Hydrostatyczny system napędu i sterowania jazdą platformy mobilnej

Transkrypt

1 GUZOWSKI Artur 1 SOBCZYK Andrzej 2 Hydrostatyczny system naędu i sterowania jazdą latformy mobilnej WSTĘP Mimo rosnącej roli naędów elektrycznych wciąż niezastąione jest wykorzystanie w rzemyśle naędów hydrostatycznych, szczególnie w mobilnych maszynach roboczych. Cechy naędów hydraulicznych i szeroka gama dostęnych roduktów ozwalają na modyfikacje dotychczasowych rozwiązań. Poszukiwane są również inne kierunki zastosowania hydrauliki. Przykładem są nietyowe ojazdy z naędem hydrostatycznym. W ojazdach tych nastęuje coraz większa imlementacja zaawansowanych układów sterowania, co znajdziemy w tematach licznych rac badawczorozwojowych i rojektowych. Główne kierunki badań to orawa racy układu naędowego od kątem oszczędności energii, zużycia aliwa i emisji salin [1,4]. Istotnym celem jest również orawa ergonomii racy maszyny, jak i układu maszyna-oerator. Wsółczesne układy naędu i sterowania rzejmują coraz więcej zadań wcześniej wykonywanych tylko rzez człowieka. Sygnały wejściowe ozwalają określić, który mechanizm roboczy ma działać, w jakim kierunku, z jaką rędkością lub siłą. Dlatego też nowe maszyny są jednostkami o części autonomicznymi, gdyż układ kontrolny, uwzględniając dodatkowo warunki zewnętrzne, dobiera arametry racy odowiednich odzesołów z uwzględnieniem żądań ochodzących od oeratora [2,3,5]. Inteligentne maszyny szczególnie rozwijają wojskowe centra naukowe rzy wsółracy z firmami, które secjalizują się w rodukcji elementów hydraulicznych oraz wiodącymi firmami od automatyzacji i sterowania w rozwiązaniach mobilnych. Dlatego znalezienie szczegółowych informacji danego rozwiązania jest trudne. Znaleźć można jedynie częściowe informacje dotyczące budowy układów naędowych. Natomiast trudniejsze jest dotarcie do szczegółowych danych dotyczących algorytmów sterowania. Rys. 1. Dromader rodukt konsorcjum BPL W Polsce takim ośrodkiem badawczym jest konsorcjum BPL (Bezzałogowe Platformy Lądowe), do którego należy między innymi firma Hydromega, Wojskowa Akademia Techniczna, Wojskowy Instytut Techniki Pancernej i Samochodowej, Centrum Innowacji NOT oraz firma WB Elektronics. 1 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki w Krakowie, Wydział Mechaniczny; Kraków; ul. Jana Pawła II 37. Tel: , Fax: , guzowski@mech.k.edu.l 2 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki w Krakowie, Wydział Mechaniczny; Kraków; ul. Jana Pawła II 37. Tel: , Fax: , sobczyk@mech.k.edu.l 4402

2 Efektem tej wsółracy jest oracowana rodzina ojazdów secjalistycznych kołowych z naędem hydrostatycznym: Lewiatan, Dromader, Marek, Boguś oraz odwozie gąsienicowe rzeznaczone dla ojazdów secjalnych (rysunek 1). Więcej rzykładów zastosowania naędów hydrostatycznych w maszynach mobilnych znajdziemy w materiałach roducentów elementów hydraulicznych, które osiadają własne laboratoria badawcze również rzy wsółracy z ośrodkami naukowymi. W materiałach dostęnych na stronie takich firm jak Bosch-Rexroth, Parker-Hannifin, czy Danfoss można znaleźć wykorzystanie dedykowanych kontrolerów lub wbudowanych systemów sterowania (embedded systems). Takie rozwiązania to zintegrowane układy sterowania zarządzające hydraulicznymi elementami wykonawczymi, jak omy, silniki, zawory sterujące ciśnieniem lub natężeniem rzeływu, wsarte joystickami i anelami oeratorskim [10, 11] (rysunek 2). Rys. 2. Elektronika