Journals Monographies Textbooks Collections Authors
Submit manuscript
DYNAMIC CHARACTERISTICS CALCULATION FOR ELECTRO-HYDRAULIC CONVERTER OF NOZZLE-FLAP TYPE FOR MODERNIZATION OF SYSTEM FOR MOTOR-CAR FUEL FEEDING CONTROL
Submit manuscript Download PDF
Text
To cite
Citations:

DYNAMIC CHARACTERISTICS CALCULATION FOR ELECTRO-HYDRAULIC CONVERTER OF NOZZLE-FLAP TYPE FOR MODERNIZATION OF SYSTEM FOR MOTOR-CAR FUEL FEEDING CONTROL
Rubrics: TRANSPORT
Ochkur Galina 1
Authors:
1.  Balakovo branch of the Russian Academy of national economy and public administration under the President of the Russian Federation (Department of information and documentation support of management, Assistant Professor)
employee from 01.01.2010 to 01.01.2020

Balakovo, Saratov, Russian Federation
Type:
Article
DOI:
https://doi.org/10.30987/1999-8775-2020-5-32-38
Pages:
from 32 to 38
Status:
Published
Received:
13.05.2020
Accepted:
16.05.2020
Published:
16.05.2020
Subject area:
VAC 05.22.10 Эксплуатация автомобильного транспорта
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 73.31 Автомобильный транспорт
Language:
Russian, English
Keywords:
hydraulic drive, nozzle-flap electro-hydraulic converter, dynamic characteristic
Abstract and keywords
Abstract (English):
At the current stage of the development of means for automatic control for the formation of qualitative systems of machines, construction and road machinery, railway transport there are used electro-hydraulic devices transforming electric input signals into hydraulic output power. To carry out a generalized analysis and for the fulfillment of the preliminary synthesis of an automated hydraulic system on the whole the static and dynamic characteristics of its separate units should be obtained. In the paper there is presented a calculation of a theoretical dynamic characteristic of the electro-hydraulic nozzle-flap converter to substantiate potentialities of its inclusion as an adjusting device acting upon rods of a high-pressure fuel pump in the system of fuel feeding control of a KamAZ motor-car engine. At that the converter was considered as interconnected units: a unit of feedback. The methods of the investigation of processes in the converter are based on the fundamentals of the theory of automatic control. As it follows from the transition function diagram obtained as a result of the investigations carried out the transition time of a electro-hydraulic converter slide valve movement from a neutral position into an extreme one in the course of sending a maximum control signal to the coil does not exceed 1.1 sec, that is satisfactory for the formation of hydraulic drive control systems.

Keywords:
hydraulic drive, nozzle-flap electro-hydraulic converter, dynamic characteristic
Text
Publication text (PDF): Read Download

Введение

 

На современном этапе развития средств автоматического управления для построения качественных систем различных машин-автоматов, строительных, дорожных машин, железнодорожного транспорта и так далее, используются электрогидравлические устройства, преобразующие электрические входные сигналы в гидравлическую выходную мощность. Изучение работ ученых показывает[1-6], что такие устройства имеют хорошие характеристики с точки зрения управления гидравлическим приводом, позволяют получить большую точность в отслеживании системы.

Представляется возможным проектировать новые конструкции гидроприводов, содержащих подобные устройства, позволяющие упростить их конструкцию, улучшить их статические и динамические характеристики, и как следствие, эффективность работы в целом. В частности, видится возможным модернизация системы управления топливоподачей дизельного двигателя автомобиля КамАЗ. Для регулирования топливоподачей может быть использован регулятор, включающий в себя электрогидравлический преобразователь типа сопло-заслонка, воздействующий на рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД), микропроцессорный блок управления, гидропоршень, шток которого связан с рейками ТНВД и датчик положения рейки. Питание преобразователя можно обеспечить, как один из возможных вариантов, от шестерёнчатого насоса. Преимуществами данной системы станет повышение экономичности и ресурса двигателя автомобиля, благодаря увеличению точности позиционирования управляемого элемента электрогидравлического преобразователя.

Для проведения обобщенного анализа и осуществления предварительного синтеза автоматизированной гидравлической системы в целом, следует получить статические и динамические характеристики отдельных ее устройств.

В частности, следует провести расчет динамической характеристики электрогидравлического преобразователя типа сопло-заслонка, как одного из управляющих элементов гидропривода.

