкости происходит переключение плунжера из плавающего положения в нейтральное и открытие гидрозамка. Рабочая жидкость из бесштоковой полости гидроцилиндра зажимных рычагов через отверстие А, гидрозамок, отверстие В, и гидрораспределитель вытесняется на слив, а штоковая и бесштоковая полости гидроцилиндра поворота коника разъединяются между собой и от слива.

После этого, управляя соответствующим золотником гидрораспреде­ лителя, подают рабочую жидкость под давлением в штоковую полость гидроцилиндра поворота коника, и последний поворачивается вперед по ходу трактора.

Так как рабочая (штоковая) полость гидроцилиндра поворота коника постоянно соединена с полостью плунжера фиксатора коника, то одновре­ менно с наклоном (поворотом) коника вперед по ходу трактора происходит включение фиксатора коника, после чего коник готов к разгрузке пакета.

После разгрузки пакета и при холостом ходе трактора коник остается с включенным фиксатором. Перед началом очередного набора деревьев коник поворачивают назад по ходу трактора, чтобы комли или вершины погружаемых деревьев или хлыстов ложились на опорный нож коника.

3. В Л И Я Н И Е П А РА М Е Т РО В С И С Т Е М Ы У П РА В Л Е Н И Я

П РИ В О Д О М Н А Х А РА К Т Е Р И У Р О В Е Н Ь Н А Г РУ ЗО К

В У П РУ ГИ Х С В Я ЗЯ Х Л М М Т

ди н ам и ческой н агруж енности м ан и п у л ято р а Основными элементами технологического цикла ВПМ, ВТМ и бесчокерных трелевочных машин, занимающими 30...40% его продолжительно­ сти, являются наведение рабочего органа на дерево и перенос дерева [28,58], т.е. сложные по управлению переместительные операции.

Анализ работ В.А. Александрова [28,30,41,42,59-65], Г.А.Рахманина [6 6 ], В.М.Рубцова [67], В.Ф.Кушляева [5,68], В.Г.Кочегарова [20,29] и др.

позволяет выделить процесс переноса дерева при пакетировании не только как наиболее продолжительный, но и динамически нагруженный и энерго­ емкий элемент цикла ЛММТ.

Динамические нагрузки в упругих связях ЛММТ возникают в резуль­ тате пуска/торможения элементов ГМ с грузом, быстрого изменения нагрузки на рабочем органе вследствие освобождения его от пакетируемо­ го дерева и других причин [28,30,41]. Характер взаимодействия ГМ ЛММТ с деревом и качественные показатели переходных процессов в системе управления и гидроприводе при пакетировании определяются упругими свойствами и массовыми характеристиками деревьев, которые стохастиче­ ски изменяются в широком диапазоне в зависимости от породы, плотно­ сти, возраста, условий произрастания и иных, трудно учитываемых факто­ ров [28,30,41,42]. Стохастическая природа изменения массовых и жесткостных параметров пакетируемых деревьев, тягового усилия при подтас­ кивании деревьев рукоятью ГМ и субъективных психофизиологических параметров оператора при командном методе управления ГМ дают осно­ вание характеризовать режим работы ЛММТ как нестационарный, пред­ ставляющий собой переменную комбинацию закономерных и случайных сочетаний движущих сил и сил сопротивления, обусловливающих в общем неустановившийся характер работы [28,30,41,42].

Для исследований динамических нагрузок в элементах ТО и приводе можно использовать динамические модели, предложенные В.А.Александровым [28,30,41,42,59-65], расчетные схемы которых содержат приведен­ ные дискретные массы ш д, m 2 и m 3, соединенные упругими связями с приведенными жесткостями элементов металлоконструкции С д, C j ( C'i 2 ), рессор подвески СП, гидропривода звеньев манипулятора С цс, С цр и, соответственно, вершинной и комлевой жесткостей ствола дерева С д и С д (рис.18). Указанные расчетные схемы получены с учетом упрощений [41,42], учитывающих наиболее значимые факторы и оказывающих сущ е­ ственное влияние на динамическую нагруженность ЛММТ. Такой подход к исследованию динамики переходных процессов машин базируется на р а­ ботах М.С.Комарова [73,74], Д.П.Волкова [75] и Н.И.Григорьева [76], п о­ священных исследованию режимов работы экскаваторов и кранов и их ди­ намической нагруженности. Главная отличительная особенность динами­ ческих моделей ЛММТ заключается в условиях работы и предмете труда.

Манипулятор ЛММТ взаимодействует не с жестким компактным грузом, а с гибким длинномерным, каковым является дерево или хлыст. Это суще­ ственным образом влияет на динамическую нагруженность ЛММТ, делая ее работу более напряженной и нагруженной [28,30,42].

Радикальным упрощением расчетной модели динамической системы “ЛММТ- дерево” является раздельное выполнение технологических опера­ ций (см. рис.18), т.е. процесс пакетирования дерева осуществляется пооче­ редным движением звеньев манипулятора. При этом упрощается вычисле­ ние приведенной массы шг = 2T / p 2 i - го звена манипулятора. Н езависи­ движности обеспечивает правомочность такого упрощения. Таким обра­ зом, процесс пакетирования деревьев ЛММТ можно рассматривать как со­ вокупность трех основных режимов:

Рис.18. Динамические модели системы «ЛММТ - дерево» при пакетировании: а) подъем/опускание дерева за ко­ мель/вершину стрелой манипулятора (трелевочные машины, ВТМ); б) подтаскивание дерева за вершину/комель рукоятью (треле­ вочные машины, ВТМ); в) перенос дерева поворотом манипулятора (трелевочные машины, ВТМ); г) перенос дерева поворотом (ВПМ); д) подъем/опускание дерева стрелой (ВПМ).

