Синхронизация в многодвигательных гидромеханических системах

Введение. Условие абсолютной синхронизации — соблюдение пропорциональности линейных и угловых перемещений гидродвигателей и всех производных от них по времени. Часто бывает необходимо синхронизировать:

• однородные линейные или вращательные движения двух и более гидроприводов,
• один двигатель с поворотом второго.

В станкостроении и машиностроении при синхронизации приводов важно учитывать ошибки синхронизации по положению. В статье рассмотрены способы синхронизации гидродвигателей в многодвигательных системах с делителем потока, а также примеры применения таких систем в промышленности. Помимо этого обсуждается применение многопоточного дроссельного делителя потока беззолотникового типа в качестве синхронизирующего устройства многоосной колесной сцепки гидравлической транспортной платформы.

Фундаментальные труды о гидромеханических системах известны с древности. Самый ранний из сохранившихся — трактат Архимеда «О плавании тел». Сегодня применение сложных многоуровневых и разветвленных гидросистем достаточно исследовано, однако остается актуальным вопрос управления и регулирования в гидроприводе^{1 2} [1–4] для повышения его КПД и уменьшения габаритов системы.

В разряд сложных гидросистем входят такие, где один гидронасос питает два или более независимых гидродвигателя. При этом независимо от нагрузки на выходные звенья должна обеспечиваться синхронность их движений. Требуемая точность синхронизации определяет выбор ее способа. Простейший из них — обеспечение жесткой механической связи гидродвигателей. Однако для систем со сложным расположением исполнительных органов в пространстве он не применим. Наиболее распространенные методы:

• с помощью связанных валом гидромоторов или гидронасосов (объемная синхронизация);
• с последовательным соединением полостей гидродвигателей;
• с гидравлическими следящими системами с распределителями и гидротахометрами,
• с гидромеханическими и электрогидравлическими следящими системами.

Наиболее целесообразные и простые средства синхронизации в мобильных машинах и технологическом оборудовании — это дроссельные делители и сумматоры потоков^{3 4} [5–8]. Гидравлический делитель потока разделяет один поток рабочей жидкости на два или более. При этом учитывается заданное соотношение и требуется обеспечить синхронное (согласованное) движение выходных звеньев независимо от их нагрузки. Сумматор потока действует аналогично делителю, но в обратном направлении. Он легко интегрируется в гидравлическую систему, дешев и удобен в эксплуатации. Сумматоры потока обеспечивают синхронизацию в широком диапазоне скоростей движения выходных звеньев гидродвигателей.

В классической конструкции дроссельного делителя в качестве запорно-регулирующего элемента используются золотниковые пары [5]. Это обусловливает характерные недостатки таких делителей. Например, высокая себестоимость прецизионных золотниковых пар объясняется сложностью изготовления, большой долей таких высокоточных операций, как хонингование, шлифование, электроэрозионная обработка. Селективная сборка и доводка золотниковых пар делает их практически неремонтопригодными, что тоже повышает их эксплуатационную стоимость. Вышеизложенное также указывает на восприимчивость системы к качеству гидравлической жидкости, к которой предъявляют весьма высокие требования [6].

Известны попытки конструировать делители без золотниковых пар^{5 6 7 8}. Исследовались возможности улучшения характеристик золотниковых делителей. Следует отметить, что перечисленные конструкции делителей потока обеспечивают синхронизацию только двух исполнительных механизмов, и это значительно сужает сферу их применения. Цель настоящего исследования — поиск перспективной конструкции многопоточного дроссельного делителя, отвечающего требованиям эксплуатации мобильных машин.

Материалы и методы

Многодвигательные гидромеханические системы. Известны гидросистемы, в состав которых входит более двух рабочих органов (как реверсируемых, так и не реверсируемых). В зависимости от условий эксплуатации они требуют постоянной или кратковременной синхронности движения с постоянным или изменяемым соотношением скоростей. К таким системам, в частности, можно отнести:

• ходовые гидроприводы мобильных машин,
• вытягивающие прессы для крупного листового проката,
• штамповочные станки для габаритных деталей,
• группы гидродомкратов для подъема фундаментов зданий,
• гидроприводы складывания рулевого оперения в аэрокосмической технике,
• системы позиционирования лепестков рефлекторного зеркала радиотелескопа.

Применение в таких системах известных дроссельных делителей потока беззолотникового типа, несомненно, улучшает эксплуатационные характеристики. В то же время число синхронизируемых рабочих органов ограничено двумя на один делитель потока. Данное ограничение вынуждает конструкторов использовать последовательное каскадирование делителей потока. Вследствие этого на выходе из каскадов деления растут потери давления (до 30 %) и суммируется ошибка синхронизации каждого делителя. Немаловажно и увеличение объема, занимаемого гидроаппаратурой. В целом, такой подход технически не оправдан и затратен в финансовом отношении.