mobilna firmy Parker-Hannifin. (zdjęcie z broszury Software-based systems for efficient machines ) 1 CEL PRACY W artykule zarezentowano zakres wykonanych rac w ramach budowy układu sterowania ojazdu z naędem hydrostatycznym. Istniejący obiekt w laboratorium Instytutu Konstrukcji Maszyn oddany został rzebudowie, której głównym celem jest zwiększenie możliwości układu hydraulicznego i układu sterowania naędu jazdy. Wrowadzone zmiany, ozwolą na oszukiwanie nowych sosobów sterowania nietyowego innowacyjnego czterokołowego ojazdu mobilnego. Szczególną cechą rozatrywanego obiektu są niezależne silniki oraz ich układ zawieszenia dla każdego z kół. Dodatkowo szukane będą otymalne funkcje i definiujące rzez nie algorytmy sterowania. Punkty te muszą uwzględniać warunki stawiane obecnie mechanizmowi jazdy maszyn mobilnych oraz rocedurom stosowanym w systemie sterowania. Nadrzędnym celem będzie róba oracowania takiego systemu kontroli i sterowania, który ozwoli dostosować rędkość do zróżnicowanych warunków rzyczeności ojazdu do odłoża, kształtu terenu i romienia skrętu rzy uwzględnieniu otymalnego wykorzystania mocy i bezieczeństwa racy maszyny. Tak zbudowany obiekt umożliwi wykorzystanie latformy do zadań secjalnych, szczególnie w nietyowym i niezdefiniowanym obszarze odobnie jak ojazdy terenowe. 2 OBIEKT BADAŃ Instytut Konstrukcji Maszyn od kilku lat osiada ojazd z naędem hydrostatycznym. Jego ierwszą koncecję oracowali studenci w ramach koła naukowego Maszyny Robocze (rysunek 3). 4403

3 Rys. 3. Pojazd z naędem hydrostatycznym rzed zmianami W ierwszej wersji założono, że ojazd będzie okonywał wzniesienia o dużym nachyleniu, osiadał naęd 4x4, rędkość maksymalna do 30 km/h, niezależne zawieszenie, regulowany rześwit odwozia od 250 do 550 mm oraz masa całkowita ojazdu 500kg. Zasilanie układu naędowego realizowano za omocą silnika salinowego o mocy 24 KM (17,6 kw) i rędkości do 5600 obr/min. Silnik, bez rzekładni, ołączono z omą hydrauliczną SNP3/33 o stałej wydajności firmy Sauer-Danfoss. Uzyskana energia cieczy wykorzystana została do zasilania czterech silników hydrostatycznych o stałej chłonności tyu OMS315 firmy Sauer-Danfoss. Silniki o obu stronach ojazdu ołączono szeregowo, a ich kierunek i rędkość regulowano rzez dwie sekcję rozdzielacza roorcjonalnego 4/3 PVG32. Ostatnia sekcja odowiedzialna była za zasilanie układu czterech siłowników, które ozwalają na odniesienie ojazdu wyłącznie do maksymalnego górnego ołożenia. Należy zwrócić uwagę, że oryginalny ojazd nie osiadał żadnego elementu elektrycznego. Całe sterowanie odbywało się ręcznie orzez rzesterowanie dźwigni na wysie zaworowej PVG32. Nie mierzono zmiany arametrów układu hydraulicznego oraz wielkości mechanicznych. Kontrola ojazdu miała być realizowana bezośrednio rzez oeratora odczas jazdy. W raktyce miał on nadawać odowiedni kierunek jazdy lub kąt rześwitu za omocą dwóch dwuosiowych joysticków, które generują roorcjonalne sygnały elektryczne, sterujące oszczególną sekcja rozdzielacza. Wychylenie ierwszego joysticka decydowało o jeździe do rzodu lub do tyłu oraz skręcie. Drugi natomiast określał oziom ołożenia odwozia ojazdu względem odłoża. W rzyadku różnicy naięć sygnałów sterujących chciano uzyskać zmianę kierunku jazdy ojazdu. a) b) Rys. 4. Budowany ojazd hydrostatyczny miejsce na układ silnik-oma (a) i nowy zbiornik oleju (b) Podczas ierwszych testów ojazdu z oryginalnym układem hydraulicznym stwierdzono błędy w części mechanicznej, jak i w układzie hydraulicznym. W wyniku rzerowadzonych obliczeń (rzedstawionych w dalszym części artykułu) stwierdzono konieczność zastosowania rzekładni omiędzy silnikiem salinowym a omą. Nowy element w układzie naędowym jest dużym roblemem, ze względu na istniejące ograniczenia wynikające z już istniejącej konstrukcji ojazdu 4404