- подъем/опускание дерева стрелой манипулятора (см. рис.18, а, д);

- подтаскивание дерева рукоят ью (см. рис. 18, б);

- перенос дерева механизмом поворота в горизонтальной плоскости На осциллограммах экспериментальных исследований [28,30,41, 59,60] наблюдаются колебания двух (в отдельных случаях - трех) основ­ ных частот, соответствующих колебаниям дерева, манипулятора и базы машины. Поэтому другим радикальным упрощением расчетных моделей процесса пакетирования (см. рис.18) является сведение их к двух - или трехмассовым системам [77]. По результатам исследований В.А.Александрова [41,42,77] установлено, что принятые модели переноса дерева достаточно точно (с погрешностью 12 - 15%) отражают процесс па­ кетирования по критерию динамической нагруженности ГМ, для оценки которой используется коэффициент динамичности K д - отношение мак­ симальной добавочной динамической нагрузки на манипулятор Qmax к силе тяжести дерева G' = nG и манипулятора Gk, приведенным к концу рукояти ческую н агруж ен н ость и кач ество у п р ав л ен и я м ан и п улятором С учетом рассмотренных расчетных моделей динамических систем «ЛММТ - дерево» и методик оценки их нагруженности, в качестве основ­ ных параметров СУ приводом, определяющих быстродействие, динамиче­ скую нагруженность и энергоемкость СУ, принимаем угловые перемещ е­ ния р и, скорости р и, ускорения р и исполнительных звеньев Г М и мощ но­ сти приводов Ыг д = М г д -фи, реализуемые по каждой степени подвижно­ сти манипулятора [69-72].

Угловые перемещения р и звеньев ГМ определяют значения изгибных жесткостей металлоконструкций стрелы Сс и рукояти Сp, а следователь­ но и добавочной динамической нагрузки Qgmax на манипулятор. Угловые перемещения стрелы р с и рукояти p p при пакетировании изменяют вели­ чину поверхности контакта ствола с грунтом и массу дерева, участвующую в колебательном переходном процессе, что определяет значения изгибной жесткости дерева С д и основной частоты колебаний, передаваемой на ГМ и привод.

Угловые перемещения р и звеньев ГМ являются непрерывными слу­ чайными величинами и определяются субъективными управляющими воз­ действиями оператора и случайной величиной вылета L манипулятора, ре­ ализуемого при выполнении технологических операций на лесосеке.

Угловые скорости р и = т звеньев ГМ (см. рис.18) определяются нагрузкой от пакетируемого дерева, расходной характеристикой дроссель­ ной щели ГР, параметрами гидродвигателя и характеристиками контура управления золотником ГР. Релейные СУ на базе дискретных ГР с непо­ средственным (ручным) управлением золотником лимитируют скорости движения звеньев ГМ р и = 0,1;0,2;0,4рад/с ж есткой расходной характ е­ рист икой дроссельной щели ГР при рабочем положении золотника (табл.2, 3).

Угловая скорость р и звена манипулятора и функционально связанные с ней время разгона tp и торможения tт определяют величину ускорений ------= р и на исполнительном звене ГМ по каждой степени подвижности и динамическую нагруженность манипулятора и привода.

Аппаратное регулирование расхода через золотник ГР и, соответ­ ственно, скорости перемещения звеньев позволяет не только снизить К д (рис.19 [42]), но и улучшить эргономические показатели системы управле­ ния и рабочего места оператора ЛММТ.

Динамические характеристики манипуляторов лесосечных машин в режиме подъема груза ( дерева ) стрелой [28] ^ _ _ Динамические характеристики манипуляторов лесосечных машин в режиме пе­ реноса дерева поворотом [28] Исследованиями В.А.Александрова [30] установлено, что операторы отечественных ЛММТ с релейными СУ не полностью используют воз­ можный скоростной диапазон элементов манипулятора по причине значи­ тельного уровня вибрации на сиденье, вследствие использования операто­ рами метода управления приводящим двигателем для варьирования фи.

Таким образом, угловая скорость фи исполнительных звеньев ГМ по каждой степени подвижности и время пуско-тормозных режимов являются основными параметрами СУ, определяющими не только динамическую нагруженность манипулятора и привода, но и производительность ТО, энергоемкость и эргономические показатели СУ.

Время пуско-тормозных режимов определяется характеристиками промежуточного контура управления золотником ГР и конструктивными особенностями золотника, - т.е. возможностью реализации функциональ­ ной зависимости S = f(x) площади живого сечения S потока через дроссе­ лирующую щель ГР в пуско-тормозных режимах от положения золотника х, при которой динамические нагрузки на манипулятор и привод были бы минимальными. Исследованиями В.А.Александрова [28,30,41,42] установ­ лено, что высокие значения ускорений фи при торможении звена ГМ определяются высокой интенсивностью торможения. Для релейных СУ она определяется временем переключения золотника tM = 1п = 0,10 - 0,15 с и является причиной высокой динамической нагруженности ГМ и привода.

Поскольку время разгона tp в среднем в 1,4...1,7 раза больше времени торможения tт звеньев ГМ (см. табл.2, 3) и динамическая нагруженность разгона ниже, то целесообразно для существующих конструкций дискрет­ ных ГР ЛММТ с tп = 0, 1 0 - 0,15 с найти оптимальную зависимость S (х) и форму рабочих элементов золотника, позволяющих снизить динамическую Рис. 19. Зависимость коэффициента динамичности K д от объема пакетируемого дерева V и приведенной скорости перемещения манипулятора V0: 1-V0 = 0,18 м/с;

2 - V q = 0,12 м / с ; 3-Fq =0,05 м/с. а) нагруженность ГМ. Исследованиями [37,39,84] установлено, что для эф ­ фективного торможения "по времени" 1п можно использовать цилиндриче­ ский золотник с треугольными шлицами (рис.20 а). Участок а-б представ­ ляет уменьшение площади щели 4 при движении золотника вправо (см.

рис.20 б). Участок б-в соответствует уменьшению площади прохода ш ли­ цев 3, перекрывающих перепуск жидкости из канала Н в канал С в поло­ жении в. До закрытия перепускного канала на участке и-л начинает от­ крываться щель 2, соединяющая канал Н1 с каналом П1 потребителягидродвигателя. Опережая этот процесс, в точке г начинается соединение канала П2 с каналом С2. На участке г-д соединение происходит через шлицы 1 и на участке д-е - через щель 5 полного периметра.

