РЕГУЛАЦИЈА ХИДРОСТАТИЧКИХ ПОГОНА МОБИЛНИХ МАШИНА

Transcript

1 УНИВЕРЗИТЕТ У НИШУ МАШИНСКИ ФАКУЛТЕТ UNIVERITY OF NI FACULTY OF ECHANICAL ENGINEERING ЧЕТВРТИ СИМПОЗИЈУМ СА МЕЂУНАРОДНИМ УЧЕШЋЕМ ТРАНСПОРТ И ЛОГИСТИКА THE FOURTH YPOIU WITH INTERNATIONAL PARTICIPATION TRANPORT AND LOGITIC erbia, Nis Ниш, Србија РЕГУЛАЦИЈА ХИДРОСТАТИЧКИХ ПОГОНА МОБИЛНИХ МАШИНА Проф. др Драгослав Јаношевић, Весна Николић, дип. маш. инж. Миљан Ђорђевић, студент Срђан Поткоњак, студент Универзитет у Нишу, Машински факултет Резиме У раду су дати резултати анализе начина и критеријума регулације хидростатичких система мобилних машина. Посматрају се хидростатички системи које образују затворена хидрауличка кола: са хидропумпом променљивог и хидромотором константног специфичног протока, са хидропумпом и хидромотором променљивог специфичног протока. При упоредној анализи, за наведене варијантне хидростатичких система, посматра се однос улазних и излазних параметара и дефинишу могућности регулације система. Начини регулације хидростатичких система дати су кроз структурну анализу мехатртоничких система као носиоца сигнала регулације и анализу софтвера у којима су садржани критеријуми регулације система. Кључне речи: хидростатички системи, регулација. УВОД Хидростатички системи са хидропумпама и хидромоторима, за пренос енергије код мобилних машина, образују следећа могућа затворена хидрауличка кола: са хидропумпом и хидромотором константног специфичног протока, са хидропумпом променљивог и хидромотором константног специфичног протока (сл., са хидропумпом константног и хидромотором променљивог специфичног протока (сл., г) са хидропумпом и хидромотором променљивог специфичног протока (сл.. Наведене могуће варијанте хидростатичких система имају различите катактеристике и могућности регулације али у основи имају исту конфигурацију коју чинe: дизел мотор (сл.), еластична спојница, главна хидропумпа, помоћна хидропумпа за прехрањивање система., систем управљања, хидромотор, вентил сигурности потисних водова главне хидропумпе 6. и вентил сигурности помоћне пумпе 6.. У овом раду, при упоредној анализи, посматра се однос улазних и излазних параметара система. Улазни параметри система су број обртаја (сл.) и момент, односно снага N на вртилу хидропумпе. Параметри механичке снаге на вратилу хидромпумпе одговарају броју обртаја e и моменту e, односно снази N e погонског мотора. Хидропумпа механичке параметре снаге претвара у параметре хидрауличке снаге у облику притисака и протока система, које хидромотор трансформише поново у параметре механичке снаге N, у облику броја обртаја и момента на излазном вратилу хидромотора, односно на излазу система. При упоредној анализи посматрају се идеални хидростатички системи, без механичких, хидрауличких и других губитака, са укупним степеном искорисности u =. Осим тога, узима се да погонски дизел мотор ради константним бројем обртаја e =cost= при максималној снази N e =N. Наведене претпоставке немају утицаја на принципијелне анализе функција система []. е е е е e e N e. cost N,, =cost 6. о,. 6. =cost cost 6. N o, N cost, cost o, N N Сл. Хидростатички системи са хидропумпама и хидромоторима у затвореним хидрауличким колима који се користе за пренос енергије код мобилних машина N

