Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ ШАГАЮЩИХ МАШИН: МОНОГРАФИЯ
Семенов С. Е., Щербачев П. В., Тарасов О. И.,
Подходы, принципы, решения
Вариантов построения системы гидроприводов очень много, и при выборе наиболее подходящего кроме перечисленных выше факторов следует учитывать характер работы приводов при движении шагающей машины, а также особенности характеристик гидроприводов различных классов. В настоящее время наибольшее распространение получили гидроприводы с объемным и дроссельным управлением (или просто объемные и дроссельные гидроприводы) [13, 14], а также их комбинации. Основное преимущество объемных гидроприводов – высокий КПД в широком диапазоне режимов работы – применительно к ШМ нивелируется их относительно большими массой, габаритами и стоимостью при низком (относительно дроссельных гидроприводов) быстродействии. Кроме того, у каждого канала объемного привода должен быть свой регулируемый насос, от которого к соответствующему исполнительному гидродвигателю идет не менее двух трубопроводов. При использовании на ШМ, где приводов не менее 12, это очень усложняет и утяжеляет конструкцию.
Гораздо лучше для ШМ подходят дроссельные гидроприводы. Их основными преимуществами являются малые (по сравнению со всеми другими видами приводов) габариты и масса, высокое быстродействие, возможность питания группы приводов от одного насоса, высокая надежность, точность, значительно меньшая по сравнению с объемными приводами стоимость. Однако у дроссельных гидроприводов трудно получить высокий КПД, что вызвано примитивным по сути способом регулирования, основанном на рассеянии энергии на регулируемом гидравлическом сопротивлении. Однако если посмотреть на рабочую характеристику дроссельного привода [13], легко заметить, что при повышении нагрузки на привод и приближении ее к тормозной, КПД гидравлической части привода (без учета КПД насосной станции и механических потерь) стремится к 100 %. Отсюда появление столь популярных в настоящее время систем гидроприводов с LS-управлением [15].
Однако использование традиционного уже для многих классов машин с LS-управления не решает в полной мере проблему энергоэффективности систем гидроприводов шагающих машин. Как правило, при движении ШМ часть ног являются опорными, а другие переносятся к новым опорным точкам. При этом опорные ноги нагружены весом машины, а переносимые – нет. Гидроприводы переносимых работают фактически вхолостую. При динамической ходьбе [12] фаза переноса ног приближается по длительности к 50 % от длительности шагового цикла, а при беге она еще больше. Поэтому даже при использовании LS-управления средняя энергоэффективность системы приводов шагающей машины будет значительно меньше 50 %.
Ряд авторов предлагают для решения этой проблемы использовать несколько линий гидропитания с разным давлением, что позволяет значения тормозных усилий всех приводов приблизить к рабочим нагрузкам. В частности, предлагают разместить на ШМ несколько насосов (на каждую ногу свой) и реализовать раздельное LS-управление для каждой ноги. Однако с учетом размеров, массы и стоимости каждого насоса и LS-регулятора такое решение не представляется наилучшим. Так как нагрузки на опорные ноги близки по величине, в гидросистеме ШМ можно обойтись двумя линиями питания – для опорных и переносимых ног соответственно. В процессе движения группы приводов (например, все приводы одной ноги) или отдельные приводы с помощью дополнительных распределителей следует переключать с одной линии на другую, в зависимости от фазы движения. Для сокращения количества дополнительных распределителей группы приводов можно укрупнить, учитывая особенности работы ног в основном режиме движения ШМ. Например, для четырехногой ШМ поступившись энергоэффективностью работы системы приводов в режиме статической ходьбы или иноходью, можно объединить в группы приводы ног, расположенных по диагонали. В этом случае количество дополнительных распределителей сокращается до двух.
Нагрузки на приводы переносимых ног создают в основном их вес и силы инерции, определяемые инерционными характеристиками ног и законом движения. Величины этих нагрузок могут быть оценены заранее на этапе проектирования, поэтому соответствующим образом может быть выбрано давление питания приводов ног в фазе переноса, и LS-управление можно не использовать. Это упрощает, удешевляет и облегчает соответствующую секцию бортовой насосной станции.
Нагрузки на приводы опорных ног на порядок больше. Они сильно изменяются в зависимости от решаемой машиной задачи, массы ее полезной нагрузки, способа движения машины и фазы шагового цикла, поэтому в источнике высокого давления LS-управление использовать более чем целесообразно. Такое управление может быть реализовано разными способами. Принципиально то, что давление в линии гидропитания постоянно удерживается на уровне, минимально необходимом для работы наиболее нагруженного привода.
В мобильных машинах традиционно используется гидравлический способ управления насосом, при котором к LS-регулятору информация о давлениях в полостях гидродвигателей подводится по специальным гидролиниям, а LS-регулятор удерживает давление в линии питания выше наибольшего из них на фиксированную величину. Однако применительно к ШМ это приводит к дополнительным компоновочным сложностям, к увеличению габаритов и массы машины, неоправданным потерям энергии из-за завышенного на ряде режимов движения давления питания. Применение современных насосов с электроуправлением позволяет избавиться от этих недостатков. Нагрузки на приводы могут быть определены с помощью датчиков давления либо датчиков силы (момента), которые в любом случае должны быть установлены и использоваться для согласованного управления приводами как единой системой, а давление в линии питания может гибко регулироваться в соответствии с реальными потребностями гидроприводов с учетом текущего режима движения машины.
