Dziś jest poniedziałek, 21 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Aktualności
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
Siemensa buduje fabrykę dla Przemysłu 4.0 w Polsce
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
20 lipiec 2012.

KONCEPCJA HYDROSTATYCZNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO DLA BEZZAŁOGOWEJ PLATFORMY LĄDOWEJ O SKRECIE BURTOWYM

KONCEPCJA HYDROSTATYCZNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO DLA BEZZAŁOGOWEJ PLATFORMY LĄDOWEJ O SKRECIE BURTOWYM

1. WPROWADZENIE

Poruszanie się pojazdów w trudnych warunkach terenowych wiąże się z koniecznością dysponowania przez nie odpowiednio wysoką mobilnością terenową. Jest to związane m.in. z takimi parametrami jak: kąt natarcia, zejścia, prześwit, zwrotność, nacisk jednostkowy na podłoże czy kąt rampowy. Szczególnie wysokie wymagania stawiają tu odbiorcy wojskowi [4]. Ze względu na pożądaną dynamikę prowadzenia działań ważna jest dla nich również prędkość jazdy, która nie powinna być niższa niż vj>30-40 km/h. Dotychczasowe doświadczenia wykazują, że najlepiej sprawdzają się w takich rozwiązaniach wieloosiowe kołowe układy bieżne. Przykładem tego typu rozwiązań mogą być brytyjski Supacat MK 111, czy polski Lewiatan (rys.1).

a) b)

Rys.1. Trójosiowe pojazdy o wysokiej mobilności terenowej:
a) Supacat MK111 (Wielka Brytania),
b) Lewiatan ZS (Polska)

Dążenie do ochrony życia żołnierzy sprawia, że szeroko rozwijane są obecnie tego typu pojazdy w wersjach bezzałogowych (BPL - bezzałogowe platformy lądowe), najczęściej zdalnie sterowanych (rys.1b). Brak operatora na pojeździe znacznie utrudnia realizowanie procesu jazdy. Aby go ułatwić i poprawić manewrowość, co jest istotne w szczególnie trudnym terenie, stosuje się burtowe systemy skrętu (rys.2).

a) b)

Rys.2. Zdalnie sterowane roboty o skręcie burtowym: a) Robot Defender D2 (Wielka Brytania), b) pojazd Morri (Finlandia)

Precyzja sterowania nabiera istotnego znaczenia w przypadku realizacji zadań związanych z wykrywaniem, podejmowaniem i neutralizacją improwizowanych ładunków wybuchowych. Często o powodzeniu tego typu misji decyduje poziom mobilności platformy, który wymiernie przekłada się na tempo realizacji zadania, a tym samym i czasem ekspozycji żołnierzy na ewentualne zagrożenia.

Większość producentów, którzy oferują obecnie BPL wykorzystujące napęd elektryczny. Jego zasadniczą zaletę jest podatność na zastosowanie zdalnego sterowania, natomiast wadą jest dość ograniczony czas operowania.

W Katedrze Budowy Maszyn Wojskowej Akademii Technicznej, prowadzone są obecnie prace nad różnego typu BPL, które wyróżniają się tym, że posiadają hydrostatyczny układ napędowy. Jednym z nich jest 3 tonowy inżynieryjny robot wsparcia, którego maksymalna prędkość jazdy będzie wynosić około vj~35-40 km/h.