4 (rysunek 4a). Dodatkowe miejsce uzyskano między innymi rzez nowy, krótszy zbiornik oleju o ojemności około 100 dm 3, który został zarojektowany i wykonany rzez firmę Ponar-Wadowice (rysunek 4b). Dodatkowo w części hydraulicznej dodano nowe zawory, które ozwalają na zwiększenie możliwości algorytmów sterowania, a tym samym samego ojazdu. 3 OBLICZENIA PARAMETRÓW PRACY W celu dobrania elementów hydraulicznych wykonano obliczenia arametrów zgodnie ze znanymi rawami mechaniki i hydrauliki [6,7,8]. Na rzebudowywanym ojeździe zastosowano te same silniki hydrauliczne, dlatego w obliczeniach oszukiwane są arametry omy i silnika salinowego. Nowe zawory ozwalają na łączenie silników szeregowo i równolegle. Według teorii umożliwi to racę z dwoma różnymi rędkościami ojazdu. Poniżej, dla obu rzyadków, rzedstawiono analizę wyników. 3.1 Oory drogi Oory drogi wływają na silnik hydrauliczny w ostaci momentu obrotowego oraz zmiany ciśnienia w układzie hydraulicznym. Dla ojazdu kołowego oory drogi F d składają się z oorów: toczenia F t, wzniesienia F w i owietrza F. F F F F (1) rzy czym: d F t F w F d całkowite oory drogi, F t siła oorów toczenia, F w siła oorów wzniesienia, F siła oorów owietrza, μ wsółczynnik tarcia, m masa ojazdu, g rzyciąganie ziemskie, α kąt nachylenia terenu, C x wsółczynnik oorów owietrza, ρ gęstość owietrza, A owierzchnia czołowa ojazdu, v rędkość jazdy. F t w m g cos( ) (2) m g sin( ) (3) 2 C A v (4) x Silnik hydrauliczny Całkowita moc silników hydraulicznych N sh otrzebna do okonania oorów drogi F d rzy wymaganej rędkości v określona jest wzorem: Nsh Fd v (5) N sh całkowita moc silników hydraulicznych. W celu wyznaczeniu maksymalnego momentu obrotowego silnika M sh należy wyznaczyć jego rędkość kątowa ω sh, która jest zależnością rędkości v i romienia koła ojazdu r według oniższego wzoru: v sh (6) r 4405

5 ω sh rędkość kątowa silnika hydraulicznego. Prędkość obrotowa silnika n sh jest wrost zależna od rędkości kątowej silnika ω sh : sh n sh (7) 2 n sh rędkość obrotowa silnika hydraulicznego. Moc silnika N sh i rędkość obrotowa ω sh ozwala określić otrzebny moment obrotowy M sh z oniższego równania (8), które uwzględnia arametry mechaniczne silnika: Nsh Msh (8) sh M sh moment obrotowy silnika hydraulicznego. Moment M sh można oisać również równaniem, które uwzględnia arametry hydrauliczne silnika: qs Msh mh (9) 2 wymagane ciśnienie wewnątrz układu hydraulicznego, q s chłonność jednostkowa silnika hydraulicznego, η mh srawność silnika hydraulicznego. Z owyższego równania można wyznaczyć wartość ciśnienie równe: 2 Msh (10) qs mh Znając rędkość obrotową silnika n sh oraz objętość skokową silników q s można wyznaczyć wymaganą chłonność silnika Q s, która ozwoli osiągną wymaganą rędkość ojazdu v rzy określonej srawności wolumetrycznej silnika η v : nsh qs Qs (11) v Q s wymagana chłonność silnika hydraulicznego, η v srawność wolumetryczna silnika hydraulicznego. 