Создание эффективной электрогидравлической системы приводов ШМ немыслимо без использования высококачественных электрогидравлических усилителей (ЭГУ), обладающих линейной регулировочной характеристикой, высоким быстродействием. Особенно важны для создания высококачественных следящих приводов линейность и стабильность характеристики в области нуля и отсутствие гистерезиса. Традиционно в подобных случаях использовали двухкаскадные ЭГУ с первым каскадом «сопло-заслонка» или «струйная трубка». Такие ЭГУ широко используются в авиации. С момента возникновения они прошли длительный путь развития и достигли выдающихся показателей. Однако им остался присущ один существенный недостаток – значительное потребление жидкости первым каскадом, соответствующее потере мощности порядка 100 Вт на один усилитель (при давлении питания 20 МПа). Применительно к ШМ это приводит к потере до нескольких киловатт мощности, что является непозволительной роскошью. Кроме того, для нормальной работы первых каскадов таких усилителей требуется постоянное давление питания, что невозможно при использовании LS-управления и переключаемых линий питания. Снять остроту данной проблемы можно путем использования для питания первых каскадов ЭГУ отдельной линии гидропитания с низким давлением. Целесообразно использовать давление порядка 4 МПа, что позволяет сохранить качество работы первых каскадов и при этом многократно уменьшить непроизводительные потери энергии. Однако ЭГУ с отдельной линией питания производятся лишь за рубежом и только для общепромышленного использования; такие ЭГУ имеют большие габариты и массу.
В настоящее время получили распространение однокаскадные ЭГУ с непосредственным приводом золотников от линейных электродвигателей (ЛЭД). Для них отсутствует проблема непроизводительных потерь энергии в первых каскадах, однако токи управления на два порядка больше, чем в ранее описанных двухкаскадных ЭГУ. Проблема энергопотребления при этом частично переносится на электрическую часть системы приводов и энергетической системы ШМ. Кроме того, ЛЭД по объему и массе на порядок больше, чем первые каскады двухкаскадных ЭГУ, для их питания требуются значительно более мощные, а соответственно габаритные и дорогие электронные усилители. Однако в целом применение таких распределителей проблему непроизводительных потерь энергии в первых каскадах ЭГУ решает практически полностью. Остается лишь проблема поиска подходящих по размерам, массе и стоимости распределителей, т.к. в России такие ЭГУ почти не производятся.
Если задана скорость движения выходного звена гидродвигателя, то при прочих равных условиях потери энергии тем больше, чем больше установленная мощность привода и, соответственно, чем больше максимально возможное развиваемое приводом усилие (тормозное усилие). Таким образом, при проектировании ШМ нужно уделить особое внимание выбору предельных усилий приводов на минимально необходимом уровне. Причем задачу снижения потребных усилий необходимо решать также при разработке кинематической схемы и алгоритмов управления ШМ.
Большое влияние на качество системы приводов оказывает выбор исполнительных гидродвигателей. Исходя из жестких требований по массе и габаритам, удобству компоновки, предпочтение следует отдавать гидроцилиндрам (ГЦ). К ГЦ следящих приводов предъявляются особые требования. Следует выделить плавность движения на малых скоростях и отсутствие люфта. Плавность хода и герметичность зависят от качества обработки штока и гильзы ГЦ, стойкости примененных
покрытий, а также материала уплотнений и опор скольжения. Следует уделить повышенное внимание защите от проникновения грязи в гидросистему с вдвигающимися штоками, предотвращению повреждения штоков, уплотнений и опор ГЦ абразивными частицами, налипающими на штоки. Также при выборе уплотнений поршня нельзя допустить возникновения люфта в уплотнении, одновременно обеспечив его нормальную работу в широком диапазоне температур. Утечки и перетечки современные уплотнения для ГЦ при правильном использовании практически полностью исключают.
Бортовая насосная станция должна питать рабочей жидкостью под давлением по крайней мере три гидролинии – линию питания гидроприводов опорных ног, линию питания переносимых ног и, возможно, первых каскадов ЭГУ, линию питания навесного гидрооборудования. Для этого в насосной станции должно быть, как минимум, три насоса. Во-первых, объемный регулируемый насос с электрическим входом регулирования, с помощью которого реализуется LS-управление. Максимальное давление, в зависимости от используемых в приводах ЭГУ, 20…35 МПа. Во-вторых, объемный регулируемый насос, поддерживающий постоянное (ориентировочно 4 МПа) давление в линии питания переносимых ног. В-третьих, объемный регулируемый насос, поддерживающий постоянное давление в линии питания навесного гидрооборудования (20…35 МПа в зависимости от типа используемого оборудования). Дополнительно, как альтернатива наддуву гидравлического бака, может быть установлен лопастной насос, обеспечивающий для предотвращения кавитации подпор в линиях всасывания основных объемных насосов и поддерживающий в них давление 0,2…0,5 МПа. Не исключено использование и других насосов, тип и параметры которых определяются используемым навесным оборудованием.