2. HYDROSTATYCZNE UKŁADY NAPĘDOWE W MASZYNACH I POJAZDACH

Postępujący rozwój elementów hydraulicznych, ich niezawodność i wprowadzanie nowoczesnych układów sterowania (CAN-bus) sprawia, że konstrukcje hydrostatyczne znajdują one coraz szersze zastosowanie. Podstawowymi aspektami przemawiającymi za ich wykorzystywaniem do napędzania układów bieżnych są [1]:

  • łatwość kształtowania układu przenoszenia napędu od silnika spalinowego do kół bieżnych,
  • możliwość uzyskania bezstopniowej zmiany przełożenia,
  • wykorzystywanie korzystnego obszaru pracy silnika spalinowego,
  • eliminacja rozłączalnych sprzęgieł, skrzyń biegów, przekładni rozdzielczych za silnikiem napędowym,
  • eliminacja przekładni rozdzielczych za skrzyniami biegów, do napędu urządzeń dodatkowych wykorzystując energię hydrauliczną cieczy,
  • możliwość realizowania napędu odwróconego,
  • zabezpieczenie silnika napędowego przed przeciążeniem,
  • możliwość realizowania jazdy z automatyczną zmianą przełożenia.

Na rynku maszyn i pojazdów można spotkać szereg konstrukcji wykorzystujących hydrostatyczne układy napędowe. W niektórych z nich stosuje się je zarówno do wpawania w ruch elementów układu bieżnego, jak i roboczego [1]. Takie rozwiązania dominują szczególnie w lekkich maszynach inżynieryjnych, takich jak np. mini ładowarki (rys.3). W ich przypadku, z uwagi na wymagana dużą manewrowość, stosuje się najczęściej burtowe układy skrętu.

Wymienione zalety napędu hydrostatycznego, a szczególnie możliwość precyzyjnego sterowania prędkością jazdy i rozwijania, w znacznym jej zakresie, dużej siły napędowej sprawiły, że zaczęto je stosować również w BPL wysokiej mobilności. Przykładem takiej konstrukcji jest pojazd Lewiatan (rys.1b). W odróżnieniu od zaprezentowanych wcześniej miniładowarek, nie posiada on jednak burtowego lecz zwrotnicowy układ skrętu.

a) b)

Rys.3. Przykłady miniładowarek kołowych o skręcie burtowym: a) Volvo, b) Caterpillar

3. ONCEPCJA HYDROSTATYCZNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO TRÓJOSIOWEJ PLATFORMY WYSOKIEJ MOBILNOŚCI O SKRĘCIE BURTOWYM

Burtowy system skrętu wymusza konieczność różnicowania prędkości kół (gąsienic) po prawej i lewej stronie pojazdu. Efekt ten można uzyskać przy różnych strukturach hydrostatycznych układów napędowych (rys.4) [2,6,7]:

a) b)
c) d)

Rys.4. Uproszczone schematy hydrauliczne hydrostatycznych układów napędowych jazdy maszyn o skręcie burtowym: a) wariant I, b) wariant II, c) wariant III, d) wariant IV

  • wariant I - układ z jedną pompą hydrauliczną o zmiennej wydajności i dwoma silnikami hydraulicznymi o zmiennej chłonności,
  • wariant II - układ z dwiema pompami hydraulicznymi o zmiennej wydajności i dwoma silnikami hydraulicznymi o stałej chłonności,
  • wariant III - układ z dwiema pompami hydraulicznymi o zmiennej wydajności i dwoma silnikami hydraulicznymi o stałej chłonności,
  • wariant IV - układ z dwiema pompami hydraulicznymi o zmiennej wydajności i dwoma silnikami hydraulicznymi o zmiennej chłonności oraz jedną pompą do układu skrętu.

W opracowywanej koncepcji hydrostatycznego układu napędowego trójosiowej platformy wysokiej mobilności o skręcie burtowym, dla 3 tonowego inżynieryjnego robota wsparcia, rozpatrywano dwie konfiguracje - wariant II i III. W niniejszym referacie bliżej zaprezentowano pierwszą z nich.

W wariancie II różnicowanie ilości czynnika roboczego dopływającego liniami zasilającymi do silników prawej i lewej burty pojazdu, odbywa się poprzez przetłaczanie oleju z jednej z nich do drugiej. Realizuje się to dodatkową pompą układu skrętu, sterowaną niezależnie od pompy głównej zasilającej - która odpowiedzialna jest jedynie za zmianę prędkości ruchu maszyny.

