Ви є тут

Моделирование динамики гидравлической системы управления шагающей машины

Автор: 
Костюк Александр Викторович
Тип роботи: 
кандидатская
Рік: 
2002
Кількість сторінок: 
157
Артикул:
181487
179 грн
Додати в кошик

Вміст

2
Оглавление
Введение.......................................................4
Глава 1. Анализ динамических и энергетических характеристик основных типов гидравлических систем управления................20
1.1. Усилия и скорости, развиваемые гидроцилиндрами............20
1.2. Анализ основных типов гидравлических систем управления 21
1.3. Устройство и принцип работы насоса с ГБ-управлением 23
1.4. Регулирующая аппаратура. Принцип работы распределителя с пропорциональным управлением..............................26
1.5. Структурная схема управления ГСУ..........................28
1.6. Исполнительные гидроцилиндры..............................28
1.7. Возможные варианты схем...................................30
Глава 2. Математические модели гидросистемы управления
шагающей машины......................................31
2.1. Нелинейная математическая модель..........................31
2.1.1. Математическая модель ГСУ одной степени свободы ноги ШМ с насосом с 1.5-управлением и ограничителем давления...31
2.1.2. Математическая модель насоса с І^-управлением...........32
2.1.3. Математическая модель пропорционального распределителя...38
2.1.4. Математическая модель силового гидроцнлиндра............41
2.1.5. Математические модели нелинейностей.....................45
2.2. Линейная модель ГСУ.......................................48
Глава 3. Алгоритмический и программный комплекс для моделирования динамики ГСУ....................................59
3.1. Структура программы.......................................60
3.2. Ввод параметров моделирования.............................61
3.3. Возможные ошибки..........................................65
3.4. Методы решения системы дифференциальных уравнений....66
Глава 4. Результаты моделирования..............................69
4.1. Оценки адекватности моделей (Сравнение с каталожными характеристиками)........................................69
4.2. Результаты моделирования ГСУ ноги ШМ с одним насосом с ЬБ-у правлением..........................................71
4.3. Гидравлическая система управления поворота стойки.......72
4.4. Г идравлическая система управления бедра.................73
4.5. Г идравлическая система управления голени................73
4.6. Коэффициент полезного действия ГСУ.......................74
4.7. Моделирование ГСУ, ног, принадлежащих одной “трёшке”, и
работающих от одного насоса..............................77
4.8. Регулятор положения.......................................78
4.9. Моделирование различных режимов движения ШМ...............78
4.10. Результаты моделирования линейной модели 1 СУ............80
4.11. Тепловой расчёт..........................................82
4.12. Анализ массогабаритных показателен различных вариантов гидросхем................................................84
4.13. Трансмиссия ШМ...........................................88
Заключение.....................................................92
Список литературы..............................................94
Приложения.....................................................98
4
Введение
Основные преимущества шагающих движителей по сравнению с колесными и гусеничными транспортными средствами. Около половины земной поверхности непроходима для традиционных колесных и гусеничных транспортных средств (I]. В то же время животные и люди могут передвигаться по большей части этой местности. Необходимость создания наземных транспортных средств высокой проходимости заставила обратиться к созданию шагающих машин (ШМ).
Использование ног в качестве движителей машины позволяет повысить профильную проходимость и перемещаться по снльнопересеченной местности [1]. Шагающая машина использует для опоры в процессе движения малую площадь в дискретных точках поверхности местности, которые могут выбираться и варьироваться в соответствии с дорожными условиями. Это обстоятельство делает шагающий транспорт незаменимым, когда непрерывная колея невозможна - движение по «кочкам», по россыпи камней и т.п.
Шагающие машины обладают высокой маневренностью. Они способны перемешаться вперед, назад, вбок и вообще с произвольным углом между направлением движения и продольной осыо машины, совершать повороты и развороты на месте изменять клиренс, менять углы наклона корпуса.
Машина имеет богатые возможности выбора опорных точек, положения ног и корпуса для фиксации "позы" и восприятия рабочих усилий при выполнении технологических операций. При этом автоматически может быть обеспечена устойчивость и безопасность работы.
Ноги шагающей машины могут использоваться в качестве рабочего инструмента для подготовки точек опоры (утаптываиие, расчистка) или
5
для выполнения простых работ (копание ям, резка колючей проволоки,
ПОИСК МИН И Т.П.).
Следует ожидать более высокой фунтовой проходимости шагающих машин по сравнению с колесными и гусеничными (1]. Деформация грунта в дискретных зонах опоры ног не создает таких очагов разрушения почвы как непрерывная колея колесных и гусеничных машин, что особенно важно для машин, эксплуатируемых на местности с легко разрушаемым почвенным покровом (тундра, склоны гор и холмов, лес и т.п.). Так же ШМ обладают рядом особенностей, которые обеспечивают кардинальное расширение диапазона использования оборудования и позволяют выполнять на сложной местности работы, недоступные для традиционно применяемых колесных и 1уссничных машин. Эти преимущества шагающих машин определяют разнообразные области их возможных применений.
