Аналіз ефективності гідравлічних схем механізму повороту машини маніпуляторного типу за характеристиками швидкодії та навантаженості виконавчих елементів

Abstract

The article investigates the influence of different hydraulic circuit configurations on the dynamic characteristics of the slewing mechanism of manipulator-type machines, including crane-manipulators, excavators, and loaders. The slewing mechanism is one of the most loaded assemblies of such machines, determining their productivity and reliability. Five variants of hydraulic circuits are analyzed: with throttles in pressure and drain lines with diameters of 2.5 mm and 3 mm; with throttles equipped with check valves of 2.5 mm and 3 mm diameters; without throttling devices; with a 2.5 mm diameter throttle connecting the hydraulic cylinder chambers. A mathematical model based on a system of differential equations describing column rotation and working fluid flow in the slewing cylinder chambers has been developed. The model accounts for working fluid compressibility, hydraulic system element compliance, leakages, and characteristics of hydraulic distributors and relief valves. Numerical simulation of transient processes was conducted at nominal pump delivery of 80 l/min, load moment of 90 kN·m, and rotation angle of 180°. Dependencies of pressure changes in pressure and drain chambers of the hydraulic cylinder, as well as angular velocity of column rotation versus time, were obtained for different throttle orifice diameters. It was established that the use of throttles with check valves of 3 mm diameter ensures reduction of dynamic loads by an average of 1.2 times compared to circuits with throttles without check valves of the same diameter, by 1.2-1.4 times compared to circuits without throttles during rotation and braking respectively, and by 1.3-1.55 times compared to circuits with a throttle connecting the cylinder chambers. Pressure peaks during braking decrease by 2-6 MPa in the pressure chamber and 1-2 MPa in the drain chamber. Column rotation time is reduced by 1.2-1.3 times compared to circuits with throttles without check valves, indicating increased mechanism speed performance. Check valves ensure free passage of working fluid during column acceleration and limit flow during braking, reducing pressure peaks. The research results allow for substantiated ion of hydraulic circuit configurations for slewing mechanisms to ensure optimal balance between speed performance and dynamic load levels on hydraulic drive elements.

У статті досліджено вплив різних конфігурацій гідравлічних схем на динамічні характеристики механізму повороту колони машин маніпуляторного типу, зокрема кранів-маніпуляторів, екскаваторів та навантажувачів. Механізм повороту є одним із найбільш навантажених вузлів таких машин, що визначає їх продуктивність та надійність. Проаналізовано п'ять варіантів гідравлічних схем: з дроселями у напірній та зливній магістралях діаметрами 2,5 мм та 3 мм; з дроселями, обладнаними зворотними клапанами діаметрами 2,5 мм та 3 мм; без дросельних пристроїв; з дроселем діаметром 2,5 мм, що з'єднує порожнини гідроциліндра. Розроблено математичну модель на основі системи диференціальних рівнянь, яка описує обертання колони та витрату робочої рідини в порожнинах гідроциліндра повороту. Модель враховує стисливість робочої рідини, податливість елементів гідросистеми, витоки, характеристики гідророзподільника та запобіжних клапанів. Проведено чисельне моделювання перехідних процесів при номінальній подачі насоса 80 л/хв, моменті навантаження 90 кН·м та куті повороту 180°. Отримано залежності зміни тиску в напірній та зливній порожнинах гідроциліндра, а також кутової швидкості повороту колони від часу для різних діаметрів дросельних отворів. Встановлено, що застосування дроселів зі зворотними клапанами діаметром 3 мм забезпечує зниження динамічних навантажень у середньому в 1,2 рази порівняно зі схемою з дроселями без зворотних клапанів того ж діаметра, в 1,2-1,4 рази порівняно зі схемою без дроселів при обертанні та гальмуванні відповідно, та в 1,3-1,55 разів порівняно зі схемою з дроселем, що з'єднує порожнини гідроциліндра. Піки тиску при гальмуванні зменшуються на 2-6 МПа в напірній та 1-2 МПа в зливній порожнинах. Час повороту колони скорочується в 1,2-1,3 рази порівняно зі схемами з дроселями без зворотних клапанів, що свідчить про підвищення швидкодії механізму. Зворотні клапани забезпечують вільний прохід робочої рідини при розгоні колони та обмежують витрату при гальмуванні, що знижує піки тиску. Результати дослідження дозволяють обґрунтовано вибирати конфігурацію гідравлічних схем механізмів повороту для забезпечення оптимального співвідношення між швидкодією та рівнем динамічних навантажень на елементи гідроприводу.