Таким образом, применение шлицев определенных размеров устра­ няет гидравлические удары и снижает динамическую нагруженность в си­ стеме на пуско-тормозных режимах и совместно с отрицательным пере­ крытием (участок и-в) позволяет использовать плавное увеличение пло­ щадей для плавного регулирования скорости гидродвигателя и звена ГМ Значительное снижение динамической нагруженности привода и М К ГМ происходит при введении промеж уточного контура управления золотником, позволяющего регулировать tп. Исследованиями В.А.Алек­ сандрова [28,30,42,64] и Г.В.Каршева [85] установлено, что с увеличением периода включения tп гидропривода с 0,15 с до 0,60 с динамические нагрузки существенно снижаются (рис.21, 22). Снижение коэффициента динамической нагруженности K д при этом составляет 18 - 25 %. Причем увеличение времени tп сказывается на снижении нагрузок не только в пе­ реходных режимах, но и при последующих свободных колебаниях систе­ мы на основной частоте, определяющих усталостную долговечность эле­ ментов М К манипулятора и привода. Возможностью регулирования tп обладают гидроприводы с двухконтурными аналоговыми, импульсны­ ми и цифровыми ЭГСУ, позволяющие реализовать не только линейный [85], но и более сложные законы управления звеном манипулятора. Опти­ мальное управление с линейным законом включения по сравнению с р е ­ лейным типом управления позволяет улучшить быстродействие манипуля­ тора ЛММТ на 25 - 30 % при одновременном снижении его динамической нагруженности до величины коэффициента динамичности К д = 1,15 -1,20 [85].

Рис.21. Зависимости Кд (V) и Qjm ^ (V) от скорости рабочего органа V3 и вре­ мени торможения звена ГМ tт [64]: 1 - V3 = 0,5 м/с; tM = 0,3 с (зима); 2 - V3 = 0, tm = 0,6 с; подъем дерева стрелой за комель (ТБ-1); — — подъем дерева стре­ лой за вершину (ТБ-1).

1,60 Рис.22. Зависимости К д и Q]max от времени торможения звена ГМ tт ( режим - торможение стрелы ВТМ при опускании дерева ) [42].

Динамические характеристики системы "ЛММТ - дерево" при раздельном вы­ полнении технологических операций переноса дерева звеньями ГМ при пакетировании [28,30,41,42, Частота основных колебаний 14,90-25,12 5,23-7,85 4,82-6, нагрузки, с- Логарифмический декремент 0,40-1,10 0,48-0,60 0,65-1, основной частоты свободных колебаний звена ГМ МПа ( V = 1,75 м3 ) * В числителе и знаменателе, соответственно, значения для режимов торможения стрелы в конце подъема и опускания дерева за комель.

* * В числителе и знаменателе, соответственно, значения для режимов подтаскива­ ния дерева рукоятью за вершину и за комель.

надеж ность Коэффициент динамичности К д является одним из основных показа­ телей, характеризующих динамическую нагруженность упругой системы "ЛММТ - дерево" при выполнении технологических операций (табл.4), и определяющих надежность М К ГМ и гидропривода [33,78-80]. В переход­ ных процессах К д в значительной мере зависит от управления оператором пуско-тормозными режимами и определяется командным методом управ­ ления и законом управления, реализуемым контуром управления золотни­ ком и его рабочими поверхностями, типом ГР и СУ приводом. Таким обра­ зом, качество управления манипулятором Л М М Т такж е мож но оценить по значению К д [79]. Значения вероятности безотказной работы (ВБР) R опасных сечений звеньев ГМ при постоянных значениях К д во всех пере­ ходных режимах характеризуют процесс управления с однотипными включениями и выключениями элементов ГМ, характерных для релейной Рис.23. а) Зависимость ВБР при постоянных К д для рукояти (2); для рукояти при исключении повторных включений при пакетировании (3); для стрелы ЛММТ (1);

б) Зависимость ВБР от среднего значения К д при случайном изменении К д (4); при изменении К д в зависимости от веса дерева (5) и от напряжения (6 ).

СУ и формировании управляющих воздействий опытным оператором (рис.23, а [79]). Исключение из алгоритма работы повторных вклю че­ ний и выключений элементов ГМ при пакетировании и наведении рабоче­ го органа (РО) на дерево за счет аппаратного регулирования параметров движения звеньев, характерного для пропорционального управления, позволяет повысить ВБР ГМ (см. рис.23, а). Это объясняется снижением динамической нагруженности манипулятора при гибком пропорциональ­ ном управлении и повышением его функциональных возможностей при выполнении точных и сложных по управлению технологических операций [15]. Пропорциональная СУ позволяет оператору приспособиться к техни­ ческим возможностям системы и свести к минимуму случаи необоснован­ ного динамического нагружения манипулятора и привода из-за ошибок в управлении и лимитировать случайный фактор при формировании К д, ха­ рактерный для работы неопытного оператора ( кривая 4 - см. рис.23, б).

Оптимальным по критерию ВБР является управление в зависимости от статических напряжений в опасных сечениях звеньев ГМ (см. рис.23, б), определяемых силой тяжести предмета труда и М К ГМ [79], и характерное для периодов установившегося движения элементов манипулятора. О рга­ низация управления ГМ только по этому, нетипичному для лесосечных ГМ, критерию малоэффективна.

Для доминирующих в работе ЛММТ переходных режимов, определя­ емых затухающими колебаниями динамической нагрузки Qд и вызванных пуско-тормозными режимами движения звеньев ГМ, изменением скорости фи их движения и стохастическими воздействиями внешних условий целе­ сообразно организовать оптимальное управление по критерию максималь­ ного ресурса по усталостной прочности опасных сечений звеньев ГМ [15,33]. При этом интенсивность пуско-тормозных процессов, повышен­ ные значения ускорений фи и резкие изменения давления в рабочих поло­ стях гидродвигателя обусловливают высокую интенсивность импульсных нагрузок в опасном сечении звена и лимитируют его надежность. П о­ скольку в переходных режимах ГЦ привода звена манипулятора оказыва­ ется в запертом положении и работает как жесткий стержень [28,30,41], то высокая динамическая нагруженность привода имеет те же причины, что и М К ГМ.