Основные области применения шагающих аппаратов.
Первоначально, применение шагающих и карабкающихся аппаратов планировалось начать в атомной и космической промышленности, где необходимо выполнять инспекционные, регламентные и подобные нм работы в условиях опасных для жизни человека. Исследования и разработка таких машин довольно длительное время фокусировались именно на таком их использовании. Разработка аппаратов для атомной промышленности и сейчас остаётся приоритетным во всём мире. Всё расширяющееся освоение космоса и строительство крупных орбитальных комплексов делает использование подобного рода машин в космических исследованиях так же весьма перспективным.
По мере развития технологии другие отрасли промышленности также начали проявлять свою заинтересованность в применении шагающих аппаратов. Созданные рабочие образцы и прототипы, показали большой промышленный потенциал таких машин, которые могут выполнять задания в опасной зоне и действовать как рабочая платформа для
6
манипулятора в районах недоступных для традиционных транспортных средств (колесных, |усеничных). Каждая из областей промышленности, где в будущем возможно использование ШМ предъявляет к ним свои требования, которые позволят им выполнять те или иные специфичные функции. Среди многих областей применения ШМ можно выделить основные:
• Карабкающиеся аппараты разрабатывались преимущественно для использования в атомной промышленности, однако в последствии стало очевидным, что они могут найти значительно более широкое применение. Но на сегодняшний день потребность в аппаратах для дистанционного обследования, проведения различных регламентных работ в атомной промышленности остаётся основной. Такие роботы должны уметь передвигаться по горизонтальной, вертикальной поверхности, переходить с пола на стену, со стены на крышу, преодолевать различные препятствия. Кроме того, они должны уметь самостоятельно адаптироваться к изменяющейся обстановке.
• В строительной промышленности необходимы машины, для выполнения инспекционных функций, а также способные нести на себе различное технологическое оборудование (мытьё окон, проведение покрасочных, сварочных работ и. т. д.), что позволит избежать таких дорогостоящих и опасных работ как возведение строительных лесов.
• Карабкающиеся аппараты могли бы быть полезны в нефтяной промышленности, в частности, на шельфовых нефтяных платформах для инспекций, очистки и ремонта подводных частей нефтяных платформ.
• Подводные роботы найдут применение для исследования подводных частей конструкций мостов, очистки водозаборов гидроэлектростанций, инспекции канализационных стоков, очистных сооружений, трубопроводов различного назначения. Роботы, способные выполнять такие задания, могут быть приспособлены для очистки днищ кораблей даже тогда, когда судно находится в морс. Также большой потенциал
7
подводных роботов может быть использован при поиске и обследовании затонувших кораблей.
• Горная промышленность испытывает потребность в роботах для мониторинга загазованности горных выработок, обследования разрушений после взрывов, поиска выживших, разбора завалов и. т. д.
• В химической промышленности ШМ могут использоваться для сбора образцов, дезактивации загрязненной территории, обследования и ремонта оборудования, которое представляет опасность для жизни людей. Гак же карабкающиеся аппараты можно использовать дзя ультразвукового обследования больших резервуаров.
• В военных целях ШМ могут быть использованы дчя поиска и обезвреживания мин, для транспортировки боеприпасов, постановки дымовой завесы. Прорабатываются возможности для использования шагающих движителей для пусковых установок тактических ракет в районах со сложным рельефом местности.
• Высокая фунтовая проходимость и более слабые по сравнению с колесным и гусеничным транспортом разрушения почвы позволяют использовать ШМ при их движении по слабым грунтам и легкоразрушаемому почвенному покрову в тундре, пустынях и полупустынях, в лесу и в горах. В настоящее время разработаны опытные образцы шагающих машин для лесозаготовительных работ [36].
• Шагающие машины могут оказаться незаменимыми при ликвидации последствий стихийных бедствий (землетрясения, наводнения, ураганы, и т. д.) или катастроф техногенного характера. Они могут производить разборку разрушенных зданий, проводить спасательные работы, поиск и транспортировку раненых, проводить радиационную разведку, сбор образцов и т. д.
• Высокая маневренность и возможности адаптации определяют целесообразность использования ШМ в помещениях, приспособленных
8
для человека (лестницы узкие коридоры, повороты на 90 градусов, дверные проёмы).
Резюмируя всё выше перечисленное можно сделать вывод о том, что постоянный рост отраслей промышленности с опасными условиями труда, недоступных для человека и традиционных транспортных средств, всё более жёсткие требования к охране окружающей среды делает очевидным перспективу широкого развития ШМ.
