К. Дж. Рустамов
Ташкентский государственный транспортный университет, Ташкент, Узбекистан

Аннотация: Оптимизация параметров гидравлического привода экскаватора с целью минимизации потерь энергии: в данном исследовании предлагается интегрированная динамическая математическая модель. Предложенный подход учитывает взаимодействие механической динамики, гидравлических процессов и изменяющихся внешних нагрузок, в отличие от обычного квазистатического метода. Модель учитывает сжимаемость жидкости, утечки, трение и механизмы гистерезиса нелинейного сопротивления грунта в виде набора связанных нелинейных дифференциальных уравнений. Представлена ​​многокритериальная оптимизационная модель для повышения энергоэффективности и устойчивости таких систем. Подход подтвержден численными моделированиями и экспериментальными результатами, демонстрирующими снижение общих потерь энергии на 20–25% и повышение эффективности системы. Результаты подтверждают, что динамическое моделирование является надежной основой для проектирования энергоэффективных гидравлических систем в строительной технике.

Ключевые слова: гидравлический привод, экскаватор, динамическое моделирование, энергоэффективность, оптимизация, потери энергии, нелинейные системы, MATLAB/Simulink, гидравлический цилиндр, динамика системы.

Введение:
    Гидравлические приводы являются наиболее распространенными системами передачи мощности в современных экскаваторах благодаря высокой удельной мощности, гибкости и адаптивности к переменным условиям нагрузки. Экскаваторы работают в быстро изменяющихся во времени областях (т. е., переменное взаимодействие с грунтом, управление оператором и условия работы, приводящие к изменчивости нагрузки), поскольку они взаимодействуют с грунтом. Такая изменчивость приводит к сложным переходным процессам, которые существенно влияют на эффективность и надежность системы [1–3].

    Методология проектирования, используемая для традиционных гидравлических систем, в основном основана на квазистатических парадигмах. Эти подходы рассчитывают силы и давления в условиях стационарного состояния и игнорируют переходные явления, такие как колебания давления в случае колебаний кровотока или динамического перераспределения нагрузки. Хотя эти упрощения приводят к сокращению времени вычислений, они обычно приводят к снижению производительности и энергетическим потерям в системе.

    Это означает, что в гидравлических системах энергетические потери могут достигать 20–30% от общей входной мощности. Эти потери в основном обусловлены дросселированием в клапанах, внутренними утечками, вязким трением и выбором параметров гидравлических компонентов. В современной инженерии необходимо снизить эти потери, поскольку мы вступили в эпоху энергоэффективности [3].

    Недавние работы сосредоточены на динамическом моделировании. Динамические модели учитывают время и дают реалистичное представление о реальном поведении системы. Эти модели предоставляют инженерам возможность изучать, как пульсации давления и поля потока развиваются внутри и между компонентами системы в реальных условиях эксплуатации.

    Второй аспект – взаимодействие рабочего оборудования экскаватора и грунта. Сопротивление грунта нелинейно и зависит от таких параметров, как сцепление, плотность, глубина резания и скорость. Игнорирование этого взаимодействия приводит к ошибочным прогнозам нагрузки и, в конечном итоге, к неоптимальному проектированию системы [16].

    В связи с взаимосвязанным характером гидравлических систем возникает необходимость в интегрированном моделировании. Когда механические, гидравлические и управляющие подсистемы рассматриваются как отдельные компоненты для целей исследования, теряется важная информация о поведении системы. Это требует согласованной модели, способной учитывать эти взаимодействия.

    Целью данного исследования является создание сопряженной динамической модели гидравлического привода экскаватора. Модель построена на основе общей структуры механической динамики, уравнений гидравлического потока и соотношений энергетического баланса. На основе этой модели предлагается стратегия оптимизации для минимизации потерь энергии без ущерба для требуемой производительности.

    Уникальность исследования заключается в том, что несколько физических процессов включены в единую модель и совместно оптимизируются с использованием критерия оптимизации на основе энергии. Результаты: Результаты помогают в разработке методологии гидравлических систем и предоставляют практические инструменты для повышения энергоэффективности.