3.3 Poma hydrauliczna Znając zaotrzebowanie na czynnik roboczy rzez silniki hydrauliczne można wyznaczyć wydajność rzeczywistą omy Q. Dla rojektowanego ojazdu rzy ołączeniu równoległym silników wyniesie ona: Q 4 (12) Q s Q s wymagany wydatek omy hydraulicznej. Ponieważ ruch ciecz w układzie hydraulicznym związany jest ze stratami ciśnienia sh można zaisać nastęujące równanie na moc omy hydraulicznej: N ( ) Q (13) h N h moc omy hydraulicznej, ciśnienie w układzie, sh straty ciśnienia w układzie hydraulicznym. Przyjmując srawność całkowitą omy hydraulicznej η c można określić moc silnika salinowego otrzebnego do jej zasilania: 1 N s N h (13) sh c 4406

6 N s moc silnika salinowego, η c srawność omy hydraulicznej. Teoretyczną wydajność objętościową omy Q t można wyznaczyć z nastęującego zależności: Q Qt (14) Q rzeczywista wydajność objętościowa omy, η v srawność objętościowa omy hydraulicznej. Znając wydajność teoretyczną omy Q t i jej objętość skokową q można określić wymaganą rędkość omy n : Q n t (15) q 3.4 Podsumowanie rzerowadzonych obliczeń Dla rzedstawionej metodologii wyliczeń rzerowadzono obliczenia rojektowe. W tym celu rzyjęto nastęujące wartości arametrów Do obliczeń rzyjęto nastęujące wartości: wsółczynnik tarcia μ = 0.1, masa ojazdu m = 500 kg, rzyciąganie ziemskie g = 9,81 m/s 2, kąt α = 30, wsółczynnik oorów owietrza Cx = 1, gęstość owietrza ρ = 1,226 kg/m 3, owierzchnia czołowa ojazdu A = 2,5 m 2, rędkość jazdy (ołączenie szeregowe silników) v = 24 km/h. Dla odanych wartości i rzerowadzonych obliczeń stwierdzono, że arametry użytego silnika sełniają stawiane wymagania. Silnik może racować rzy maksymalnej rędkości obrotowej 240 obr/min oraz maksymalnym natężeniu rzeływu 75 l/min. Poma natomiast osiada rzeczywistą wydajność Q równą około 150 l/min. Zastosowanie rzekładni mechanicznej ozwala na zwiększenie rozmiaru omy hydraulicznej, której objętość skokowa wynosi 63 cm 3, oraz zmniejszenie wyznaczonej rędkość do oziomu 2500 obr/min. Moc silnika salinowego N s otrzebnego do zasilania omy to 13.6 kw. 4 ZMODYFIKOWANY UKŁAD HYDRAULICZNY Nowy rzebudowany układ hydrauliczny rzedstawiono na rysunku 6. Wykaz elementów nowego układu hydraulicznego odano w tabeli 1. W rzebudowanym układzie hydraulicznym zastosowano dodatkowo dwa zawory suwakowe firmy Ponar-Wadowice (12) mocowane na łycie (13). Pozwalają one na łączenie szeregowe lub równoległe silników hydraulicznych (5) o obu stronach ojazdu. Prędkość silników regulowana jest za omocą naięcia odawanego na cewkę zaworów roorcjonalnych PVG32 (8). Układ zawieszenia ojazdu zbudowany jest z czterech niezależnych wahaczy, których wychylenie regulowane jest rzez odowiedni siłownik (6). Sterowanie ruchem siłownika realizowana jest rzez zawory roorcjonalne 4/3 (14) zamocowane na secjalnie wykonanym bloku. Akumulatory hydroneumatyczne (16) komensują wływ ukształtowania terenu na układ zawieszenia. Takie rozwiązanie ma orawić komfort jazdy, a w rzyadku dodatkowych mechanizmów również sterowania ich częścią wykonawczą. Zaroonowany układ zawieszenia jest układem aktywnym, czyli takim, który ozwala na regulację ołożenia każdego koła niezależnie rzez oeratora lub system sterowania. v 4407

