Характеристики гидравлических двигателей поворотных механизмов кранов, манипуляторов

Лагерева Е.А., Лагерев А.В. Брянский государственный технический университет.

Минимизация весовых характеристик гидродвигателей поршневого типа поворотных механизмов крано-манипуляторных установок многоцелевых мобильных транспортно-технологических машин.

Гидравлические механизмы поршневого типа (двух- и четырехпоршневые) широко применяются при создании поворотных устройств различных типов подъемно-транспортной техники. В частности, на их основе разработаны гидравлические механизмы поворота колонн крановых манипуляторных установок многоцелевых мобильных транспортно-технологических машин. Это связано с рядом технических достоинств поршневых механизмов, таких как простота конструкции, изготовления и эксплуатации, ремонтопригодность, надежность в условиях эксплуатации, возможность поворота более чем на 3600. Вследствие возможности обеспечения высокой степени герметизации полостей гидродвигателей поворотные механизмы поршневого типа используются при давлениях рабочей жидкости до 32 МПа и выше.

При проектировании поворотных механизмов поршневого типа оптимизацию целесообразно направить на минимизацию массо-габаритных показателей качества, так как мощный поворотный механизм поршневого типа имеет существенный вес.

Целевая функция (полный вес механизма) складывается из ряда слагаемых - весов его отдельных конструктивных элементов (корпусов гидроцилиндров, торцевых крышек, поршней, шток-реек, шестерни, выходного вала, крепежных деталей, объема рабочей жидкости). Анализ выражений для вычисления веса механизма поворота поршневого типа позволяет сделать вывод о том, что его величина зависит от четырнадцати конструктивных размеров. Однако только два из них являются независимыми - внутренний диаметр гидроцилиндра и диаметр шестерни. Для определения размеров и, соответственно, веса зубчатой передачи существенное значение имеет также величина модуля шестерни. Поэтому из указанных трех размеров и целесообразно сформировать вектор управляемых параметров в задаче минимизации. Остальные размеры либо являются фиксированными, так как определяются конструкцией передаточного механизма и величиной эксплуатационной нагрузки, либо могут быть однозначно рассчитаны в зависимости от величины управляемых параметров.

Система ограничений задачи минимизации складывается из конструктивных, технологических, прочностных и режимных ограничений. Конструктивные и технологические ограничения включают условия взаимного расположения элементов гидродвигателя и зубчатой передачи, а также условия возможности их изготовления. Прочностные ограничения представляют собой условия статической и усталостной прочности и устойчивости элементов силовых гидроцилиндров поршневого гидродвигателя под действием рабочего давления и преодолеваемого крутящего момента, а также условия прочности элементов зубчатой передачи на контактную выносливость и прочность, изгибную мало- и многоцикловую выносливость. В число режимных ограничений входят условия обеспечения плавности хода, требуемых угловой скорости и ускорения поворота, расхода рабочей жидкости.

Для минимизации целевой функции - полного веса механизма поворота - при поставленных ограничениях использовался прямой метод оптимизации типа Хука-Дживса.

Проведенные расчеты применительно к поворотным механизмам крано-манипуляторных установок мобильных машин в диапазоне давлений в гидросистеме 2,5...32 МПа и преодолеваемом крутящем моменте в диапазоне 2...8 кН*м показали, что накладываемые в задаче минимизации конструктивные, прочностные и жёсткостные ограничения весьма существенно сужают область возможного поиска оптимального варианта гидродвигателя. Как правило, лимитирующим элементом конструкции поршневого поворотного гидравлического двигателя является зубчатая передача, так как минимум веса лежит на ограничении по прочности зубьев на контактную выносливость с целью предотвращения усталостного выкрашивания активных поверхностей зубьев шестерни или штока-рейки. Существенно реже - на двух ограничениях. В дополнение к названному также оказывает влияние прочность зубьев на выносливость при изгибе с целью предотвращения усталостного излома зубьев шестерни или штока-рейки. Как следствие, вес зубчатой передачи является определяющим, составляя приблизительно 2/3...3/4 веса всего гидродвигателя.