Существующие модели привода звеньев ГМ ЛМ М Т не позволяют ре­ шить задачу отыскания функции S (х) изменения площадей проходных се­ чений щелей ГР при перемещении золотника и построения контуров управления по критерию минимизации К д и повышения надежности гид­ ропривода. Системы дифференциальных уравнений, описывающих дина­ мические модели системы "ЛММТ - дерево" при пакетировании (см.

рис.18), решаются относительно упругой деформации стрелы-рукояти, определяющей нагрузку на М К ГМ, и в качестве необходимого уравнения связи содержат функцию движущего или тормозящего усилия f ( P ), раз­ виваемого приводом соответствующего звена ГМ [28,30,41,42]. Результаты исследований [66,81-83] позволяют использовать в качестве функции f ( P ) уравнение скорости перемещения поршня, с последующей заменой усилия P на штоке ГЦ произведением давления p на эффективную пло­ щадь поршня f n где qH- объемная постоянная насоса, см /об.; n - число оборотов вала гид­ ронасоса, мин-1; rfH, ц'ц - теоретические объемные КПД насоса с ГР и ГЦ:

rfH = 0,85; ц'ц = 0,95; К у,К н,К ц - коэффициенты пропорциональности; z j обобщенная координата безмассовой точки 1 или 1 ' (см. рис.18).

Статичность коэффициентов уравнения (7), отсутствие параметров, характеризующих конструктивные и расходные (5) особенности ГР и предохранительных клапанов, параметров демпфирования на поршне ГЦ и инерционности рабочей жидкости, а также уравнений управления ( 1 ) и (2 ) не позволяют исследовать динамику переходных процессов в гидроприво­ де звеньев ГМ и синтезировать контуры управления с минимальными зна­ чениями К д и максимальными ресурсными показателями. Кроме того, условие n = const в период пуска гидропривода [28,30] в практике эксплу­ атации приводов ЛММТ с дискретными ГР выполняются редко.

Очевидно, создание адекватной модели СУ приводом с учетом ука­ занных недостатков позволит вскрыть новые резервы по улучшению каче­ ственных показателей рабочих процессов ГМ через совершенствование параметров привода звеньев манипулятора, что подтверждается аналити­ ческими и экспериментальными исследованиями.

Анализ результатов исследований нагруженности трелевочных трак­ торов, ВПМ и ВТМ при варьировании значений приведенной изгибной жесткости манипулятора С мг показал, что со снижением С м от 1150 до 300 кН/м добавочная нагрузка на ГМ уменьшается в среднем в 3,5 - 4,0 ра­ за [28]. Результаты исследований В.А.Александрова [28,30] показали огра­ ниченные возможности уменьшения динамической нагруженности сущ е­ ствующего технологического оборудования ЛММТ путем незначительного варьирования значений жесткости манипулятора С1 2, рукояти C j2 и упругого подвеса рабочего органа вследствие малой чувствительности ди ­ намической системы к изменению этих параметров. Учитывая, что к ж ест­ кости звеньев ГМ последовательно подключены жесткости их приводов, то жесткости ГЦ и трубопроводов во многом определяют приведенную изгибную жесткость ГМ C f2, Q™ * и К д. Ж есткость привода звена мани­ пулятора, характеризуемая податливостью поршня ГЦ при изменении дав­ ления Лр и емкостью силового контура, определяется перетечками рабочей жидкости в сопряжении "золотник - втулка", т.е. расходной характеристи­ кой дросселирующей щели ГР или характеристиками промежуточного контура управления золотником на переходных режимах работы.

Анализ нагрузок в упругих связях динамических систем лесосечных машин [28,30,41,42] позволил установить существенное влияние диссипа­ тивных сил на первую амплитуду колебаний нагрузки на ГМ от грузадерева. Так, в режиме подъема (опускания) и поворота манипулятора с д е­ ревом первый пик амплитуды нагрузки уменьшается на 7,0-8,6%, а в ре­ жиме подтаскивания деревьев - на 8,0-9,0 %. При наличии зазоров в систе­ ме уменьшение амплитуды составляет 4,5-5,8%. Существенное влияние диссипативных сил на первую амплитуду колебаний нагрузки вызвано прежде всего силой трения, возникающей в зоне контакта части дерева с грунтом, значительными демпфирующими свойствами ствола и кроны, а в режиме переноса дерева поворотом манипулятора ВПМ - силой сопротив­ ления воздушной среды, что необходимо учитывать при проектировании приводов управления ГМ и анализе их устойчивости.

В ы воды : 1. Для исследований влияния параметров СУ на уровень динамических нагрузок в элементах ТО и приводе можно использовать расчетные схемы с дискретными массами и упругими связями при раз­ дельном поочередном выполнении технологических операций переноса дерева стрелой, рукоятью и механизмом поворота.

2. Основными параметрами СУ приводом, определяющими характер и уровень нагрузок в упругих связях, быстродействие и динамическую нагруженность манипулятора и привода, являются угловые перемещения (ри, скорости фи и ускорения фи исполнительных звеньев по каждой сте­ пени подвижности.

3. Угловые скорости р и звеньев манипулятора и функционально свя­ занные с ними время разгона tp и торможения tM определяют величину ускорений р и на исполнительных звеньях и динамическую нагруженность ГМ и привода, поэтому величину ускорений р и можно использовать для оценки динамической нагруженности.

4. Коэффициент динамичности К д является одним из основных по­ казателей, характеризующих динамическую нагруженность упругой си­ стемы "ЛММТ - дерево" и определяющих надежность М К ГМ и привода, а также качество управления манипулятором.

5. Качество управления определяет ресурсные показатели М К и эле­ ментов привода по критерию усталостной долговечности. Определяю­ щими факторами являются широкий диапазон р и, плавный пуск/торможе ние привода продолжительностью 0,2...0,6 с, и исключение повторных включений/выключений приводов.