Основные особенности проектировании приводов дли ШМ. Одной из основных задач при создании ШМ является выбор и разработка приводов ног. В настоящее время на ШМ используются все типы приводов, которые на сегодняшний день применяются в технике: гидравлические, пневматические и электрические. При выборе типа привода для шагающей машины исходят из нескольких условий:
1. Назначение ШМ.
2. Автономность машины, т.е. где будет находиться источник энергии, система управления, оператор (на машине или нет).
3. Оборудование, которое будет установлено на машине (манипулятор, кран, различного рода датчики и т. д.).
Шагающие машины небольших размеров, предназначенные для инспекционных целей в условиях, ограниченного пространства имеют небольшую массу, внешний источник питания, несут на себе либо видеокамеру, либо какой-нибудь датчик. Такие IIIM, как правило, имеют электрический привод с электродвигателями постоянного или переменною тока, которые способны обеспечить движение таких аппаратов.
Электромеханический привод ШМ на двигателях постоянного тока наиболее освоен к настоящему времени. Он наиболее удобен для ШМ небольших размеров с точки зрения простоты реализации и обслуживания. Его недостатком является необходимость применения редуктора для обеспечения медленных движений ног при больших нагрузках. Наличие
9
редукторов с большими передаточными числами (от 1000 до 6000) приводит к усложнению конструкции и приводит к снижению грузоподъемности ШМ.
Автономные же машины, несущие на себе источник энергии, оператора, тяжёлое технологическое оборудование, предназначенное для проведения грузоподъёмных, монтажных, транспортных работ, должны иметь гидравлический привод.
Гидравлический привод, по сравнению с электрическим и пневматическим приводами, имеет ряд существенных преимуществ, а именно:
1. Большая удельная мощность (отношение мощности к массе), что делает возможным получение больших усилий и мощностей при ограниченных размерах гидродвигателей.
2. Высокие динамические характеристики (быстродействие, время разгона и торможения исполнительного механизма обычно не превосходит нескольких сотых долей секунды).
3. Высокая точность регулирования.
4. Гидроприводы обеспечивают широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости.
5. Применение гидроцилиндров позволяет получить прямолинейное движение без кинематических преобразователей.
Современный уровень развития технологии не позволяет электроприводу' обеспечить такие же динамические характеристики, как у гидропривода. Поэтому в уже известных автономных машинах, несущих на себе оператора и источник энергии используется гидропривод.
Наиболее известные из ШМ, использующих гидравлические системы управления:
1. Шестигногая шагающая машина Сазерленда [33].
10
2. Adaptive Suspension Vehicle (ASV). Она была разработана в Университете штата Огайо (США) для передвижения по пересеченной местности [30-32].
3. Walking Harvester. Она разработана и построена фирмой Plustech (Финляндия) для лесозаготовительных работ [36];
4. II IM Mecant - разработана и построена в Университете города Тампере (Финляндия) [37- 39].
Шагающая машина И. Сазерленда [33]. Все компоненты машины смонтированы на раме, состоящей из сваренных вместе труб квадратного сечения. Движение машины обеспечивается гидроприводом, состоящим из четырёх насосов с регулируемой подачей, приводимыми в движение бензиновым двигателем мощностью 18 л.с. (13 кВт). Скорость и направление рабочей жидкости через каждый из этих насосов может регулироваться путём изменения положения управляющего рычага насоса, а ручка управления водителя и две ножные педали присоединены непосредственно к этим рычагам, определяя их подачу и таким образом, расход рабочей жидкости и скорость движения ног. Для управления линейной скоростью и скоростью поворота используют ручку, для управления скоростью подъёма ног - правую педаль, для управления движением коленного шарнира - левой педалью.
Adaptive Suspension Vehicle (ASV) [30-32]. Масса I1JM - 3200кг, грузоподъёмность 225кг, длина корпуса - 5.2 м, высота 3.3 м, ширина колеи 1.5м, максимальная скорость движения - 8 км/ч (рис. Bla, В16).
Система управления реализована на 15 микро-ЭВМ, из них 10 микро-ЭВМ обеспечивают управление движением аппарата. Кинематическая конфигу рация ASV включает в себя шесть ног с тремя степенями свободы каждая, расположенных симметрично вдоль главной рамы. Они представляют собой плоский пантографный механизм. Каждая нога крепится к раме при помощи горизонтальной петли параллельной
11
продольной оси машины, тем самым, обеспечивая третью степень свободы. Две другие степени свободы сделаны прямолинейными и взаимно перпендикулярными при помощи перпендикулярных роликовых направляющих, в которых закреплен ножной механизм (рис. В1в). Направляющие расположены так, для того чтобы ступня могла передвигаться вертикально или горизонтально по отношению к главной оси рамы независимо от положения последней.
