ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ SIMULINK-МОДЕЛЕЙ

АННОТАЦИЯ

Методика динамического расчета и общего анализа работы гидростатической трансмиссии в среде Matlab&Simulink, позволяющая разработать и проанализировать имитационно-комбинированную модель. В работе рассмотрен один из вариантов построения этой модели, а также его анализа для наиболее распространенной схемы гидростатической трансмиссии с регулируемым насосом и нерегулируемым гидродвигателем.

Ключевые слова: Моделирование в Matlab&Simulink; гидростатическая трансмиссия; создание моделей с помощью Simscape; исследование моделей; графики работ ГТС.

1. Введение

Цель данной работы: разработка наиболее эффективной методики  проектирования гидростатической трансмиссии в среде моделирования Matlab&Simulink при проведении динамических расчетов и анализе возможных установившихся режимов  работы.

Для достижения поставленной цели необходимо  рассмотреть конструктивную и принципиальную схемы и принцип действия гидростатической трансмиссии, определить основные параметры, выбрать и разработать оптимальную модель рассматриваемой системы, провести исследования и проанализировать результаты работы полученной модели.

Актуальность данной работы заключается в разработке наиболее эффективной модели, позволяющей проводить наиболее полные и  достаточно точные исследования динамических характеристик гидростатических трансмиссий.

2. Основы конструкции и принципа действия гидростатических трансмиссий.

Гидростатическая трансмиссия (ГСТ) — это гидравлический привод с закрытым (замкнутым) контуром, в состав которого водят один или несколько гидравлический насосов и моторов. В технической литературе для таких гидроприводов применяется также название — гидрообъемная передача. Принцип действия ГСТ прост: насос, подключенный к первичному двигателю, создает поток для привода гидравлического мотора, который соединен с нагрузкой.

Гидростатическая трансмиссия имеет массу преимуществ перед механическим приводом:

• Меньшее динамическое нагружение привода.
• Упрощение механической разводки по машине, другими словами компактность.
• эффективно работает в широком диапазоне соотношений крутящего момента к скорости.
• точно поддерживает заданную скорость при попутных и тормозящих нагрузках.
• может передавать энергию от одного первичного двигателя в разные места, даже если их положение и ориентация изменяется.

Недостатком гидростатической трансмиссии можно считать невысокий КПД, который значительно ниже, чем у механической передачи (вся потерянная энергия выделяется в тепло). Однако по сравнению с механическими трансмиссиями, включающими коробки передач, гидростатическая трансмиссия оказывается экономичнее и быстрее. Происходит это вследствие того, что в момент ручного переключения передач приходится сбрасывать подачу топлива. В этот момент двигатель тратит много мощности, а скорость машины меняется рывками. Это негативно сказывается на характеристиках сельхозмашины. В гидростатической трансмиссии этот процесс происходит плавно и двигатель работает в более экономичном режиме, что повышает долговечность всей системы.

Создание гидростатической трансмиссии начинается с выбора структуры и составления предполагаемой рабочей гидравлической системы. Схемы с машинным регулированием могут быть самыми разнообразными:

1. По циркуляции рабочей жидкости
2. По способам машинного регулирования
3. По разветвлению поток энергии в системе

Гидростатические трансмиссии так же различаются по способу регулирования скорости рабочей жидкости. Различают плавное и ступенчатое регулирование рабочего объема гидромашины. Наряду с однопоточными гидропередачами применяются двухпоточные, представляющие собой сочетание параллельно действующих гидравлической и механической передач. Гидростатические трансмиссии с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости имеют меньшие габариты и массу при равных условия.

Двухпоточные гидромеханические передачи получают все большее распространение, но очень медленно в конструкциях современных тракторов и автомобилей.

Гидростатическая трансмиссия с регулируемым насосом и нерегулируемым гидродвигателем наиболее распространенный. Далее будем рассматривать этот тип ГТС, принципиальная схема которого приведена на рис.1.

Рисунок 1. Схема гидравлическая принципиальная гидростатической трансмиссии ГСТ-90

Рассматриваемый гидропривод обеспечивает плавный пуск и бесступенчатое регулирование скорости движения машины посредством одного управляющего органа. Обычно замкнутая схема циркуляции  предполагает наличие дополнительного насоса подпитки с рабочим давлением, меньшим, чем у основного насоса. Компенсация утечек рабочей жидкости в замкнутой гидросистеме обеспечивается дополнительной системой подпитки. В эту систему входят: подпиточный насос, переливной клапан, поддерживающий постоянное давление подпитки р = 0,3-0,5 МПа, фильтр Ф и два обратных клапана. Насос подпитки через один из обратных клапанов соединен с линией всасывания основного насоса и обеспечивает необходимый подпор на всасывании этого насоса. Если линия является напорной линией замкнутой системы, то подпитка происходит через клапан в сторону линии всасывания основного насоса. Другой обратный клапан в это время закрыт под действием большего, чем у насоса подпитки, давления в напорной линии.