Жесткие массогабаритные ограничения не позволяют использовать для проектирования бортовой насосной станции гидропитания ШМ традиционный подход [16]. Гидробак с рабочей жидкостью должен иметь минимальные размеры и содержать запас лишь на выдвижение штоков всех приводов ног и навесного гидрооборудования, а также на возможные незначительные утечки из-за износа уплотнений
и перестыковки рукавов гидропитания навесного оборудования
(не более 1 л).
Как известно, гидробаки могут быть открытыми (сообщающимися с атмосферой через сапуны) либо закрытыми. В открытых баках легко решается вопрос компенсации объема жидкости, забранной в гидросистему, однако воздушные фильтры, используемые в сапунах, должны иметь большую грязеемкость и тонкость фильтрации не хуже 5 мкм, что приводит к заметному росту габаритов и массы гидростанции и затрудняет защиту от воды. Стойкость к затоплению реализовать при таком подходе практически невозможно. В случае использования закрытой гидросистемы бак полностью герметичен, и в случае забора гидрожидкости в систему освобождающийся объем необходимо как-то заполнить. Иначе во всасывающих линиях насосов возникнет кавитация. Более того, желательно поддерживать небольшое избыточное давление. Его можно обеспечить наддувая бак воздухом или азотом. Если жидкость в баке не отделена от газа эластичной мембраной, при движении ШМ свободная поверхность колеблется, и при малом уровне жидкости в гидросистему через всасывающее отверстие может попадать воздух (газ), что абсолютно не допустимо. Данную проблему можно решить используя подвижное заборное устройство с сетчатым фазоразделителем, который одновременно будет выполнять роль всасывающего фильтра, однако гораздо проще использовать эластичный разделитель.
Из-за малых размеров гидробака невозможно рассеять с его поверхности необходимое количество тепла, выделяемого в гидросистеме, поэтому необходима организация принудительного охлаждения при помощи специального радиатора, обдуваемого при помощи вентилятора. Привод такого вентилятора представляет собой отдельную проблему. Следует иметь ввиду, что у мобильных машин с ДВС, значительную долю времени двигающихся с малой скоростью (а именно к таким относятся ШМ), невозможно организовать охлаждение двигателя и гидросистемы за счет набегающего потока воздуха, и вентилятор системы охлаждения может потреблять порядка 10 % мощности двигателя. В этих условиях может оказаться целесообразным использование единого вентилятора с гидравлическим риводом от насоса для навесного гидрооборудования для охлаждения и ДВС, и гидросистемы.
Малые размеры гидробака, постоянное его движение вместе с корпусом ШМ не позволяет жидкости отстаиваться и естественным образом дегазироваться, поэтому должно быть уделено особое внимание фильтрации и дегазации жидкости. При использовании двухкаскадных ЭГУ типа «струйная трубка» и, в особенности, «сопло-заслонка» целесообразно использовать напорные фильтры с тонкостью фильтрации 5 мкм. Не следует для заправки гидросистемы использовать заливную горловину. Заправка должна производиться предварительно дегазированной жидкостью через заправочный гидроразъем, расположенный на гидробаке сбоку; жидкость должна поступать в бак через заправочный фильтр. В гидросистеме должен быть предусмотрен пробоотборник для контроля качества жидкости.
Компоновка гидросистемы ШМ, соответствующей современным требованием, является сложной конструкторской задачей. На основе опыта, полученного при создании макета двуногого шагающего робота можно сформулировать некоторые рекомендации. Приводы ШМ целесообразно компоновать как мехатронные модули, объединяющие электрогидравлический агрегат привода и электронную аппаратуру управления и контроля. Электрогидравлический агрегат состоит из исполнительного гидродвигателя (например, гидроцилинтра), ЭГУ, датчиков давления или усилия, датчиков положения, электрических разъемов. На агрегате под общей крышкой, защищающей ЭГУ и датчики, должна быть установлена плата управления и контроля на основе микроконтроллера, содержащая также усилитель управления ЭГУ и вторичные источники питания. Встроенная в модуль электронная аппаратура производит сбор и первичную обработку сигналов с датчиков, формирует сигнал управления ЭГУ, осуществляет связь с бортовой информационно-управляющей системой (БИУС) ШМ по цифровой линии связи (например, CAN-шине). Такой подход радикально уменьшает количество внешних электрических соединений модуля (остаются лишь линии электропитания и цифровой связи), что уменьшает габариты и массу ШМ, повышает надежность, облегчает ремонт машины в полевых условиях. Также следует по возможности избегать использования гибких гидравлических рукавов.
В целом, можно констатировать, что в настоящее время задача создания эффективной системы электрогидравлических приводов шагающих машин является актуальной. Есть много нерешенных вопросов, и специалистам в области гидропривода стоит обратить на нее внимание.