6. При проектировании контура управления золотником необходимо обеспечить оптимальный период включения гидропривода на пускотормозных режимах движения звеньев tп = 0,5...0,7 с. С увеличением времени переключения золотника с 0,15 до 0,60 с динамические нагрузки на ГМ и привод снижаются в среднем на 23 - 39 % при разгоне и на 45 - 57 % при свободных колебаниях после разгона-торможения, а сниже­ ние К д при этом составляет 18 - 25 %.

4. А Н А Л И З С И С Т Е М У П Р А В Л Е Н И Я П РИ В О Д О М М А Н И П У Л Я ­

Т О РО В ЗА Р У Б Е Ж Н Ы Х Л М М Т И К О Н С Т Р У К Т И В Н Ы Х

О С О Б Е Н Н О С Т Е Й И Х Г И Д РО П РИ В О Д О В

Ведущие фирмы-производители манипуляторных лесозаготовитель­ ных машин Valmet, Timberjack, FMG, Ponsse и др. уделяют первостепенное внимание вопросам эргономики рабочего места оператора и эффективно­ сти системы управления технологическим оборудованием. Комплексное решение этих вопросов возможно при использовании гидравлических, им ­ пульсных и цифровых систем управления приводом.

Гидравлические системы управления (ГСУ) приводом используются, как правило, в случае управления манипулятором вне кабины лесосечной машины, например, когда пост управления расположен на поворотной ко­ лонне (рис.24). Основными разработчиками ГСУ и поставщиками их эле­ ментной базы являются фирмы Danfoss (Дания) и VOAC Hydraulics AB (Volvo & Atlas Copco) (Швеция).

Принципиальная схема гидравлического управления звеном манипу­ лятора представлена на рис.25. Основным элементом ГСУ является блок гидравлического управления (рис.26), представляющий собой гидроусили­ тель, предназначенный для дистанционного (до 20 м) управления переме­ щением золотников ГР, пропорциональным перемещению рукоятки блока.

Рис.24. Посты управления манипуляторами фирмы Cranab (Швеция) с гидравли­ ческой системой управления.

Рис.25. Принципиальная схема гидравличес­ Рис.26. Блок гидроуправления кого управления [ 102]: 1 - вспомогательный насос с центральной рукояткой: 1- рукоятка гидроуправления; 2 - предохранительный клапан насоса управления; 2 - манжета; 3 - переключающая гидроуправления; 3 - блок гидроуправления; 4 - гидро­ тарелка; 4- сферическое соединение; 5 - плун­ распределитель; 5 -предохранительный клапан основно­ жер; 6 - регулировочная пружина; 7 - возврат­ го насоса; 6 - основной насос гидропривода; 7 - гидро­ ная пружина плунжера; 8 - золотник.

цилиндр.

Рис. 27. Зависимость усилия Рис. 28. Зависимость давления в системе F на рукоятке управления от хода гидравлического управления от хода 11 золот­ l золотника гидрораспределителя ника блока управления и хода I2 золотника с О у = 20 мм: р - угол наклона руко­ гидрораспределителя: 1 - давление в блоке гидро­ ятки; Д - диапазон точного регулирования. управления; 2 - давление в камере золотника гидрорас­ м ан и п у л ято р а с ги д р ав л и ч ески м у п р ав л ен и ем. Блок гидравлического управления (БГУ) выполнен в виде регулятора давления, работающего по принципу регулируемого редукционного клапана с давлением на выходе, определяемым положением рукоятки блока.

На рис.25 показана принципиальная схема гидравлического управле­ ния, состоящая из источника питания - вспомогательного насоса 1, блока золотников 3 (БГУ) и распределителя 4. Каждый из золотников блока управляет перемещением золотника ГР 4 в одну сторону. При незначи­ тельном перемещении вниз одного золотника в системе управления созда­ ется давление, достаточное для преодоления усилия пружины, центриру­ ющей золотник ГР. Чтобы обеспечить дальнейшее перемещение золотника ГР, необходимо значительно увеличить давление, для этого необходимо наклонить рукоятку и переместить плунжер вниз на большее расстояние.

Регулировочная пружина блока управления рассчитана таким образом, что в конце диапазона точного регулирования золотника ГР плунжер блока управления упирается в нажимной золотник. При дальнейшем нажатии на плунжер блока управления действует полное давление управления и зо­ лотник ГР полностью проходит оставшийся участок хода. Такой принцип действия гидравлического управления позволяет преодолеть скачкообраз­ ный характер изменения усилия, необходимого для перемещения золотни­ ка ГР, и расширить диапазон точного управления.

Золотник ГР занимает положение, соответствующее давлению в л и ­ нии управления. Таким образом достигается однозначная связь между п о ­ ложением рукоятки блока управления и положением золотника ГР.

Полный ход золотника ГР делится на три фазы: перекрытие, регули­ рование расхода (с помощью регулировочных фасок) и полное открытие.

Фаза регулирования расхода занимает 29 % общего хода золотника. С ле­ довательно, при ручном управлении лишь менее одной трети общего хода рукоятки может использоваться для регулирования расхода (без учета воз­ можных зазоров в шарнирах рукоятки), а 71 % составляет "мертвый" ход [102].

Характеристики пружин золотников блока управления и тарирован­ ной пружины золотника ГР выбраны таким образом, что точное регулиро­ вание хода золотника ГР достигается только в фазе регулирования расхода.

Доля фаз перекрытия и полного открытия ("мертвый" ход) составляет лишь 37 % хода рукоятки блока управления, а на фазу регулирования при­ ходится 63 % хода рукоятки.

На рис.27 приведена зависимость усилия F от хода регулирования l при ручном 1 и гидравлическом 2 управлении золотником ГР с условным проходом 20 мм [102]. Передаточное отношение рукояток как при ручном, так и при гидравлическом управлении составляет 1:8. Из приведенных за­ висимостей видно, что гидравлическое управление позволяет значительно снизить усилие на рукоятке и увеличить часть хода, используемую для р е ­ гулирования расхода жидкости.

Зависимость усилия на рукоятке управления от хода золотника блока гидроуправления соответствует зависимости давления в линии управления от угла наклона рукоятки и имеет ступенчатый характер.