В этой связи стоит отметить конструкцию дроссельного делителя потока мембранного типа⁹. Его можно использовать в реверсивных гидросистемах, в которых нужно динамично менять соотношение скоростей исполнительных органов. Кроме того, данная конструкция позволяет создать на ее основе делитель на 3, 4 и более независимых потоков¹⁰.

Рассмотрим применение дроссельного делителя потока беззолотникового типа на примере гидрообъемной трансмиссии колесного привода многоосных транспортных шасси.

Для конструирования трансмиссионных систем современных полноприводных автомобилей, как правило, применяются блокированная и дифференциальная схема. Блокированная трансмиссия обеспечивает жесткую связь ведущих колес. Дифференциальная характеризуется разветвлением одного входящего потока мощности между ведущими мостами и колесами через специальный дифференциальный узел. Существуют и комбинированные трансмиссионные схемы, в которых одна часть колес объединена дифференциальной связью, а другая — блокированной (например, блокировка нескольких дифференциалов). Для трансмиссионных систем невозможна принудительная регулировка:

• подводимой мощности к одному или нескольким колесам,
• одного моста независимо от других.

Наличие в трансмиссионной системе шасси гидропривода позволяет индивидуально подводить мощности к колесам и обеспечивает бесступенчатое регулирование в широком диапазоне значений. Конструкция гидропривода компактна, устойчива к внешним атмосферным воздействиям. К тому же у гидропривода, как правило, большой диапазон регулирования, что важно для автомобиля высокой проходимости. Еще одно преимущество гидрообъемного привода колес — возможность быстрого реверсирования. Это важно при прохождении препятствий путем раскачивания. Гидрообъемный привод колес обеспечивает длительное движение на минимальной скорости с высоким тяговым усилием, что также повышает проходимость автомобиля.

Гидравлическая схема ходовой части для одной оси такой машины в общем виде представлена на рис. 1.

Рассмотрим систему гидрообъемной трансмиссии. Двигатель внутреннего сгорания 6 передает крутящий момент на реверсивный гидронасос 5, который соединен трубопроводами и гидрораспределителем 4 с делителем потока 1 и гидромоторами 2. Валы гидромоторов связаны с ведущими колесами. Зачастую аксиально-поршневые или радиально-поршневые гидродвигатели конструктивно соединены с колесом. Такая компоновка образует единый узел «гидромотор — колесо». Во время работы двигателя гидронасос обеспечивает гидромоторы ведущих колес гидродинамическим напором жидкости, который в дальнейшем преобразуется в механическую работу. В зависимости от конструктивного исполнения гидроагрегатов рабочее давление в системе находится в диапазоне 25–50 МПа. Эксплуатация узла «гидромотор — колесо» повышает проходимость шасси в результате непрерывного потока мощности и плавного изменения крутящего момента.

Компании Scheuerle и Kamag (Германия) выпускают модульные гидравлические транспортные платформы: средние — FlatCombi K22 и тяжелые самоходные — InterCombi K25 (рис. 2).

Модули средних серий шириной 2750 и 3000 мм рассчитаны на нагрузку 23 и 25 т на одну ось при скорости до 10 км/ч. Модули тяжелых серий оснащают 2–6-колесными осями. Ширина платформы — 3000 и 3100 мм, нагрузка на одну ось — 36–45 т. Самоходные модули приводятся в движение силовыми установками PowerBooster. Варианты их объединения:

• одна платформа, на которую укладывают мостовое строение,
• две тележки с опорно-поворотными столами.

В отечественном машиностроении можно выделить перспективную конструкцию многоосного, полностью гидравлического шасси, разработанную Центральным научно-исследовательским автомобильным и автомоторным институтом «НАМИ». Это трехосный автомобиль «Гидроход-49061»¹¹ (рис. 3).

В конструкции этой машины реализована идея «гибкого колесного привода», которая предусматривает индивидуальный гидронасос для каждой из трех колесных осей. Транспортер построен на базе шасси «ЗИЛ4906». Оснащение шасси гидрообъемной трансмиссией позволяет реализовать все возможные типы колесных трансмиссий: блокированный, дифференциальный, с индивидуальным регулированием — и их комбинации. Промышленность заинтересована в развитии производства объемно-гидравлических колесных шасси высокой проходимости, что стимулирует новые исследования в этой области.

Делители потока широко применяются в схемах гидравлических трансмиссий для обеспечения блокирования дифференциала, что позволяет увеличить проходимость препятствий. Делитель потока гарантирует, что оба синхронизируемых колеса всегда будут создавать тяговое усилие, даже если одно из них находится на мягком или скользком грунте. Но для синхронизации и управления потоком в 4- и 6-осной конструкции необходимо последовательно соединить несколько делителей, причем с изменяемым соотношением деления по управляющему сигналу.

Результаты исследования. Рассматриваемые четырехпоточные делители можно отнести к одному из двух типов. В первом случае речь идет о конструкциях с золотником. Это каскад из трех делителей потока в одном корпусе. В качестве примера можно привести делитель потока Poclain FD-M4 (Франция)¹². На рис. 4 изображены его внешний вид и гидравлическая схема.