2 На основу уведених претпоставки, према једначини континуитета, проток хидропумпе једнак је протоку хидромотора, односно протоку система : = = () Према изразима за проток хидропумпе и хидромотора k () 000 k () 000 на основу једначине добија се преносни однос i система: () i који показује да се излазни број обртаја хидромотора може мењати, за константни улазни број обртаја хидропумпе, = e =cost, променом специфичног протока хидропумпе и хидромотора. За идеални систем, снага N хидропумпе једнака је снази N хидромотора, односно снази система : N =N = () Према изразима за снагу хидропумпе и хидромотора: N N k (6) k (7) на основу једначина и добија трансформације i система: се коефицијент (8) i i који показује да се излазни момент хидромотора може мењати, за константни улазни момент погонског мотора, = e =cost, променом специфичног протока хидропумпе и променом специфичног протока хидромотора. Пошто је специфични проток хидромотора константан, =cost, према једначини, променом специфичног протока хидропумпе постиже се линеарна промена излазног броја обртаја хидромотора: e k 0 0 (9) Када је хидропумпа у неутралном положају ( =0) нема преноса енергије кроз систем - вратило хидромотора се не окреће ( =0) (сл.. Са порастом специфичног протока хидропумпе расте проток и снага N хидропумпе, односно система, уз могућност постизања максимално могућег момента ax на излазном вратилу хидромотора који има вредност: ax ax (0) где је:δ ax = ax - o - максимални пад притиска у хидромотору изражен као разлика максималног притиска ax у потисном воду хидромотора (одговара притиску отварања вентила сигурности 6. систем и притиска o у повратном воду хидромотора. Са порастом броја обртаја хидромотора максимални излазни момент је могуће одржати све до достизања максималне снаге система, када специфични проток o хидропумпе, према једначинама и 0, има вредност: е е. cost N, =cost 6. о, N. РЕГУЛАЦИЈА ПАРАМЕТАРА СИСТЕМА У наставку рада дата је анализа параметара система са хидропумпом променљивог и хидромотором константног специфичног протока и система са хидропумпом и хидромотором променљивог специфичног протока који су највише заступљени као погонски системи мобилних машина... Системи са хидропумпом променљивог и хидромотором константног специфичног протока Код ових система, на основу одређеног мануелног, хидрауличког, електричног или електронског улазног сигнала управљања (сл., који се у регулатору трансформише у сигнал регулације хидропумпе, врши се промена специфичног протока хидропумпе у интервалу =[0, ax ]. e e =0 ax Сл. Систем са хидропумпом променљивог и хидромотором константног специфичног протока: шема, карактеристике дизел мотора, излазне карактеристике хидромотора o o ax Δ ax i 6

3 o e () ax ax коме одговара број обртаја o хидромотора: o o e () ax Да би се, при даљем повећању броја обртаја хидромотора ( > o ), одржала константна снага =N e =cost потребно је да се специфични проток хидропумпе мења према једначини: e e k o () где је: Δ=- o - пад притиса у хидромотору при притиску < ax у потисном воду хидромотора, односно хидропумпе, k - константа. Последња једначина показује да се, при постављеном услову, специфични проток хидропумпе мења обрнуто пропрционално повећању притиска хидромотора, што одговара регулацији хидропумпе по критеријуму константне снаге. На основу једначина и 8 добија се хиперболична зависност момента и броја обртаја хидромотора (сл.: k e e e () o односно, према претходној једначини, следи и хиперболична зависност пада притиска Δ и броја обртаја хидромотора (сл.: k e e () o где је: k e,k - константe. Према једначинама и, пошто је специфични проток хидромотора константан, проток хидропумпе се линеарно мења са порастом броја орбртаја хидромотора (сл.: k (6) 000 Максимални број обртаја ax хидромотора се постиже при максималном специфичном протоку ax хидропумпе: ax ax e (7) при чему је могуће остварити минимални момент хидромотора: i (8) e ax Максимални преносни однос система износи: ax i ax (9) Хидростатички системи са хидропумпом променљивог и хидромотором константног специфичног протока се често примењују. Омогућују континуалну промену броја обртаја хидромотора променом специфичног протока хидропумпе. Осим тога могуће је остварити регулацију хидропумпе тако да се при различитим оптерећењима хидромотора користи максимална расположива снага дизел мотора... Системи са хидропумпом и хидромотором променљивог специфичног протока Код ових система, на основу одређеног мануелног, хидрауличког, елекртичног или електронског улазног сигнала управљања (сл., који се у регулатору трансформише у сигнал регулације хидропумпе и сгнал регулације хидромотора, врши се, наизменично или симултано, промена специфичног протока хидропумпе у интервалу =[0, ax ] и специфичног протока хидромотора у интервалу =[ i, ax ]. Промена броја обртаја хидромотора, према једначини, зависи од промене специфичног протока хидропумпе и специфичног протока хидромотора: (0) e тако да се минимални број обртаја i хидромотора постиже при минималном специфичном протоку i хидропумпе и максималном специфичном протоку ax хидромотора: e e N e N е cost e e =0 ax, o Сл. Систем са хидропумпом и хидромотором променљивог специфичног протока: шема, карактеристике дизел мотора, излазне карактеристике хидромотора o cost ax o, Δ i ax ax N i 7