На рис.28 приведена зависимость давления управления от перемещ е­ ния золотника блока управления и золотника ГР с условным проходом мм. После очень малого хода ( * 1 мм), соответствующего перекрытию зо­ лотника в блоке управления, давление в линии управления и усилие на ру­ коятке ступенчато увеличиваются. Такое увеличение усилия на рукоятке в начале и конце фазы регулирования является дополнительным сигналом для оператора, позволяющим ему хорошо "чувствовать" управление.

Расход рабочей жидкости для системы гидроуправления составляет 10-12 л/мин. При этом продолжительность включения золотника ГР с условным проходом 25 и 32 мм составляет 0,1-0,2 с при условии одновре­ менного включения не более двух золотников. Давление управления со­ ставляет не менее 1,8 М Па при работе двигателя с минимальной частотой вращения и не более 4,5 М Па при максимальной частоте вращения. Для ГР лесосечных машин обычно применяют блоки управления с диапазоном давления 0,65-1,9 МПа.

Характеристики блоков гидроуправления при температуре рабочей жидкости 50 С и вязкости 3 0 ± 3 мм /с приведены на рис.29 [102].

Блок управления с центральной рукояткой (см. рис.26), широко ис­ пользуемый в системах гидроуправления лесосечных машин, имеет четыре золотника и предназначен для дистанционного управления двумя золотниб) Рис. 29. Характеристика блоков гидроуправления с центральной рукояткой ( а ) и с педалью ( б ): p - давление управления; ф - угол поворота рукоятки управления; & - угол накло­ на педали; F - усилие на рукоятке или педали управления.

ками одного или разных ГР. Ш арнирное крепление рукоятки блока позво­ ляет управлять одним из четырех плунжеров или одновременно двумя плунжерами. При этом включается соответственно один или два золотника ГР.

приводом м ан и п у лято р а Основными разработчиками импульсных систем управления для скандинавских лесосечных машин являются фирмы VOAC Hydraulics AB (Volvo & Atlas Copco) и M onsun-Tison AB. Принципиальные схемы систем управления VCU и IPS302, получивших наибольшее распространение, представлены на рис.30, а, б [103].

М ануальный рычаг управления (джойстик) ICL301 (рис.31, а) позво­ ляет реализовать пропорциональное управление движением звеньев мани­ пулятора по двум степеням подвижности и релейное управление одним звеном, и является основным для двухрычажных систем трелевочных м а­ шин и сортиментовозов. Джойстики ICL303 или ICM435 позволяют реали­ зовывать 6 функций пропорционального управления на двух рычагах. Тех­ нические характеристики рычагов ICL301/303 представлены в табл.П.1.

Блок управления напряжением VCU (рис.31, г) позволяет настраивать параметры движения звеньев и интенсивность пуско-тормозных процес­ сов, а также предоставляет оператору возможность подстраивать систему под свои психофизиологические особенности. Эти операции осуществля­ ются подбором потенциометров на рычагах и регулировкой резистора на блоке управления. Стандартная настройка системы : U = 10,8 В, f = Гц, переключатель напряжения в позиции "24 В" и регулятор потенцио­ метра в среднем положении.

Электронный регулятор IPS302 (рис.31, д) позволяет индивидуально настраивать каждую функцию движения звена, даже во время работы м а­ нипулятора, с независимой регулировкой по каждой степени подвижности.

IPS302 может оснащаться встроенной функцией наклона рычага, для установки времени замедления звена при рабочем движении последнего.

Технические параметры блоков управления VCU и IPS302 представлены в табл.П.2 и П.3.

Выходным элементом системы является электрогидравлический кла­ пан с пропорциональным электромагнитом PVE102 и PVC102 (рис.31, е), регулирующий перепад давления на золотнике второго каскада в зависи­ мости от тока управления.

Рис. 30. Принципиальные схемы импульсных систем управления VCU ( а ), IPS302 ( б ) фирмы VOAC Hydraulics ( Швеция ), системы с широтно-импульсным управлением по скорости выходного звена с однополярными импульсами ( в ) и диа­ граммы формирования однополярных импульсов ШИМ ( г ).

Анализ конструкций импульсных систем управления показал, что для управления движением звеньями манипулятора и другими элементами технологического оборудования лесосечной машины подходит система с широтно-импульсным управлением (ШИУ) по скорости выходного звена (штока гидроцилиндра) с однополярными импульсами (рис.30, в). Электро­ питание системы управления осуществляется через конвертер, преобразу­ ющий постоянное напряжение 12 В, снимаемое с аккумуляторной батареи и генератора лесосечной машины, в постоянное напряжение 24 В. Регуля­ тор напряжения преобразует постоянное напряжение 24 В, снимаемое с конвертера, в импульсное напряжение. Угол наклона мануального рычага управления ф ^ определяет величину регулируемого сопротивления на по­ тенциометре, и соответственно, тока управления i. Ток управления, прохо­ дящий через обмотки клапанов предварительного управления, определяет величину перепада давления Ар на золотнике (рис.32).

Основным отличием привода с Ш ИУ от схемы привода с непрерыв­ ным (аналоговым) управлением является то, что электрогидравлический усилитель (ЭГУ) мощ ности заменяет клапан направления (рис.33), являю­ щийся распределителем дискретного типа. В состав блока управления VCU входит специальный преобразователь - широтно-импульсный моду­ лятор (Ш ИМ), преобразующий регулирующий сигнал в последователь­ ность управляющих импульсов переменной ширины, а электрический уси­ литель мощности выполнен в виде мощных электронных ключей. Управ­ ляющим сигналом в приводах с Ш ИУ является относительная длитель­ ность импульсов, подаваемых на вход клапанов предварительного управ­ ления распределителя, определяемая коэффициентом скважности [48,104-106]. Золотник ЭГУ при обработке каждого управляющего им ­ пульса перемещается из одного крайнего положения в другое.