В конструкциях второго типа не предусмотрена возможность менять соотношение деления по внешнему управляющему сигналу. Это ограничивает сферу применения делителей в управляемых многодвигательных гидросистемах. Разработка многопоточного дроссельного делителя потока на основе конструкций, созданных в 1989 и 1991 годах^{13 14}, позволит сократить число гидронасосов, избавиться от последовательного соединения двухпоточных делителей (соответственно, снизить потери давления в гидросистеме), а также реализовать адаптивное управление гидродвигателями многодвигательных мобильных машин [7].

Так, например, можно получить делитель-сумматор на четыре потока (рис. 5) путем добавления выпускной камеры 16, связанной с камерой мембраны 10 через канал, входящий в сопло трубки Вентури 3. При этом левые камеры 15, 16 и правые камеры 17, 18 можно связать подвижным плунжером 13 между камерами 16 и 17.

Опишем принцип работы делителя-сумматора потоков с чувствительными элементами в виде трубок Вентури. Во время деления потока рабочая жидкость направляется на вход делителя-сумматора 1. Далее потоки разделяются между чувствительными элементами 2, 3, 4 и 5. Они выполнены в виде трубок Вентури, и их горловины соединены с прилегающими рабочими камерами 6, 7, 8 и 9. При этом камеры 6, 7 и 8, 9 — исполнительные элементы конструкции. Они отделены друг от друга мембранами 10 и 11 и жестко закреплены в теле подвижных плунжеров 12 и 14. Подвижный плунжер 13 обеспечивает связь между левой и правой частями делителя. После трубок Вентури потоки жидкости проходят через осевые и радиальные проточки плунжеров 12 и 13, а далее попадают на переменные сопротивления 15, 16 и 17, 18 и к выходным каналам 19, 20 и 21, 22.

Допустим, гидродвигатели на всех ветвях испытывают одинаковую нагрузку. Соответственно, в ветвях расходы одинаковы, а, значит, одинаковы и расходы через соответствующие им трубки Вентури. В горловинах трубок Вентури будут одинаковые скоростные напоры, поэтому давления в камерах управления будут также равны. С обеих сторон будет одинаковым давление на стенки мембранных элементов исполнительных механизмов, и это приведет их в уравновешенное состояние.

В случае возрастания нагрузки (например, на гидродвигателе присоединенном к выходному каналу 19) сократится расход в соответствующей ветви и соединенной с ней трубкой Вентури 2. Как следствие, уменьшится скоростной напор в ее горловине, а, значит, давление в ней увеличится. В свою очередь, это приведет к повышению давления в рабочей камере 6. В результате нарушится равновесие мембраны 10, и она будет сдвигаться вправо. Плунжер 12 также станет перемещаться вправо, сужая живое сечение переменных сопротивлений 16 и 17, которые через подвижный плунжер 13 связаны с сопротивлением 16. В результате в соответствующих ветвях и трубках Вентури 3 и 4 расход уменьшится. Плунжер 14 начнет перемещаться вправо и уменьшит живое сечение переменного сопротивления 18. Этот процесс будет продолжаться до уравновешивания расходов во всех ветвях делителя.

В режиме суммирования потоки для объединения подводятся к выходным каналам делителясумматора, и его рабочий процесс идет в обратном порядке.

Стоит отметить, что еще на стадии разработки необходимо знать надежность и функциональные свойства предложенной конструкции делителя-сумматора. Лучшие способы получить необходимые данные — моделирование и численные эксперименты¹⁵ [9–13]. 

Обсуждение и заключения. Широкое применение многодвигательных разветвленных гидравлических систем в промышленной и мобильной технике часто предполагает синхронизацию их исполнительных механизмов. В зависимости от условий эксплуатации и требований к функциональности используются решения на основе сложных конструкций из регулируемых объемных гидромашин или дроссельных делителей потока [5–8]. В случаях, когда необходимо задействовать механизм согласования на короткое время, наиболее экономичным, на наш взгляд, способом синхронизации является использование дроссельного делителя потока. Рассмотренные гидромашины (рис. 2, 3) в полной мере соответствуют понятию многодвигательной гидросистемы. Применение дроссельных делителей потока в конструкции ведущих колесных осей таких машин обеспечит реализацию дифференциальной схемы без механической трансмиссии. Это повысит проходимость и позволит эффективно управлять гидроприводами колесной пары.

На рынке не представлены многопоточные дроссельные управляемые делители потока. Это указывает на востребованность их разработки.

Дальнейшая работа по проектированию четырехпоточного делителя-сумматора потока описанной в статье конструкции будет направлена на создание математической модели. Ее базой станут основы теории объемной жесткости ^{16 17 18} [14–16]. Это позволит уточнить физические размеры элементов делителя-сумматора и рассчитать допустимые режимы работы.