При реверсе направления вращения гидромотора линии всасывания и нагнетания основного насоса меняются местами и, соответственно, меняются местами обратные клапаны. В ОГП большой мощности, работающих по замкнутой схеме, для утилизации выделяющейся при работе теплоты обеспечивается принудительная прокачка части подачи насоса подпитки через внутренние полости гидромотора и насоса с отводом этого

3. Моделирование ГСТ в Matlab&Simulink

Динамический расчёт гидростатической трансмиссии может производится по одной из методик для схемы гидростатической трансмиссии возможностью переработки и корректировки математической модели или по методике, где рассматривается стандартная схема гидростатической трансмиссии с закрытой циркуляцией,  в  интерактивной среде Simscape, программы Matlab Simulink, с возможностью корректировки блок-схемы математической модели[1,2].

Simscape – это основная библиотека Simulink для моделирования объектов различной физической природы. Simscape использует подход, называемый "физическая сеть", также известный как каузальное моделирование, для построения модели: компоненты (блоки), относящиеся к физическим элементам, таким, как насосы и двигатели  соединяются линиями, представляющими физические соединения, по которым передается энергия. Библиотека расширяется специализированными пакетами SimMechanics, SimDriveline, SimHydraulics, что позволяет создавать модели сложных гибридных мультидоменных объектов для различных целей анализа. Библиотеки Simscape Fluids предоставляют более чем 45 моделей гидравлических и механических компонентов, включая модели для насосов, цилиндров и аккумуляторов. Можно легко представить наиболее коммерчески доступные гидравлические компоненты.

Перейдём к самому моделированию гидростатической трансмиссии.

Начать будет лучше всего с создания заправочного насоса (Charge pump). Создаём чистый лист для моделирования. Первым делом на лист заносим модули из раздела Simscape ®Fluids®Hydraulics(Isothermal). Нам понадобиться:

• Fixed-Displacement Pump (Нерегулируемый роторный насос- основными параметрами являются рабочий объем насоса, объемный и полный коэффициенты полезного действия, номинальное давление и угловая скорость приводного вала насоса.)
• Hydraulic Reference (Этот блок обеспечивает связь с атмосферой)
• Pressure Relief Valve (Предохранительный клапан, предназначен для защиты системы от превышающего давления.)
• Hydraulic Fluid (в нашей системе выберем жидкость Transmission fluid ATF)

Двигатель, который будет обеспечивать нам постоянную работу возьмём из раздела Mechanical это будет Ideal Angular Velocity Source. Так же нужно закрепить эту математически модель с помощью блока Mechanical Rotational Reference. Из раздела Simulink нам нужно взять блок Constant и связать его с постоянным источник уголовной скорости, для построения связи нам понадобится блок Simulink-PS Converter (внутри блока нужно будет обработку ввода выбрать- Zero derivatives. Что бы наша модель заработала нужно её соединить с блоком Solver Configuration, но данном этапе моделирования это не требуется.

Далее нужно соединить всю модель с блоком Connection Port (далее этот блок поможет связать его с ГСТ). Далее должна получится такая модель рис.2:

Рисунок 2. Charge pump

Потом для удобства я предлагаю добавить в блок Subsystem, выделить всю модель кликнуть правой кнопкой мыши, выбираем пункт Create Subsystem from Selection.Таким способом мы можем обособить сам насос, и дальше при моделировании он не будет нам мешать.

Отодвинем полученный блок немного в сторону и приступим к созданию гидравлического мотора в сборке (Hydraulic Motor Assembly рис.3).  Для этого нам понадобится:

• Ideal Torque Source (блок формирующий на выходе крутящий момент, пропорциональный значению физического сигнала на его входе, этот блок нужно будет связать графиком, который мы позже укажем. Связь будет строиться следующим образом From®Gain®Simulink-PS®»сам датчик».)
• Rotational Damper (Амортизатор)
• Inertia (Инерция нашего модуля)
• Ideal Torque Sensor (Данный блок будет отображать крутящий момент в моторе)
• Ideal Rotational Motion Sensor (Блок представляет собой идеальный механический датчик вращательного движения)
• Fixed-Displacement Motor(Гидромотор постоянного рабочего объёма, его нужно будет связать с двумя PMS_port)

Далее от каждого сенсора нужно провести пути к блокам PS-Simulink который дальше нужно соединить с Outport, которые будущем помогут построить два графика: крутящего момента и скорости. Так же нужно закрепить эту модель в двух местах с помощью Mechanical Rotational Reference. После того как вы вставите блок From стоит отметить, что он будет подсвечиваться красным, далее это будет исправлено.

Должна получиться следующая модель:

Рисунок 3. Hydraulic Motor Assembly

Теперь нужно повторить проделанную операцию – выеделить и вставить в Subsystem, таким же способом.По желанию можно изменить вид этого блока для этого нужно кликнуть правой кнопкой мыши по блоку, выбрать пункт Mask, выбрать фото по желанию.