 

 

Конструктивные особенности электрогидравлического преобразователя

 

Широкое распространение в гидравлических системах получили электрогидравлические преобразователи мощности типа сопло-заслонка благодаря высокой чувствительности, сравнительной простоте конструкции и большой надёжности [7].  

Такие усилители выполняются двухкаскадными, в качестве первого каскада усиления служит преобразователь с двумя соплами и заслонкой. Вторым, более мощным каскадом усиления, является золотниковый преобразователь. Управляющим элементом электрогидропреобразователя является система дросселей, два из которых G1 и G2 – постоянные, а два других: G3 и G4 –переменные управляемые дроссели типа сопло-заслонка. Гидравлическая проводимость управляемых дросселей изменяется при смещении заслонки от нейтрального положения (рис. 1).

 

 

G3

рсл

I

I

G4

рпу

рсл

G1

G2

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема электрогидравлического

преобразователя сопло-заслонка

 

 

 

Расчет теоретической динамической характеристики электрогидравлического преобразователя

 

Для получения теоретической динамической характеристики электрогидравлического преобразователя типа сопло-заслонка разобьем его на следующие блоки: блок электромеханического преобразователя; блок гидроусилителя в виде отношения перемещения золотника к перемещению заслонки; блок обратной связи. При расчете передаточной функции электрогидропреобразователя использованы геометрические параметры преобразователя [8].

В первую очередь следует определить передаточную функцию электромеханического преобразователя. В общем случае его передаточную функцию можно представить:

,

где  - функция управляющей катушки, установленной на магнитопроводе, ; Kk – коэффициент передачи катушки управления, ; Rk – активное сопротивление катушки, ;     ρ – удельное сопротивление провода намотки; lН – длина провода намотки; fпн – площадь поперечного сечения провода намотки, ; dnн – диаметр провода намотки; Тk – постоянная времени катушки с магнитопроводом, ; Lk  – индуктивность катушки [9]; ; – функция, связывающая зависимость магнитной силы ΔF от силы тока ΔI в катушке;  – функция, связывающая зависимость перемещения заслонки Δh от магнитной силы ΔF, действующей на нее .

Следующим этапом расчета является определение передаточной функции второго блока электрогидропреобразователя. В общем случае передаточная функция гидроусилителя в изображении по Лапласу выглядит следующим образом:

,

где – перемещение золотника; h(s) – перемещение заслонки.

Расход  энергоносителя, поступающего в рабочую камеру золотника, рассчитывается по формуле:

        ,                         (1)

где fзол – площадь поперечного сечения плунжера золотника, fзол = 0,000314 м2.

Расход жидкости, создающей давление на торец золотника через коэффициенты KQh и KQp:

                     (2)

где KQh – коэффициент усиления по расходу; KQp – коэффициент скольжения по давлению;  – перепад давления в диагонали гидравлического моста.

Подставляя (2) в (1) получаем:

.

После необходимых преобразований, имеем:

Необходимо выразить  через перемещение золотника.

Уравнение движения золотника записывается в виде:

 

                             

 

34
 
где mзол – масса золотника, mзол = 0,243 кг; RГ – гидродинамическая сила, ; СГ – коэффициент жёсткости гидродинамической пружины золотника, , СГ = 842,63 ; µ – коэффициент расхода жидкости, µ = 0,5 – 0,7; b – ширина окна золотника, b = 0,063 м; рпу – давление управления, рпу = 96000 Па; pсл – давление слива, pсл = 42500 Па; ϴ – угол отклонения потока при прохождении через золотник, ϴ = 50 – 80° [10]; СЗ – жёсткость каждой подторцовой пружины золотника, СЗ = 2274 ; RТР.З – сила сухого трения золотника; R0 – сила залипания золотника в результате облитерации; bзол – коэффициент вязкого трения золотника, bзол  = 526 .

Так как силы RТР.З и R0, действующие на золотник, малы, уравнение (6) принимает вид:

 

 

                             

или в форме изображения по Лапласу при нулевых начальных условиях [9]:

                        

Тогда

                                                                                      

Произведя упрощения, получаем:

Тогда передаточная функция гидравлического усилителя принимает вид:

 

 

С учётом коэффициента усиления гидравлического мостика по давлению , передаточная функция примет вид:

.