Osobnym zagadnieniem jest utrzymywanie prostoliniowego kierunku jazdy. Wymaga to uzyskiwania jednakowej prędkości obrotowej kół na prawej i lewej burcie. Przy zastosowaniu jednej pompy zasilającej, tłoczącej jednocześnie olej do dwóch obwodów, z uwagi na możliwość występowania w nich rożnych obciążeń, konieczne jest zastosowanie dzielnika przepływu. Zapewnienie platformie wysokiej mobilności terenowej narzuca przeniesienie napędu na wszystkie koła. Biorąc pod uwagę, że pojazd ma posiadać podwozie trzyosiowe, projektowany układ musi również zapewniać równomierny rozdziału oleju dostarczanego do wszystkich silników hydraulicznych danej burty. Z uwagi na ograniczenie wielkości zastosowanych jednostek hydrostatycznych, dopuszczono możliwość występowania dwóch zakresów prędkości poruszania się: szosowy i terenowy. Opracowane rozwiązanie układu hydraulicznego realizującego wymienione funkcje prezentuje rys.5.

Szosowy zakres prędkości realizowany będzie przy szeregowym połączeniu silników hydraulicznych w każdej z burt (rys.5a).

Rys.5. Schematy ideowe hydrostatycznego układu napędowego (wg wariantu II) trójosiowej platformy wysokiej mobilności o skręcie burtowym: a) szosowy tryb jazdy - szeregowe połączenie silników, b) terenowy tryb jazdy - równoległe połączenie silników; gdzie: 1 - lewa burta pojazdu, 2 - prawa burta pojazdu, 3 - pompa główna zasilania układu hydraulicznego, 4 - pompa układu skrętu, 5 - dzielnik przepływu podwójny, 6 - dzielnik przepływu potrójny

Konfiguracja taka zapewnia przepływ przez nie - objętości cieczy roboczej generowanej przez główną pompę zasilającą. Natomiast tryb terenowy uzyskuje się przy połączeniu równoległym (rys.5b). Aby zapewnić w takim przypadku równomierne dostarczanie oleju do silników każdej z burt, zastosowano potrójne dzielniki przepływu. Dzięki temu, niezależnie od występujących obciążeń, przez każdy z nich przepływa 1/6 oleju dostarczanego przez pompę.

Szeregowe bądź równoległe połączenie silników hydraulicznych, oprócz zmiany rozwijanych prędkości jazdy, wpływa oczywiście na zmianę wartości siły rozwijanej na kołach napędowych. Związane to jest z maksymalnym ciśnieniem, jakie będzie mogło panować w układzie. Przewiduje się, że powinno ono przekroczyć 25 MPa. Problem ten obrazuje rys.6. Na jego podstawie można stwierdzić, że siła rozwijana w trybie szosowym będzie około trzykrotnie mniejsza niż terenowym.

Rys.6. Interpretacja spadku ciśnienia w silnikach hydraulicznych napędzających koła jednej burty pojazdu: a) połączenie szeregowe, b) połączenie równoległe

Rozwiniętą postać schematu układu hydraulicznego dla opracowywanej bezzałogowej platformy lądowej prezentuje rys.7. Dobór konkretnych przepołów i elementów do projektowanego układ drogi przepływu oleju, związane z wysterowaniem rozdzielaczy. Dla rozpatrywanego układu będzie to związane z dwoma trybami jazdy hydraulicznego wymaga analizy strat ciśnienia. Ma to bowiem istotny wpływ na jego sprawność. Należy przy tym pamiętać, że trzeba rozważyć różne.