Независимый привод для боковой степени свободы движет ступню по круговой траектории, пересекающей главную ось машины (рис. В16).
Система приводов. Восемнадцать независимых гидроприводов обеспечивают А8У три степени свободы для каждой ноги. Каждый привод состоит из гидравлического цилиндра или пары параллельных цилиндров непосредственно соединенных с насосом переменной производительности (рис. В1 г). Таким образом, скорость цилиндров зависит от подачи насоса. Подача насоса определяется углом наклона между опорной шайбой и осью вращения блока цилиндров.
Угловое положение шайбы и, следовательно, подача каждого насоса регулируется при помощи гидравлического привода, который в свою очередь управляется расположенным непосредственно на нём двухпозиционным сервоклаианом (распределителем).
Вертикальный гидропривод состоит из пары параллельных гндроцилиндров с зафиксированными шгоками, которые рассчитаны на максимальное усилие 96 кН при давлении 34 МПа. Максимальная скорость перемещения 0.67 м/с. Насос переменной производительности имеет максимальную подачу 1.83 л/с и давление 21 МПа.
Горизонтальный гидропривод состоит также из пары параллельных пщроцилинлров с зафиксированными штоками. Они способны преодолевать максимальную нагрузку 52 кН при давлении 34 МПа. Максимальная скорость перемещения гндроцилнндра может составлять
12
1.24 м/с. Насос горизонтального гидропривода имеет такие же характеристики, как и в вертикальном гидроприводе.
Гидропривод бокового движения ноги состоит из одного гидроцилиндра с зафиксированным штоком. Максимальная нагрузка на гидроцилиндр может составлять 36 кН при давлении 34 МПа. Максимальная скорость может достигать 1.1 м/с. Насос переменной производительности имеет максимальную подачу 1.07 л/с и максимальное давление 21 МПа.
Двшатель. Основным источником всей энергии, расходуемой ASV при движении, является четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания объёмом 0.9л, с воздушным охлаждением и ручной пятиступенчатой коробкой передач. Двигатель был разработан и построен фирмой Kawasaki для использования на мотоцикле. Максимальная мощность составляет 70 л/с.
Распределение энергии и описание трансмиссии. Все 18 насосов, использующихся в гидроприводах, одинаково расположены по всей машине. По два насоса находится в каждом ножном отсскс и шесть вдоль нижней части рамы. Эта система также включает три полых трубчатых вала. Каждый вал приводит во вращение шесть насосов (рис. В le). Валы, которые вращают насосы гидроприводов ног, соосны с боковыми петлями ног на каждой стороне машины. Шесть насосов, расположенных на раме приводятся в движение от третьего вала, который проходит вдоль нижней части машины между насосами. Каждый вал имеет четыре станции привода зубчатых ремней, одну входную и три выходных. Два насоса вращаются от каждой станции. Двигатель соединен с главным валом через зубчатый ремень и муфту. Ремень позволяет расположить двигатель по центру для равномерного распределения веса, а муфта предохраняет двигатель от перегрузки.
13
Walking harvester (36). HIM Walking harvester (рис.В2) разработана и построена финской фирмой Plustech, занимающейся производством машин и оборудования для лесной промышленност и. Машина представляет собой шестиногую шагающую платформу, на которой установлен манипулятор для пилки и транспортировки деревьев. На платформе также смонтированы кабина оператора, дизельный двигатель, гидроприводы всех ног и система управления. Вес машины 3500 кг, длина 3.5 м, ширина 2.0 м, высота 3.0 м. Шагающая машина способна передвигаться по пересеченной местности, в частности по лесу, вперед, назад, по диагонали, автоматически приспосабливаясь к неровностям почвы и преодолевать препятствия. Максимальная скорость движения 1м/с (3.6 км/ч). В зависимости от степени неровности местности, оператор может регулировать высоту' поднятия ноги при каждом шаге и угол наклона корпуса машины по отношению к земле.
Нога машины имеет пантографную конструкцию с тремя активными степенями свободы. Каждая степень свободы управляется гидроприводом.
Система управления машины представляет собой компьютерную систему, которая контролирует все параметры шага, включая направление движения, скорость движения высоту шага, тип походки, крен. Для оптимизации работы машины контрольно-измерительная система регулирует параметры нагрузки и режим работы двигателя. В машине сосредоточено 60 датчиков и более 10 микропроцессоров. Все функции по управлению машиной выполняются оператором при помощи джойстика.
В настоящее время фирма Plustech разработала новую модель шагающей машины для лесозаготовительных работ, которая уже предназначена для коммерческого использования в промышленности. Также фирма производит обучение операторов подобных ШМ на специально разработанных тренажёрах.
Шагающая машина Mccant |37-39|. Mccant - это полностью автономная шестиногая шагающая гидравлическая машина (рис.ВЗ).