4 i i ax e i ax i 0 i 0 () а максимални број обртаја ax хидромотора при максималном специфичним протоку ax хидропумпе и минималном специфичном протоку i хидромотора: ax ax i e ax () i Први део регулације система је са константним специфичним протоком хидромотора, =cost, (сл. и променљивим специфичним протоком хидропумпе, cost, и одвија се до броја обртаја хидромотора чија је вредност: ax ax e ax () ax У овом делу регулације система максимално могући момента ax на излазном вратилу хидромотора износи: ax ax ax () Други део регулације система је са константним специфичним протоком хидропумпе, =cost, (сл. и променљивим специфичним протоком хидромотора, cost при чему је могући минимални момент хидромотора: i i e i ax ax () ax i.. Регулација броја обртаја Хидростатички погонски систем затвореног кола са хидромотором (сл., константног специфичног Максимални преносни однос система износи: i ax нтролера улазни аналогни сигнали се прво петварају у дигиталне а затим се обрађују одговарајућим софтвером. Обрађени дигитални сигнали се поново претварају у излане аналогне сигнале помоћу којих се преко регулатора одговарајућих карактеристика врши управљање и регулација компонената погонског система машине: дизел мотора, хидропумпи и актуатора (хидромотора и хидроцилиндар 6. Микроконтролер је, осим са сензорима и потенциометрима, повезан са мониторинг системом (дисплејом) 7 за праћење параметара сатања система и са спољним уређајима: командним пултом 8 или рачунаром 9 са софтвером за дијагностику и параметарско подешавање система. Комуникација сигнала мехатроничког система остварује се CAN Bus (Cotroller Area Network) магистралама 0. Мехатроничким системима управљања код мобилних машина, поред осталог, постигнута je: аутоматска регулација трансмисија кретања према програмираним критеријумима функција уз ограничења везана за стабилност кретања при проклизавањању, преоптерећење погонског мотора и његову минималну и еколошку потрошњу горива, аутоматизација (роботизациј функција манипулатора и непрекидна дијагностика и мониторинг параметара система према ергономским захтевима и стандардима. Према захтевима функција мобилних машина развијени су софтверски пакети (програмиране картице) са којима се опремају микроконтролери мехатроничких система управљања. У наставку се дају неколико примера решених захтева мехатроничким системом управљања и регулацује код мобилних машина. (6) Хидростатички системи са хидропумпом и хидромотором променљивог специфичног протока су нашли широку примену јер омогућују, у односу на остале системе, знато већи преносни однос i система, поред континуалне промене броја обртаја хидромотора уз коришћење максималне расположиве снагe погонског мотора. ПОТЕНЦИОМЕТРИ СЕНЗОРИ МИКРОКОНТРОЛЕР Електроника Хидростатика РЕГУЛАТОРИ ПОГОНСКИ СИСТЕМ. ПРИМЕРИ РЕГУЛАЦИЈЕ СИСТЕМА Системи управљања савремених мобилних машина се остварује мехатроничким системима које у основи граде (сл. : електронске компоненте са: сензорима, потенциометрима и микроконтролерима и хидростатичке комоненте са: регулаторима дизел мотора, хидропумпи, хидромотора и актуатора погонског система машине. Уопштено, мехатронички систем управљања функционише тако што сигнали стања кинематичког ланаца и погонског система машине, прикупљени сензорима (сл., и командни сигнали руковаоца, пренети преко потенциометара, чине улазне (најчешће аналогне) сигнале микроконтролера. Помоћу микроко CAN- Bus 0 6 Сл. Општи модел мехатроничког система са компнентама за управљање мобилних машина 8

5 протока, и хидропумпом, променљивог специфичног протока, погоњеном преко елестичне спојнице дизел мотором, има мехатронички систем управљања и регулације који омогућује жељену континуалну промну броја обртаја (сл. излазног вратила хидромотора без обзира на број обртаја дизел мотора и оптерећење система. Жељено управљање и регулација система је остварена микроконтролером, са одговарајућом програмском картицом. Улазне сигнале добијене од сензора. броја обртаја на излазном вратилу хидромотора и потенциометра 6 којим се помоћу командне ручице бира жељени број обртаја хидромотора, микроконтролер обрађује одговарајућим софтвером тако да се добијају излазни сигнали за регулатор. хидропумпе и регулатор. пумпе за убризгавање горива дизел мотора. Зависно од разлике сигнала који дају сензор. и потенциометар 6, односно зависно од разлике тренутног и жељеног броја обртаја хидромотора, микроконтролер даје сигнале регулације за промену убризгавања горива, односно броја обртаја, дизел мотора и специфичног протока хидропумпе. При чему се оствари жељени број обртаја (сл. хидромотора, од минималне до максималне вредности, у оба смера R и V окретања, према задатом ходу командне ручице, односно према јачини струје I потециометра R.. V.. Регулација тарансмисије кретања Мехатронички систем са CAN Bus магистралом се користи, поред осталог, и за управљање променом степена преноса, под оптерећењем, мењача 6 (сл., на пример, код трансмисије утоваривача. Хидропумпа трансмисије, погоњена дизел мотором, напаја у затвореном колу два хидромотора и спојена за улазним вратилима мењача 6. Излазна вратила мењача су карданским вратилима повезана са погонским мостовима 7 за чије су бочне редукторе причвршћени точкови 8 кретног механизма машине. CAN Bus магисралом микроконтролер 9 добија улазне сигнале: сензора броја обртаја и положаја педале гаса 0 дизел мотора, сензора. и. броја обртаја хидромотора и, сензора 6. на излазном вратилу мењача, и сигнале: положаја ручице за промену степена преноса мењача и положаја команде смера кретања машине. Kао излазне величине микроконтролер 9 даје електричне сигнале за управљање спојницама 6. и 6. мењача 6 и електрични сигнал за регулатор. хидропумпе који омогућују да се под оптерећењем мењача синхронизованим укључивањем спојница и регулацијом протока хидропумпе, односно броја обртаја хидромотора и, оствари непрекидна и безтрзајна промена степена преноса мењача 6 зависно од услова кретања машине и стања погона трансмисије, уз пун комфор руковаоца... Синхронизација управљања 7 CAN- Bus. CAN- Bus I[%] Као пример издвојн је мехатронички систем управљања виљушкара са дизел мотором (сл..0г) који погони две хидропумпе. и. хидростатичког погонског система машине. Хидропумпа. напаја хидромоторе за погон кретног механизма. Хиропумпа. помоћу приоритетног 8.. г) 9 0 Сл. Мехатронички систем управљања мобилних машина [][] 9