W tabeli 1 zestawiono wielkości strat ciśnienia przy zastosowaniu:

  • rozdzielaczy suwakowych o nominalnym natężeniu przepływu równym maksymalnemu natężeniu przepływu w układzie (konfiguracja I),
  • rozdzielaczy suwakowych o nominalnym natężeniu przepływu dwa razy większym niż maksymalne natężenie przepływu w układzie (konfiguracja II),
  • rozdzielaczy zaworowych o nominalnym natężeniu przepływu dwa razy większym niż maksymalne natężenie przepływu w układzie (konfiguracja III).

Rys.6. Schemat hydrostatycznego układu napędowego trójosiowej platformy wysokiej mobilności o skręcie burtowym

Podczas projektowania układu hydraulicznego przyjęto, że maksymalny spadek ciśnienia na silniach hydraulicznych będzie wynosił ok. Δpsh=21 MPa. Zgodnie z literaturą, straty w instalacji nie powinny przekroczyć 10% tej wartości, co daje Δpstr~2,1 MPa [3,5]. Spadek ciśnienia na poszczególnych elementach instalacji został określony na podstawie charakterystyk podawanych przez ich producentów.

Przeprowadzone analizy wykazały, ze straty w trybie jazdy szosowej są większe niż w trybie terenowym. Przy doborze typowych elementów, dostosowanych do maksymalnego szacowanego natężenia przepływu, osiągnęły one wartość Δpstr~3,1 MPa, czyli przekroczyły o około 50% zakładany ich poziom (tab.1 - konfiguracja I). Chcąc je zredukować przyjęto w pierwszym etapie, że zastosowane zostaną rozdzielacze o dwukrotnie większym nominalnym natężeniu przepływu. Dzięki temu udało się obniżyć na nich straty z Δpstr~1 MPa do Δpstr~0,3 MPa (rys.8), a całkowitą ich wartość w instalacji do Δpstr~2,4 MPa (tab.1 - konfiguracja II). Ponieważ nadal przekraczały przyjęty poziom, przeprowadzono analizę dla tej samej wielkości rozdzielaczy, ale w wersji zaworowej. Przy takiej ich konstrukcji uzyskano straty o wartości około Δpstr~0,1 MPa (rys.9), a całkowite około - Δpstr~2,2 MPa (tab. 1 - konfiguracja III), co uznano za poziom akceptowalny.

Rys.8. Charakterystyka strat ciśnienia rozdzielacza suwakowego PONAR Wadowice typu WEH16 [9] (jazda do przodu P-A i B-T, jazda do tyłu P-B i A-T oraz "luz" P-T) (przy Δ=41 mm2/s w temp. 50C); 1 - maksymalne natężenie przepływu oleju przy terenowym zakresie prędkości jazdy, 2 - maksymalne natężenie przepływu oleju przy szosowym zakresie prędkości jazdy

Rys.9. Charakterystyka strat ciśnienia rozdzielacza zaworowego PONAR Wadowice NG16 [9] (przy Δ=41 mm2/s w temp. 50-C); 1 - maksymalne natężenie przepływu oleju przy terenowym zakresie prędkości jazdy, 2 - maksymalne natężenie przepływu oleju przy szosowym zakresie prędkości jazdy

W każdej z rozpatrywanych konfiguracji w trybie terenowym, spadek ciśnienia na analizowanych elementach instalacji był niższy o 40% (tab.1).

Tabela 1. Zestawienie wielkość strat ciśnienia Δpstr na poszczególnych elementach instalacji hydraulicznej (wg rys. 7) dla różnych typów i wielkości zastosowanych rozdzielaczy [9]

  Straty ciśnienia Δpstr [MPa]
Element Bieg szosowy (Qsh=95dm3/min) Bieg terenowy (Qsh=31,7dm3/min)
Konfig. I Konfig. II Konfig. III Konfig. I Konfig. II Konfig. III
Dzielnik przepływu podwójny 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Rozdzielacz suwakowy (2x) 0,3 0,3 0,3 0,1 0,1 0,1
Dzielnik przepływu potrójny 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1
Rozdzielacz zaworowy - - 0,2 - - 0,02
suwakowy 1,0 0,3 - 0,6 0,2 -
Rozdzielacz suwakowy 0,3 0,3 0,3 0,1 0,1 0,15
Chłodnica oleju 0,15 0,15 0,15 0,03 0,03 0,03
Filtr oleju 0,35 0,35 0,35 0,2 0,2 0,2
Straty w przewodach 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Suma 3,1 2,4 2,2 1,88 1,48 1,26

