Структурное описание произвольных гидросхем

Анализ различных гидросистем, применяемых в различных мобильных машинах (автомобилях, дорожных, строительных, землеройно-транспортных машинах, тракторах, тягачах и др.), показывает, что существует конечный набор базовых гидроэлементов, с помощью которых можно синтезировать практически любую схему гидропривода. К этим элементам относятся: насос, гидромотор, гидроцилиндр, клапаны прямого и непрямого действия, дроссель (местное сопротивление), трубопровод (в том числе, тупиковый участок трубопровода или полость), тройник (делитель или сумматор потоков), регулятор мощности, гидроаккумулятор, гидрозамок, золотниковый гидрораспределитель, дизельный двигатель с центробежным регулятором, колесный движитель, элементы систем автоматического регулирования (САР).
Расчет любой гидросхемы сводится к определению переменных давлений, расходов (подач), скоростей и положений подвижных частей в точках соединения гидроэлементов – узлах схемы. При этом один и тот же узел может быть одновременно выходом одного элемента и входом другого.
Любую гидросхему можно рассматривать как совокупность составляющих ее элементов и узлов – точек соединения этих элементов. Каждый элемент гидросхемы, кроме золотникового гидрораспределителя, можно представить в виде трехузлового элемента с узлами i (вход), j (выход) и k (управление или преобразование энергии), связывающими его с другими элементами cхемы (рис. 1).

Рис. 1. Базовые гидроэлементы и их узлы

а – насос, б – гидромотор, в – гидроцилиндр, г – гидроаккумулятор, д – клапан прямого действия, е – клапан непрямого действия, ж – трубопровод, з –тупиковый трубопровод (полость), и – дроссель (местное сопротивление), к – тройник, л – регулятор мощности, м – золотниковый гидрораспределитель, н – гидрозамок, о – дизель с центробежным регулятором, п – колесный движитель, р – линейное динамическое звено САР.

Вход и выход элемента определяются принятым направлением потока рабочей жидкости. При изменении направления потока меняется знак соответствующих параметров, характеризующих работу элемента (перепад давления, расход жидкости и т.д.). В соответствии с этим принята следующая классификация узлов базовых гидроэлементов. Здесь представлен и дизель как наиболее распространенный тип приводного двигателя в мобильных машинах.

Таблица 1. Классификация узлов базовых гидроэлементов

Согласно приведенной классификации каждый тип элемента получил специальное имя – идентификатор , позволяющий при формировании общей модели гидросистемы выбрать в библиотеке математических моделей гидроэлементов нужную группу уравнений, а именно: математическую модель элемента данного типа. Были выбраны следующие идентификаторы базовых гидроэлементов: НАСОС (насос), МОТОР (гидромотор), ЦИЛИНДР (гидроцилиндр), ТРУБА (трубопровод), КЛАПАН (клапан прямого действия) и т.д.
В соответствии с введенной идентификацией каждый элемент e гидросхемы относится к определенному типу с соответствующими ему узлами i , j , k . Тогда структура любой гидросхемы после нумерации всех ее узлов описывается следующей матрицей S :

S = ,            (1)

где e 1 , …. , e N – элементы гидросхемы, N – их количество.

Идентификатор e m определяет соответствующую элементу математическую модель, а номера узлов i m , j m , k m служат для индексации переменных и, как следствие, установления условий связи элементов друг с другом. Например, если выход элемента e m является в то же время входом элемента e n , то очевидно, что j m = i n , и следовательно, переменные на выходе e m и на входе e n совпадают, т.е. имеет место соответствующее условие связи.

В результате такого описания структуры схемы из общей библиотеки математических моделей элементов будут выбраны именно те уравнения, которыми описываются элементы, входящие в схему, а индексация переменных, входящих в уравнения (условия связей), будет установлена на основании нумерации узлов элементов, указанных в матрице S .

Единственным элементом, выпадающим из общей концепции трехузлового элемента, является золотниковый гидрораспределитель, поскольку число примыкающих к нему узлов может быть больше трех. Поэтому рассмотрим золотниковый гидрораспределитель как совокупность местных сопротивлений – возможных соединений узлов золотника (рис. 1 м ). Тогда его структура может быть описана путем формирования дополнительной матрицы U :

U = (2)

где i 1 , j 1 , i 2 , j 2 , ... , i L , j L – номера узлов входа и выхода соединений 1, 2, ... , L золотника гидрораспределителя, L – количество соединений.

Таким образом, описание структуры (топологии) любой произвольной гидросхемы для проведения динамического анализа формализуется путем:
- нанесения на рабочую схему узлов – точек соединения элементов, и нумерации узлов;
- формирования структурной матрицы S на основе идентификации базовых элементов и нумерации их узлов в схеме;
- формирования соответствующего числа матриц U при наличии в схеме золотниковых гидрораспределителей.