После введения обозначений:

 – коэффициент усиления гидроусилителя,

где Kph – коэффициент усиления гидравлического усилителя-преобразователя по давлению, Kph = 1,265·108 ;

 – постоянная времени гидроусилителя;

 – коэффициент демпфирования,

окончательно получим:

После подстановки числовых значений и расчета коэффициентов, передаточная функция  распадается на два апериодических звена и ее знаменатель можно представить в виде:

 

 

.

 

35
 
При расчетах можно принять T2 = 0 в силу ее малого значения. Тогда окончательно пере­даточная функция принимает вид:

.

Для построения структурной схемы всего усилителя мощности необходимо обратить внимание на внутреннюю обратную связь от золотника к заслонке. Коэффициент обратной связи рассчитывается:

,

где KhPy – коэффициент обратной связи давления управления на положение заслонки, ; k1 – коэффициент при острых кромках сопла, к1 = 1,03 – 1,06; к2 – коэффициент, определяющий зависимость момента на заслонке от ее перемещения, к2  = 10 Н; fc – площадь сопла, fc = 7,065·10-6 м2; dз – диаметр заслонки, dз = 0,01 м; KPyX – коэффициент обратной связи давления управления на координату золотника,

          В итоге структурная схема электрогидравлического преобразователя принимает вид, представленный на рис. 2.

 

KIF· KhF

Xзол(s)

KOC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Структурная схема электрогидравлического преобразователя

 

 

С учетом предварительных расчетов график переходной функции электрогидравлического преобразователя можно представить виде, показанном на рис. 3.

 

 

         хзол, м

 

        0,003

              

         0,002

                    

         0,001

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

           
   
 
   
 
 

0              0,5             1             1,5              2       t, c

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. График переходной функции электрогидравлического

преобразователя

 

 

Как следует из графика переходной функции, время переходного процесса перемещения золотника электрогидравлического преобразователя из нейтрального положения в крайнее  при подаче управляющего сигнала максимальной величины не превышает t = 1,1 c.

 

 

 

 
 

36
 
 

Заключение

 

Представлена методика и расчет теоретической динамической характеристики электрогидравлического преобразователя типа сопло-заслонка. Анализ графика переходной функции показал, что время переходного процесса максимального перемещения силового золотника электрогидравлического преобразователя, при подаче на катушку индуктивности управляющего сигнала, не превышает  1,1 секунды, что является удовлетворительным для построения  систем управления гидравлическими приводами. Таким образом, можно сделать выводы о возможности включения преобразователя в гидравлическую систему управления топливоподачей дизельного двигателя автомобиля КамАЗ.

References

1. Martin D. J., Burrows C. R. The Dynamic Characteristics of an Electro-Hydraulic Servovalve // Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Transactions of the ASME. 1976. Vol. 98(4). R. 395-406.

2. Krishnaswamy K., Li, P. Y. On using unstable electrohydraulic valves for control // Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Transactions of the ASME. 2002. Vol. 124(1). R. 183-190.

3. Lin S. J., Akers A. A. Dynamic model of the flapper-nozzle component of an electrohydraulic servovalve // Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Transactions of the ASME. 1989. Vol.111(1). R. 105-109.

4. Tsai S. T., Akers A., Lin, S. J. Modeling and dynamic evaluation of a two-stage two-spool servovalve used for pressure control // Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Transactions of the ASME. 1991. Vol. 113(4). R. 709-713.

5. Anderson R.T, Li P.Y. Mathematical modeling of a two spool flow control servovalve using a pressure control pilot // Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Transactions of the ASME. 2002. Vol. 124(3). R. 420-427

6. Forental V.I., Forental M.V., Nazarov F.M. Investigation of dynamic characteristics of the hydraulic drive with proportional control // Procedia Engineering. 2015. Vol. 129. P. 695-701

7. Nagornyy V.S. Ustroystva avtomatiki gidro- i pnevmosistem. M.: Vysshaya shkola, 1991. 367 s.

8. Tudvaseva G.V. Elektrogidravlicheskiy usilitel'-preobrazovatel' tipa soplo-magnitozhidkostnaya zaslonka dlya sistem upravleniya v gidroficirovannyh privodah: dis.…kand.tehn.nauk. Saratov, 2008. 160s.

9. Nemcov M.V. Spravochnik po raschetu parametrov katushek induktivnosti. M.: Energoatomizdat, 1989. 192 s.

10. Prokof'ev V.I., Sadovskiy V.D. Dinamika gidroprivoda. M.: Mashinostroenie, 1972. 288 s.

© INFRA-M
Support Powered by Editorum,  Instructions
Login or Create
* Forgot password?