Диаграммы формирования однополярных импульсов Ш ИМ представ­ лены на рис.30, г. Однополярные импульсы формируются в виде последо­ вательности импульсов разной скважности, полярность которых зависит от знака входного сигнала. При сигнале, равном нулю, импульсы на выходе отсутствуют. Под скважностью у понимается отношение длительности периода повторения импульсов T к длительности импульса : у =—.

Преобразование сигналов осуществляется с помощью бесконтактного р е­ лейного устройства, сравнивающего непрерывный входной сигнал и вх с Рис.31. Элементная база импульсных систем управления VCU и IPS302 фирмы VOAC Hydraulics ( Швеция ): мануальные рычаги ICL301 и ICL303 (а); мануальный рычаг ICL302 и педаль ICL304 (б); портативный пульт управления ICB301 (в); блок управления напряжением VCU (г); электронный регулятор IPS302 (д); клапаны предва­ рительного управления PVE102, PVC102/QDC102 (е).

давления на золотнике мануальным рычагом потенциометрического типа (А1) и блоком управления напряжением VCU (АЗ).

Рис.33. Клапан направления фирмы Danfoss ( Дания ): 1- корпус; 2- золотник; 3- клапан предварительного управления; 4 - предохрани­ тельный клапан; 5- цилиндр предварительного управления; 7,8 - центрирующая пружина; 9 - регулировочный винт поджатия пружины; 10 - регулировоч­ ный винт длины хода золотника; 11- пробка для измерения давления в цилиндре предварительного управления; 12- противоклапан канала подачи; 13 - со­ единение с гидродвигателем; 14 - канал свободной циркуляции; 15 - канал подачи рабочей жидкости от насоса; 16 - сливной канал; 17- дроссель;18 - кнопка ручного управления.

абсолютных значений этих напряжений ( U % = 0 ) периодически срабаты­ вает реле, и на его выходе появляются импульсы и вых длительности tи, зависящей от уровня входного сигнала. Полярность опорного напряжения Uon выбирают такой, чтобы при отсутствии управляющего сигнала оно не изменяло состояния реле и не приводило к самовозбуждению от незначи­ тельных помех.

В качестве релейных элементов могут применяться компараторы, п о­ строенные на основе интегральных операционных усилителей, пороговые элементы, триггеры с положительной обратной связью в коллекторной и эмиттерной цепях [106]. Примером релейного элемента может служить триггер Ш митта А (рис.34), собранный на транзисторах VT1, VT2 и отли­ чающийся от симметричного триггера отсутствием связи коллектора VT2 с базой VT1. В исходном состоянии транзистор VT2 открыт за счет положи­ тельного смещения, созданного делителем R2, R3, R™, транзистор VT1 за­ крыт запирающим напряжением, создаваемым на резисторе R4 током насыщения транзистора VT2. С подачей входного сигнала U% положи­ тельной полярности состояние схемы лавинообразно меняется на противо­ положное: VT1 открывается, падение напряжения на резисторе R2 возрас­ тает, а на резисторе R4 уменьшается, что приводит к уменьшению запира­ ния транзистора VT1. Транзистор VT2 закрывается вследствие уменьше­ ния напряжения смещения на резисторе R™. При снятии входного сигнала триггер возвращается в исходное состояние в результате действия эмиттерной положительной обратной связи, реализованной с помощью рези­ стора R4.

Ш ИМ, формирующий однополярные импульсы (см.рис.34), симмет­ ричен и состоит из двух триггеров Ш митта на транзисторах VT1- VT4 и двух источников пилообразного напряжения, собранных на RC- цепочках и вторичных обмотках трансформатора Т. Схема включения диода VD (VD2) такова, что создаваемое на резисторе R1 (R5) токами перезаряда конденсатора С1 (С2) пилообразное напряжение будет прикладываться к базе VT1 (VT3) в полярности, при которой транзистор будет еще больше запираться. При отсутствии входного сигнала с выходов 1 и 2 Ш ИМ сни­ мается постоянное напряжение. С приходом управляющего сигнала Uвх начинает коммутироваться та половина схемы, на вход которой поступил положительный сигнал (на рис.34 - верхняя). Смена полярности входного сигнала приведет в действие нижнюю половину Ш ИМ, и на выходе 2 п о­ явятся импульсы переменной скважности.

Ш ИУ гидроприводов находит применение в манипуляторных систе­ мах с контурными и позиционными системами управления [48]. Приводы с Ш И У обладают рядом преимуществ по сравнению с приводами непрерыв­ ного управления. Они значительно менее чувствительны к загрязнению р а ­ бочей жидкости; на них слабее влияют такие нелинейные эффекты, как гистерезис и зона нечувствительности. Гидроприводы с Ш И У обеспечи­ вают большую стабильность динамических и статических характери­ стик при изменении внешних условий; позволяют упростить конструкцию и снизить требования по точности изготовления, а следовательно, и уменьшить стоимость управляющих элементов. Все это достигается за счет простого (“ключевого”, т.е. с переключением из одного крайнего п о­ ложения в другое ) режима работы этих элементов.

Основной недостаток Ш ИУ - относительно высокая частота срабаты­ вания клапанов предварительного управления и клапана направления (ГР), что требует принятия специальных мер и конструктивных решений для повышения их надежности и обеспечения высоких показателей усталост­ ной прочности и долговечности элементов управления и ИМ. Для манипуляторных лесосечных машин операции наведения рабочего органа на д е­ рево и его переноса составляют 30...40 % времени технологического цик­ ла, поэтому одной из мер по повышению ресурса работы управляющих элементов может быть выключение распределителя в периоды подготови­ тельных и транспортных операций, выстоя привода в заданной позиции и отсутствия сигнала управления.

К о н стр у к ти вн ы е особенности элем ентов И М и гидросистем ы м а ­ н и п у л ято р а лесосечной м аш и н ы п ри Ш И У приводом. При Ш ИУ гид­ роприводами манипуляторных систем параметры двигателя выбирают т а ­ кими, чтобы он являлся низкочастотным фильтром. В этом случае несу­ щая периодическая составляющая Ш ИУ либо вовсе не отрабатывается двигателем, либо пропускается им с большим ослаблением. Такой режим работы близок к работе привода с непрерывным управляющим воздей­ ствием. В этом случае Ш ИУ относят к классу так называемых квазинепрерывных импульсных систем, и для определения основных конструктивных параметров и исследования динамики используют математическую модель привода с непрерывным управлением [48,104,107].