7 Tab. 1. Elementy układu hydraulicznego Nr Nazwa elementu Szt. Ty/Symbol Firma 1 Silnik salinowy Poma hydrauliczna 1 SNP3 033 Danfoss 3 Zbiornik 1 - Ponar 4 Filtr oleju 1 CA152E Sofima 5 Silnik hydrauliczny 1 OMS315 Danfoss 6 Siłownik hydrauliczny 4 - WSK Mielec 7 LS Blok omy 1 - Danfoss 8 LS Blok sekcja Danfoss 9 LS Blok sekcja Danfoss 10 LS Blok łyta 1 - Danfoss 11 Przekładnia asowa Rozdzielacz suwakowy 4/2 2 WE10 Ponar 13 Płyta rzyłączeniowa 2 G67/01 Ponar 14 Zawór roorcjonalny 4/3 4 USAB 06 Ponar 15 Zawór zwrotny 4 UZZD 06 Ponar 16 Akumulator 4 B78217 WSK Mielec Rys. 5. Schemat rzebudowanego układu hydraulicznego Aktualnie trwają racę nad montażem bloku zaworów roorcjonalnych wraz z instalacją hydrauliczną. Tak rzygotowany układ odłączony zostanie do niezależnego stacjonarnego zasilacza hydraulicznego o arametrach zbliżonych do uzyskanych w ramach obliczeń. Umożliwi to na manualne rzetestowanie odstawowych funkcji ojazdu i wyeliminowanie błędów. Pozwoli również na ostateczny dobór jednostek zasilających (oma/silnik). Kolejnym krokiem jest zamocowanie elementów układu omiarowego i układu sterowania. 4408

8 5 UKŁAD STEROWANIA Układ sterowania oarto o dedykowany do maszyn mobilnych kontroler PLUS+1 oraz dwuosiowe joysticki firmy Danfoss [11]. Kontroler orzez odowiedni algorytm sterowania, analizuje dane z czujników ciśnienia oraz rędkości, steruje naięciami na oszczególnych cewkach rozdzielaczy (rysunek 6). W celu zmniejszenia liczby rzewodów elektrycznych zawory roorcjonalne PVG ołączone są w sieci CAN [10]. Rys. 6. Zawory sterujące kierunkiem rzeływu zamocowane na obiekcie badań W trakcie rac nad usunięciem wad układu hamowania zamontowano czujniki indukcyjne (rysunek 7) do omiaru rędkości każdego z kół. Dzięki kształtowi felgi czujnik generuje 10 im/obr. Montaż czujników ciśnienia rzewidziano wraz z montażem instalacji hydraulicznej. Na końcu, do kontroli ołożenia siłowników, zostaną dobrane i zamontowane odowiednie czujniki umożliwiające regulacje w układzie zamkniętym. Rys. 7. Mocowanie czujnika indukcyjnego do omiaru rędkości kół WNIOSKI W artykule rzedstawiono rzebudowę ojazdu z naędem hydrostatycznym. Pojazd czterokołowy budowany jest w laboratorium Instytutu Konstrukcji Maszyn Politechniki Krakowskiej. Na odstawie rzeglądu literatury stwierdzono, że w Polsce i na świecie budowane są secjalne i nietyowe rozwiązania ojazdów mobilnych. Podano cele wrowadzenia zmian w konstrukcji oraz, układzie hydraulicznym i układzie sterowania. Modyfikacje ozwolić mają na zwiększenie możliwości naędu jazdy. Budowany ojazd ozwoli oszukiwać otymalnych funkcji i definiowanych rzez nie algorytmów sterowania. Przykładem jest dostosowanie rędkość do zróżnicowanych warunków rzyczeności ojazdu do odłoża, kształtu terenu i romienia skrętu rzy uwzględnieniu otymalnego wykorzystania mocy i bezieczeństwa racy maszyny. Oisano również roblemy, jakie znane były rzed rozoczęciem rac i sosób ich eliminacji. Pokazano rojekt i montaż nowego zbiornika oraz czujnika rędkości kół. Przedstawiono metodologię obliczeń głównych arametrów układu hydraulicznego z uwzględnieniem sił ooru jazdy, silników hydraulicznych i omy oraz silnika zasilania. Na odstawie obliczeń rzedstawiono nowy schemat hydrauliczny z wykazem zastosowanych nowych elementów. Podano również odstawowe informacje na temat budowanego układu sterowania z wykorzystaniem kontrolerów PLUS+1 firmy Danfoss. 4409