У нас полусилось два блока, теперь приступим к моделированию оставшейся гидростатической трансмиссии. Для этого нам понадобятся:

• Variable-Displacement Pump (Регулируемый роторный насос- рабочий объем пропорционален сигналу управления, подаваемому через физический блок С, в нашем случает он будет зависеть от блока Signal Builder.)
• Ideal Angular Velocity Source (Ideal Angular Velocity Source – идеальный источник угловой скорости. Используется перед блоком гидронасоса для задания угловой скорости вала гидронасоса.)
• Check Valve (Обратный клапан- предназначен для пропуска воды в одном направлении.)
• Signal Builder(Блок который будет регулировать изменения положения …)
• Hydraulic Pipeline (Простой гидравлический трубопровод. Установим два таких трубопровода- один из них будет подводить рабочую жидкость к двигателю, а вторая будет отводить назад)
• Pressure Reducing Valve (Клапан, который регулирует входящее в него давление на нужном значении, то есть помогает избежать повышения давления выше критического Нужно будет так же установить предохранительный клапан на выход)

После соединения всех блоков нужно обязательно добавить блок Solver Configuration – он поможет нам решить все вопросы, возникающие в построении. Так же. В блоке Signal Builder можно добавить графики не только изменения сечения насоса, но и график изменения заправочного насоса. Нужно будет от этого сигнала провести связь с блоком Goto, а внутри этого блока сделать область global, Simulink должен автоматически найти к нему путь. От блока двигателя в сборке поставим два осциллографа, один из которых будет нам показывать скорость, а второй вращающий момент. В конечном итоге должна получиться такая схема изображена на рис.4а:  

Рисунок 4. а)- полная модельГСТ

Теперь для полноты оценки добавим пару датчиков давления перед входом в мотор и после выхода из него.У нас получились следующие графики изменения скорости, давления и крутящего момента рис.5, а под ней сразу закреплена схема изменения нашего контролёра – блока Signal Builder р:

Рисунок 5. а)-Давление на выходе из гидромотора;б)давление на входе в гидромотор; в)Управляющее воздействие по величине рабочего объема  насоса и изменения крутящего момента внешней нагруки.

Рисунок 6. г)-Крутящий момент,развиваемый гидродвигателем; в)Управляющее воздействие по величине рабочего объема  насоса и изменения крутящего момента внешней нагруки. е)-Угловая скорость гидродвигателя;

Анализируя полученную результаты исследования модели ГСТ можно отметить, что ГСТ,как автоматическая система является устойчивой.Качество  всех расмотренных переходных процессов является удовлетворительным,как по времени, так и по величине перерегулирования при управлящем и нагружающем воздействиях. ГСТ представляет собой жесткую систему,так как скоростой режим практически не изменяется при существенном увеличении внешней нагрузки.

При разработки модели сделано допущение что для привода насоса используется источник постоянной  угловой скорости  (рис.5в в). Параметры используемые  при моделировании ГСТ указаны в таблице 1.

Таблица 1

Основные параметры гидропривода ГСТ-90

Выводы

В результате проведенных исследований была достигнута поставленная цель и решены соответствующие ее реализациизадачи. Была разработана методика части проектировочного расчета гидростатической трансмиссии. Использование предложенной методики также позволяет произвести исследования других видов ГСТ по динамическим характеристикам и по всем возможным установившимся режимам работы.  Полученная модель позволяет оценить работы гидросистемы с достаточной точностью. Особенность данной методики заключается в изучении изменений в системе и устранений недостатков на ранних этапах.

Работу по данной теме целесообразно продолжить в направлении моделирования реального приводного двигателя насосной установки и системы управления, обеспечивающих работу ГСТ, и проведении экспериментальных исследований ГСТ.

Список литературы:

1. ГСТ-71, ГСТ-90. Гидростатические трансмиссии. Руководство по эксплуатации и обслуживанию, ОАО «Пневмостроймашина»  2009. – 42с.
2. Войтов А. В. Обоснование диагностических признаков технического состояния гидростатических приводов ГСТ-90.112 / А. В. Войтов, И. Г. Бойко // Технічний сервіс агропромислового, лісового татранспортного комплексів. — 2016. — № 6. — С. 45-56.
3. Основные параметры гидрообъемно-механических трансмиссий, работающих по схеме "дифференциал на выходе” / В. Б. Самородов, А. И. Бондаренко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - № 3(7). - С. 4-12.
4. Моделирование гидравлических систем в MATLAB / А.А. Руппель, А.А. Сагандыков,М.С. Корытов –Омск: СибАДИ, 2009. – 172с.
5. Быстров, Н. Д. Моделирование динамических процессов в гидро- и пневмоприводах в ПП SIMULINK : электрон. метод. указания к лаборатор. работе / Н. Д. Быстров, А. Г. Гимадиев. – Самара : СГАУ, 2010. – 29 с.