6 вентила. напаја: преко главних разводника и 6 са електричним активирањем, хидроцилиндре 8 и 9 за закретање рама и подизање виљушке манипулатора, преко сервоуправљача 7 хидроцилиндар 0 на управљачком мосту кретног механизма машине. Микроконтролером се управљају и регулишу параметри трансмисије кретања машине. Микроконтролери и управљају и регулишу кретање манипулатора, добијајући сигнале од електронских командних разводника и. Заједничким радом свих микроконтролера, опремљених одговарајућим софтверима, постигнуто је синхронизовано кретање и манипулисање машине уз еколошки и економични рад дизел мотора и пун комфор руковаоца.. ЗАКЉУЧАК Хидростатички системи са хидропумпама и хидромоторима у затвореном хидрауличком колу су нашли велику примену као погонски системи и системи управљања бројних мобилних (грађевинских, транспортних, рударских, комуналних, пољопривредних, шумских,...) машина. Карактеристино је да се параметри хидростатичих система коришћењем мехатроничких система управљања могу врло лако регулисати програмирањем софтвера и прилагодити потребним параметрима функција система. Најновији модели свих врста мобилних машина имају комплетне мехатроничке системе управљања које, према захтевима, модуларно решавају и изводе специјализовани светски произвођачи []. Мехатроничким системима управљања код мобилних машина, поред осталог, постигнута je: аутоматска регулација погонских система, аутоматизација (роботизациј функција манипулатора и непрекидна дијагностика и мониторинг параметара система према ергономским захтевима и стандардима. Рад је урађен у оквиру пројекта технолошког развоја број 009 који финансира Министарство просвете и науке Републике Србије. HYDROTATIC DRIVE REGULATION ON OBILE ACHINE Prof. dr Dragoslav Jaosević,.c. Ig. Vesa Nikolić, ilja Đorđević, rđa Potkojak Uiversity of Nis echaical Egieerig Faculty Abstract: This aer resets the results of the etod aalysis ad criteria for regulatio of hydrostatic syste cotrol for obile achies. Observig the hydrostatic systes that for closed hydraulic circuits: a) with variable hidrou ad hidrootor with costat secific flow rate, b) with hidrou ad hidrootor with variable secific flow. I the coarative aalysis of these variats of hydrostatic systes, the relatioshi betwee iut ad outut araeters is observed ad ossibilities of systes regulatio are defied. Ways to cotrol hydrostatic syste are reseted through the structural aalysis of echatroic systes as the regulatio sigal carrier ad aalysis of software cotaiig the criteria for systes cotrol. Key words: hydrostatic systes, regulatio Адреса: проф. др Драгослав Јаношевић, Универзитет у Нишу, Машински факултет у Нишу, А. Медведева, 8000 Ниш, Србија, jaos@asfak.i.ac.rs. ЛИТЕРАТУРА [] Јаношевић Д.: Пројектовање мобилних машина, Машински факултет Универзитета у Нишу, IBN (COBI.R-ID 678), Свен, Ниш, 006. [] Bosch Rexroth AG: obile 006, Iteratioal obile Hydrauliks Coferece, Ul, Elchige, 006. [] Bosch Rexroth AG: Produktkatalog obilhydraulik, Ul, Elchige, 00. 0