9 Zrealizowana raca jest rezentacja zagadnień budowy nietyowego obiektu badań w ramach racy doktorskiej. Uzyskane efekty ozwolą na rzerowadzenie testów naędu jazdy dla wybranych algorytmów sterowania. Budowany jest również model matematyczny ojazdu w rogramie Matlab/Simulink. Pozwoli to na wsomaganie rac inżynierskich nad budową ojazdu autonomicznego do zadań secjalnych. Streszczenie Artykuł rezentuje nowo zarojektowany układ naędu i sterowania jazdy małego ojazdu latformy mobilnej zbudowanej w Laboratorium Naędów Hydraulicznych Politechniki Krakowskie, jako wynik analizy dostęnego stanu wiedzy i rozwiązań w tym zakresie w literaturze. Szczegółowo oisano zadania w zakresie budowy odwozia oraz hydraulicznego układu naędu i sterowania ojazdu, w którym wrowadzone modyfikacje mają na celu orawę wybranych arametrów kontroli ruchu. Dla celów sterowania układ wyosażony jest w niezbędne czujniki omiarowe, z których sygnały wrowadzone do secjalnie w tym celu oracowanego zaawansowanego algorytmu sterowania w celu osiągniecia założonych funkcji. Przykładowo chodzi o dostosowanie rędkości jazdy latformy o nierównej owierzchni terenu unikając oślizgu zarówno rzy jeździe na wrost jak i rzy wykonywaniu skrętu, rzy jednoczesnym zwróceniu uwagi na oszczędność w zużyciu energii oraz bezieczeństwo. Oracowany model układu w rogramie Matlab/Simulink daje możliwość wstęnego rzebadania i rototyowania układu sterowania. Reconstruction of hydrostatic drive and control system dedicated for small mobile latform Abstract The article resents redeveloment of drive and control system of the exerimental four wheel hydrostatic mobile latform designed and build in Fluid Power Laboratory of the Institute of Machine Design in Cracow University of Technology. The idea of new system design came from state of art analysis in field of secial vehicles and mobile latforms for secific alications. The goals of carried works were detail described for construction structure, hydraulic systems and control. Certain modification will allow imrove the erformance of the drive system. Rebuild vehicle, thanks to equied with measuring and controls will give otential ossibility for investigation towards seek of the otimal functions which could be used in advanced control algorithms. As an examle, is adjusting of driving velocity to diversified conditions of the terrain, wheels tractive adhesion and turn radius taking into consideration otimal of ower utilization, as well as, safety of oeration. Elaborated model of the system under Matlab/Simulink gives ossibility to rototying of control rocedures which will be checked on the real object during laboratory, as well as, field tests and will lead to elaboration of autonomous mobile latform for secial alications. BIBLIOGRAFIA 1. Sobczyk, A., Imrovement of Hydraulic System efficiency by Means of Energy Recueration. Wyd. PK, Krakow Guzowski A., Sobczyk A., Mobile robot with hydrostatic drive controlled by PLUS+1 module. Czasoismo "Przegląd Mechaniczny, Warszawa Guzowski, A., Sobczyk, A., Modernizacja hydrostatycznego układu naędowego jazdy od katem orawy jakości sterowania. Czasoismo "Inżynieria Maszyn, Wrocław Stryczek, S., Naęd hydrostatyczny. WNT, Warszawa Szydelski Z., Pojazdy samochodowe. Naęd i sterowanie hydrauliczne. WKiŁ, Warszawa Kucybala P., Pobędza J., Sobczyk A., Simulation of hydraulic energy saving system for handling equiment and vehicles. Wyd. PW, Warszawa Chrostowski, H., Kędzia, K., Sterowanie hydrostatycznym hybrydowym układem naędowym. Czasoismo Hydraulika i Pneumatyka, Wrocław Garbacik, A., Studium rojektowania układów hydraulicznych. Ossolineum, Kraków Gear ums SNP3, Technical Information, Proortional valve PVG, Technical Information, Mobile electronics PLUS+1, Technical Information,