Базовая гидравлическая система машины должна обеспечивать вы со­ кую чистоту фильтрации рабочей жидкости (10 -15 мкм), что достигается при использовании напорных полнопоточных фильтров 4 и 5 (рис.35).

Контур предварительного управления золотником стыкуется с базовой си ­ стемой через приоритетный 2 и редукционный 8 клапаны (рис.36).

Рис. 35. Принципиальная схема гидросистемы лесосеч­ ных машин фирмы Valmet ( Финляндия ): 1АДВ - двух­ секционный шестеренный гидронасос; 2- приоритетный клапан;

4, 5 - напорный фильтр; 9, 10 - блок клапанов направления;

43- гидробак с оснасткой.

Рис. 36. Принципиальная схема контура предварительного управления фирмы Danfoss ( Дания ): 2 - приоритетный клапан; 6- переходной противоклапан; 8- редукционный кла­ пан; 9,10- блок клапанов направления; 12- гидроаккумулятор;

20В, 20D- точки измерения давления, соответственно, в насос­ ном контуре 1В и 1А; 44- обратный клапан.

Э лем ен ты теори и циф рового у п равл ен и я. Принципиальная схема цифровой системы управления показана на рис.37. Система содержит пять блоков: объект управления, аналого-цифровой и цифро-аналоговый пре­ образователи, управляющий алгоритм и таймер. М омент времени, в кото­ рый измеряемый сигнал преобразуется в цифровую форму, называется моментом квантования; промежуток времени между двумя последова­ тельными моментами квантования - периодом квантования и обозначается буквой h. Обычно применяется периодическое квантование.

Объект управления имеет на выходе непрерывный сигнал y{t), кото­ рый преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразовате­ лем (АЦП). Преобразование осуществляется в моменты квантования t k.

Преобразованный сигнал \y {tk )} интерпретируется вычислительной ма­ шиной как последовательность чисел; она производит изменения по неко­ торому алгоритму и вырабатывает новую последовательность чисел U { tk )}. Полученная последовательность преобразуется в непрерывный сигнал цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Заметим, что система между ЦА- и АЦ- преобразователями разомкнута. Работа синхронизирует­ ся в компьютере таймером реального времени. ЦВМ функционирует по­ следовательно; каждая операция занимает определенное время, но на вы ­ ходе ЦАП должен иметь непрерывный по времени сигнал. Обычно это до­ стигается путем сохранения постоянного уровня управляющего сигнала между преобразованиями. Цифровые системы управления содержат как непрерывные, так и квантованные, или дискретные по времени сигналы.

Такие системы традиционно называют дискретными [108-111].

Рис.37. Принципиальная схема цифровой системы управления [110].

Единственное отличие цифровой системы управления от непрерыв­ ной (аналоговой) системы с обратной связью состоит в том, что в пер­ вом случае управление реализуется с помощью цифровой вычислительной машины, следовательно, налицо большее разнообразие законов управления и возможность согласования психофизиологических и динамических пара­ метров оператора с параметрами С У при удобном интерфейсе. В цифро­ вой системе управления можно использовать нелинейные операции, вклю ­ чить логику и выполнять сложные вычисления. Для сбора информации о свойствах системы используется система датчиков.

Очевидно, что если период квантования достаточно мал, то дискрет­ ная система должна вести себя как непрерывная. Тогда возникает вопрос о целесообразности создания специальной теории цифровых систем управ­ ления. Однако система, изображенная на рис.37, не может быть полностью объяснена в рамках теории стационарных линейных систем, даже если объект управления представляет собой линейную стационарную непре­ рывную систему [110]. Например, дискретная система описывающая эле­ ментарное звено линейного запаздывания, состоящее из АЦП, ЭВМ и ЦАП, не инвариантна по времени, поскольку ее реакция зависит от време­ ни подачи ступенчатого воздействия. При запаздывании входного сигнала выходной сигнал задерживается на ту же величину, но при условии, что время запаздывания кратно периоду квантования. Наблюдаемое явление обусловлено тем, что система управляется таймером. Реакция системы за­ висит от того, как оно синхронизировано с таймером вычислительной си­ стемы.

При работе с дискретными сигналами важно выбрать частоту кванто­ вания так, чтобы она была достаточно велика по сравнению с частотной составляющей сигнала. Кроме того, перед квантованием важно профиль­ тровать непрерывный сигнал, чтобы частотные составляющие, превышаs ющие частоту Найквиста о n = — где o s - угловая частота квантова­ ния (рад/с), не искажали низкочастотные компоненты вследствие эффекта поглощения или наложения частоты.

Э тап ы р азв и ти я теории. Т еорем а о кв ан то ван и и. Все цифровые системы управления оперируют со значениями параметров процесса толь­ ко в дискретные моменты времени, поэтому важно знать условия, при ко­ торых непрерывный сигнал может быть полностью восстановлен по дис­ кретным выборкам. Фундаментальный результат был получен Найквистом, который показал, что для восстановления синусоидального сигнала его необходимо квантовать по крайней мере дважды за период [108,110,111].

Если моменты квантования следуют достаточно часто, то при кванто­ вании непрерывного сигнала потери информации незначительны, и наобо­ рот. Для квантования непрерывного сигнала необходимо знать, при каких условиях он однозначно представляется своими дискретами. Теорема Ш еннона дает условия для случая периодического квантования [112].

Р азн остн ы е уравн ен и я. Анализ различных систем управления в про­ цессе развития теории цифровых систем показал, что многие свойства объ­ екта можно понять, анализируя линейное, стационарное разностное урав­ нение. Разностное уравнение здесь заменяет дифференциальное уравнение для непрерывных систем, а устойчивость систем может быть исследована, например, методом Ш ура-Коха, эквивалентным критерию Рауса-Гурвица [108,110,111].