Przyjecie struktury hydrostatycznego układu napędowego wg wariantu III (rys.4), czyli zastosowania pompy podwójnej, pozwala zrezygnować z podwójnego dzielnika przepływu i tym samy obniżyć straty sumaryczne do - Δpstr~2,1 MPa. W tym przypadku uzyskujemy również nieznaczny spadek (około 5%) masy całkowitej elementów instalacji hydraulicznej (tab.2).

Tabela 2. Zestawienie masowe podzespołów hydraulicznych układów skrętu dla dwóch wybranych wariantów ich struktur (por. rys.4)

Element Masa elementów składowych
Schemat układu -wariant II (rys.4) Schemat układu -wariant III (rys.4)
Dzielnik przepływu - potrójny 45 kg 45 kg
Rozdzielacze/zawory 148-152 kg 148-152 kg
Chłodnica 6 kg 6 kg
Dzielnik przepływu - podwójny 15 kg -
Pompa główna układu jazdy 50kg 65kg
Pompa skrętu 12 kg -
Suma 231-235 kg 219-223 kg

4. PODSUMOWANIE

Przedstawione w referacie rozwiązanie hydrostatycznego układu napędowego jazdy dla bezzałogowej platformy lądowej, zapewnia osiągnięcie wszystkich założonych cech funkcjonalnych. Możliwość stałego dostarczania momentu na wszystkie koła, ogranicza wpływ niejednorodności podłoża na wartość rozwijanej siły napędowej. Burtowy system skrętu zapewnia jednocześnie bardzo wysoka zwrotność, co znacznie ułatwia manewrowanie pojazdem realizującym zadania w trybie teleoperacji.

Wadą hydrostatycznych układów napędowych, ograniczającą zakres ich stosowania, jest stosunkowo niska sprawność. Dlatego niezwykle ważne jest odpowiednie dobranie poszczególnych jego podzespołów, co wykazały przeprowadzone analizy rachunkowe.

LITERATURA

  • [1]. Bartnicki A., Sprawka P.: Zastosowanie hydrostatycznych układów napędowych we współczesnych maszynach i pojazdach lądowych, LOGITRANS, Szczyrk 2008.
  • [2]. Budny E.: Napęd i sterowanie układów hydraulicznych w maszynach roboczych. ITE, Radom 2001.
  • [3]. Garbacik A. i inni: Studium projektowania układów hydraulicznych. Ossolineum, Kraków 1997.
  • [4]. Kuczmarski F., Typiak A.: Lekki zdalnie sterowany pojazd - jako nośnik wyposażenia specjalistycznego i uzbrojenia. Polska wizja przyszłego pola walki, OBRUM, Warszawa 2004.
  • [5]. Stryczek S.: Napęd hydrostatyczny tom I, Wydawnictwo Naukowo - Techniczne, Warszawa 2005.
  • [6]. Szydelski Z.: Napęd i sterowanie hydrauliczne w pojazdach i samojezdnych maszynach roboczych, Wydawnictwo Naukowo - Techniczne, Warszawa 1980.
  • [7]. Budny E.: Napęd i sterowanie układów hydraulicznych w maszynach roboczych. ITE, Radom 2001.

ADAM BARTNICKI, TOMASZ MUSZYŃSKI

Wojskowa Akademia Techniczna

abartnicki@wat.edu.pl, tmuszynski@wat.edu.pl

 

Źródło: Wojskowa Akademia Techniczna
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl