Повышение подвижности быстроходной гусеничной машины путем автоматизации системы управления криволинейным движением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Повышение подвижности быстроходной гусеничной машины путем автоматизации системы управления криволинейным движением

Специальность 05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»

Кондаков Сергей Владимирович

Москва, 2009



Работа выполнена в Южно-Уральском государственном университете (г. Чеябинск).

Защита состоится __________ 2009 г., в _____ часов, на заседании диссертационного совета Д 212.141.07 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу 107005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Автореферат разослан _______________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Гладов Г.И.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Быстроходные гусеничные машины (БГМ) предназначены для решения боевых задач в условиях движения по пересеченной местности под огнем противника. К главным тактико-техническим характеристикам БГМ относят огневую мощь, броневую защиту и маневренность. Показателем маневренности является средняя скорость движения, которая зависит от совершенства конструкции трансмиссии и механизма поворота. Моторно-трансмиссионные установки (МТУ) современных быстроходных гусеничных машин состоят из двигателей внутреннего сгорания с удельной мощностью до 20 кВт/т, двухпоточных гидромеханических трансмиссий с планетарными коробками передач и бесступенчатыми механизмами поворота на базе гидрообъемных передач (ГОП). Среди отечественных машин следует отметить бронемашину пехоты БМП-3, имеющую двухпоточную гидромеханическую трансмиссию с гидрообъёмным механизмом поворота. Максимальная скорость движения указанных машин составляет 80…100 км/ч, бесступенчатый механизм поворота существенно снижает потери скорости на криволинейных участках. Повышение удельной мощности двигателей, возможность бесступенчатого регулирования радиуса поворота выдвинуло на первый план проблему управляемости БГМ.

Существующие концепции и методы исследования движения БГМ позволяют вмешиваться в процесс управления с учетом изменяющихся параметров. Автором выдвинута научная гипотеза о необходимости моделирования процесса криволинейного движения БГМ с учетом основных нелинейностей грунта и гидрообъёмной передачи, которая позволит определить новые законы управления движением, направленные на реализацию максимально возможной средней скорости за счет движения «на границе заноса». Имитационное моделирование криволинейного движения позволило отработать новые законы управления трансмиссией, механизмом поворота и тормозами с целью увеличения точности траектории, предотвращения заноса, увеличения средней скорости движения. На базе проведенных теоретических исследований внесены изменения в конструкции машин, защищенные авторскими свидетельствами. Разработаны новые положения теории поворота гусеничных машин, отражающие специфику движения на больших скоростях. Изучены динамические процессы поворота, определены наиболее сложные для гидрообъёмного механизма режимы, отработаны алгоритмы управления двигателем, насосом ГОП, тормозами в условиях движения на границе заноса, разработаны конструкции агрегатов, работающих в повороте параллельно ГОП (гидромуфта, блокировочный фрикцион, гидроаккумулятор).

Целью диссертационной работы является повышение подвижности быстроходной гусеничной машины на переходных и установившихся режимах криволинейного движения путем автоматизации системы управления криволинейным движением. Разработка количественного критерия оценки управляемости в виде соотношения кривизны траектории задаваемой штурвалом и реализуемой на местности. Выработка новых законов управления движением на базе дополнительного регулирования насоса ГОП, подачи топлива и торможения забегающего борта при угрозе заноса машины, торможения отстающего борта при перегрузке ГОП по давлению для увеличения точности управления поворотом, предотвращения заноса и роста средней скорости движения машины.

Объект исследования. Быстроходная гусеничная машина с механической или гидродинамической трансмиссией и бесступенчатым механизмом поворота.

Предмет исследования. Закономерности управления двигателем, трансмиссией, механизмом поворота и тормозами, обеспечивающие прохождение криволинейных участков трассы с наибольшей точностью и скоростью.

Методы исследования. Имитационное моделирование криволинейного движения с учетом нелинейностей характеристик грунта и гидрообъемной передачи. Оптимизация законов дополнительного регулирования насоса ГОП независимо от положения штурвала на базе количественного критерия оценки управляемости по кривизне траектории. Моделирование торможения двигателем и разделенной по бортам тормозной системы.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие теоретические и практические задачи:

1. Развить вопросы теории криволинейного движения БГМ на границе заноса на базе комплексного имитационного математического моделирования движения, моторно-транмиссионной установки и системы управления криволинейным движением, отличающегося введением автоматизированного управления насосом гидрообъёмного механизма поворота, двигателя и тормозов с целью повышения точности управления, предотвращения заноса и увеличения средней скорости движения.

2. Выработать критерий количественной оценки точности управления поворотом;

3. Использовать возможность дополнительного, независимого от штурвала, регулирования насоса ГОП механизма поворота, с целью повышения точности управления;

4. Разработать новые законы управления двигателем, гидрообъемным механизмом поворота и тормозами на базе обратной связи по реализуемой на местности траектории;

5. Определить возможности увеличения средней скорости движения быстроходных гусеничных машин, улучшения их управляемости и устойчивости при реализации новых законов управления двигателем, насосом ГОП механизма поворота и раздельными по бортам тормозами на базе предложенного количественного критерия управляемости;

6. Выработать рекомендации по совершенствованию алгоритмов, систем управления и конструкций механизмов поворота некоторых машин.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Комплексная имитационная математическая модель криволинейного движения быстроходной гусеничной машины, моторно-трансмиссионной установки и системы управления криволинейным движением, отличающаяся введением автоматизированного управления насосом гидрообъёмного механизма поворота, двигателя и тормозов с целью повышения точности управления, предотвращения заноса и увеличения средней скорости движения.

2. Критерий оценки управляемости в виде соотношения кривизны траектории задаваемой штурвалом К_т и реализуемый на местности К_ф позволяет количественно оценить точность выполнения маневров гусеничной машиной. Кривизна вычисляется как отношение угловой скорости корпуса относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести машины, к линейной скорости центра тяжести машины, направленной вдоль продольной оси.

3. Закономерности управления механизмом поворота в виде дополнительного регулирования насоса гидрообъёмной передачи, что позволяет минимизировать ошибку управления по кривизне траектории до 3-5%. Оптимизирован закон дополнительного регулирования наклонной шайбы ГОП, обеспечивший приемлемое перерегулирование и быстродействие системы управления поворотом;

4. Алгоритмы управления двигателем, тормозом забегающего борта при угрозе заноса и тормозом отстающего борта при перегрузке ГОП по давлению;

5. Комплекс мероприятий обеспечивает динамическую устойчивость криволинейного движения.

Практическая ценность и реализация полученных результатов. На основании имитационного моделирования получили теоретическое обоснование некоторые решённые ранее инженерные задачи. Появилась возможность решать множество смежных задач, связанных с процессом поворота:

1. Для БМП-3 отработаны новые законы управления трансмиссией при криволинейном движении, включающие в себя опцию дополнительного регулирования насоса ГОП механизма поворота по отклонению кривизны траектории на местности от задаваемой штурвалом; опцию торможения двигателем при угрозе заноса; опцию торможения забегающего борта при угрозе заноса; опцию торможения отстающего борта при перегрузке ГОП по давлению, обеспечивающие точность управления поворотом и максимальную среднюю скорость движения без заноса;

2. На базе легкого тягача МТЛБ изготовлен и испытан опытный образец быстроходной гусеничной машины с двухпоточной гидромеханической трансмиссией и гидрообъёмной передачей в механизме поворота, при экспериментальных исследованиях опытного образца доказана достоверность математического моделирования;

3. Для опытного изделия гусеничной машины предложены конструкции блокировочного фрикциона гидрообъёмной передачи, гидроаккумулятора и гидромуфты механизма поворота, улучшающие динамику входа в поворот;

4. Предложен способ управления криволинейным движением и механизм его реализации, обеспечивающий движение с «максимальной по заносу» скоростью;

Новизна технических решений подтверждена 7 авторскими свидетельствами и 1 патентом на изобретения, 1 патентом на полезную модель.

Апробация диссертационной работы. Результаты работы обсуждены на научно-технических конференциях в Курганском государственном техническом университете, Курган (1998, 2000, 2003, 2006); в Омском танковом институте, Омск (2002, 2008); в НИИ АТТ, Челябинск (2002 - 2008); на выездном заседании секции по машиностроению ВАК РФ в Снежинске (2003); в ОАО «ЧТЗ», Челябинск (2002, 2004, 2006, 2007), на ежегодных научно-технических конференциях ЧПИ-ЧГТУ-ЮУрГУ (1981-2008), на научно-технической конференции, посвященной 70-летию Уралвагонзавода, Н.Тагил (2006), в МВТУ им.Баумана (2007, 2008).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплексная имитационная математическая модель криволинейного движения быстроходной гусеничной машины, моторно-трансмиссионной установки и системы управления криволинейным движением, отличающаяся введением автоматизированного управления насосом гидрообъёмного механизма поворота, двигателя и тормозов с целью повышения точности управления, предотвращения заноса и увеличения средней скорости движения.

2. Критерий количественной оценки управляемости криволинейного движения гусеничной машины в виде соотношения кривизны траектории, задаваемой штурвалом и реализуемой на местности;

3. Возможность дополнительного, независимого от штурвала, регулирования подачи насоса ГОП и её использование для улучшения управляемости машины в повороте;

4. Законы управления двигателем, гидрообъёмным механизмом поворота и тормозами при криволинейном движении с целью предотвращения заноса и сокращения периодов перегрузки ГОП по давлению на базе критерия количественной оценки управляемости;

5. Все мероприятия по улучшению управляемости основаны на сохранении статической или динамической устойчивости, что раньше было возможно только при управлении высококлассным механиком-водителем;

6. Результаты математического эксперимента по оценке роста средней скорости управляемого криволинейного движения быстроходной гусеничной машины «по границе заноса» при выполнении стандартных маневров: «переставка», движение по кругу, «змейке», в различных дорожных условиях «микст» и по среднестатистической трассе, включающей различные опасные участки;

7. Реализация новых опций управления поворотом для машин с гидромеханической трансмиссией и приводом насоса ГОП от двигателя (схема «Леопарда-2», БМП «Мардер», БМП-3), обеспечивающих сохранение траектории при смене грунта или росте сопротивления движению.

Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы:

- ОАО «Курганский машиностроительный завод» при проектировании транспортной машины ТМ-130;

- ОАО «Челябинский тракторный завод» при проектировании перспективного промышленного трактора-бульдозера с гидростатической трансмиссией; управление насос автоматизированный криволинейный

- ФГУП «Уральское конструкторское бюро транспортного машиностроения», г. Н.Тагил при модернизации системы управления криволинейным движением гусеничной машины;

- Курганским государственным техническим университетом и Южно-Уральским государственным университетом при подготовке инженеров по специальности 190202 «Многоцелевые гусеничные и колесные машины» в курсе «Теория движения».

Достоверность полученных результатов подтверждается испытаниями опытного образца гусеничной машины с гидрообъёмным механизмом поворота, проведенными в ЮУрГУ совместно с ОАО «ЧТЗ» и ФГУП «Уральское конструкторское бюро транспортного машиностроения», г. Н.Тагил, в 2001 и 2005 гг.; экспериментальными исследованиями быстроходных гусеничных машин, опубликованными в независимых источниках.

По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, в том числе монография, 10 статей в центральных журналах, получено 7 авторских свидетельств и 1 патент на изобретения, 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 297 страницах машинописного текста, включая 170 рисунков и 22 таблицы, состоит из введения, шести глав, заключения, основных выводов, списка литературы, включающего 241 наименование, и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования по управляемости быстроходной гусеничной машины с бесступенчатым гидрообъемным механизмом поворота при переходных режимах криволинейном движении.

В первой главе диссертации рассмотрено современное состояние вопроса управляемости и устойчивости, математического моделирования криволинейного движения быстроходных гусеничных машин. Вопросами устойчивости и управляемости движения быстроходных гусеничных машин в разное время занимались А.П. Крюков, А.А. Благонравов, О.Н. Брилев, Ю.А. Конев, В.М. Антонов, В.И. Красненьков, В.В. Егоркин, Я.Е. Фаробин, В.А. Колесов, В.В. Гуськов, А.Ф. Опейко, Г.О. Котиев, С.А. Бекетов, В.Б. Держанский и другие ученые.

Благонравов А.А. ввел понятие статической устойчивости, «мерой которой является разность тангенсов углов наклона касательной к кривой поворачивающего момента, как функции кривизны, и касательной к статической характеристике». Указал, что движение за границей статической устойчивости вплоть до границы бокового заноса «возможно только при непрерывном и соответствующем регулировании поворачивающего момента механиком-водителем». Устойчивость поворота - это «…чисто динамическая характеристика, связанная в первую очередь с тягово-сцепными свойствами гусеницы с грунтом». Здесь же отмечено, что «…устойчивость и управляемость - два качества танка, которые находятся в определенной взаимосвязи. Управляемость - это способность адекватно реагировать на управляющее воздействие».

В работах Красненькова В.И. рассмотрены статическая и динамическая устойчивость и переходные реакции на управление в линейной и нелинейной постановке. Критерий управляемости по переходной функции «рывок руля». Исследование устойчивости и управляемости проведено на основе анализа системы дифференциальных уравнений, описывающих криволинейное движение БГМ на плоскости, определены причины возникновения статической неустойчивости при движении без бокового заноса.

В развитие подхода Красненькова В.И. оценки управляемости по переходным реакциям в работах Благонравова А.А и Держанского В.Б. использована математическая модель с включением дифференциальных уравнений двигателя и ГОП в механизме поворота, предложен критерий управляемости в виде частной производной угловой скорости поворота по изменению управляющего воздействия - поворота штурвала. На основании разработанного критерия управляемости авторам удалось создать алгоритм автоматической системы управления движением, «который в режиме управления угловой скоростью … обеспечивает точность, а в режиме экстренного торможения - адаптивный поиск экстремума замедления».

В трудах ВА БТВ в качестве критерия управляемости криволинейного движения использовано отношение частот вращения БГМ относительно вертикальной оси, проходящей через ЦТ машины: фактической и теоретической, рассчитанной по частотам вращения ведущих колёс. Опыт работы с частотами вращения корпуса, принятыми в качестве критерия управляемости, выявил недостатки подхода: водитель в процессе управления БГМ не в состоянии следить за частотой вращения корпуса; разница (или отношение) фактической и рассчитанной по ведущим колёсам частота вращения корпуса не берёт во внимание потери внутри гидрообъёмного привода механизма поворота, поэтому оценивает, строго говоря, не управляемость, а устойчивость движения. Эти положения не позволили количественно оценивать управляемости, а только качественно.

В работах, посвященных исследованию режимов движения БГМ, так или иначе, указаны основные приемы вождения, обеспечивающие устойчивость и управляемость движения.

На основе анализа литературных источников определено взаимоотношение критериев устойчивости и управляемости: устойчивость является необходимым, но недостаточным условием управляемости. При криволинейном движении приоритет должен отдаваться сохранению траектории.

Современные бесступенчатые МП не всегда обеспечивают устойчивость и управляемость движения БГМ. 1) Недостаточная мощность ГОП МП приводит к потере управляемости на тяжелых грунтах и при интенсивном маневрировании - и в том и в другом случае срабатывают предохранительные клапана ГОП, БГМ начинает неадекватно выполнять команды, появляется излишнее, непривычное водителю запаздывание. 2) При интенсивном маневрировании и достаточной мощности ГОП МП БГМ легко оказывается за границами динамически устойчивого движения = заноса.

Итак, устойчивость и управляемость определены следующим образом:

- устойчивость - это способность системы возвращаться в исходное состояние после снятия внешнего возмущения, для БГМ - способность вернуться к прямолинейному движению или прежнему криволинейному при возвращении штурвала поворота в исходное положение;

- управляемость - это способность БГМ реализовать кривизну траектории движения, заданную положением штурвала управления поворотом.

При моделировании криволинейного движения гусеничных машин первостепенное значение имеет модель взаимодействия гусеницы с грунтом.

Модель А.О. Никитина. Основные допущения в модели: нормальная нагрузка по длине опорной поверхности гусениц распределена непрерывно и линейно; поперечные составляющие касательных реакций грунта на опорные поверхности гусениц пропорциональны нормальным нагрузкам; коэффициент пропорциональности между ними - коэффициент сопротивления повороту µ определяется экспериментально; коэффициент µ постоянен по всей длине опорной поверхности. На основе экспериментальных данных получены коэффициенты зависимости µ от максимального значения µ_max и радиуса траектории движения. Однако модель А.О. Никитина не учитывает разницу взаимодействия трака с грунтом в зависимости от его положения на опорной поверхности и зависимости этого взаимодействия от скорости движения машины. Коэффициент сопротивления повороту считается независимым от коэффициента сопротивления прямолинейному перемещению.

Модель В.И. Красненькова учитывает зависимость поперечной силы, действующей на траки гусеницы со стороны грунта от величины и направления их смещения. В.И. Красненьков на основании экспериментов установил, что давление на грунт передается лишь «активными участками» гусениц под катками и в режиме прямолинейного движения силы сцепления гусениц с грунтом реализуются только звеньями «активных участков». Сформулировал вывод о том, что по реализации сцепления с грунтом гусеничный движитель подобен колесному, у которого число колес равно числу опорных катков. В его работах наиболее полно учитывается зависимость коэффициента сцепления µ звена гусеницы с грунтом от величины перемещения у и направления перемещения б звена. Далее сделано допущение о движении гусеничных машин с большой скоростью на плотном грунте при небольшой кривизне поворота, исключающей возникновение заноса. Таким образом, рассматривается лишь перемещения не более у _пр.

Модель М. Китано, М. Кума, Г. Юзаки. Движение гусеничной машины рассматривается в неподвижной системе координат, связанной с грунтом. Подвижная система координат x, y, z связана с геометрическим центром машины. Ось x совпадает с продольной осью машины, и угол и называется углом поворота. Ориентация подвижной системы координат относительно направления движения машины учитывается углом в , так называемом углом бокового скольжения, в то время как курсовой угол ц=и­в. Приведенная модель криволинейного движения гусеничной машины позволяет исследовать равномерный поворот машины при постоянном передаточном отношении механизма поворота и постоянной скорости; исследовать неравномерный поворот машины при постоянном передаточном отношении механизма поворота; исследовать движение «переставка» при постоянном передаточном отношении механизма поворота; позволяет уточнить влияние различных факторов на кинематические и силовые параметры движения при постоянном управляющем воздействии. Но данная модель не позволяет решить задачу обеспечения управляемого движения машины с минимальной потерей скорости.

Модель Г Балади, Б. Рохани позволила учесть элементарные боковые силы, действующие на отдельные участки опорных поверхностей гусениц от величины смещения и скорости деформации грунта. Оценено влияние конструктивных параметров машины и характеристик грунта на кинематические и силовые параметры движения. Однако, проведенное исследование реакции машины при постоянном управляющем воздействии не позволило обеспечить движение по конкретному пути при полном использовании мощности двигателя и определить законы движения.

Модель Ф.А. Опейко позволила достовернее описать взаимодействие гусеницы с грунтом на основе теории трения, учитывает смещение полюса поворота не только вдоль оси танка, но и поперек. Кроме того, Ф.А. Опейко на основании теории трения Н.Е. Жуковского удалось учесть не только сопротивление перемещению трака под некоторым углом относительно своей продольной оси, но также и момент от подворачивания трака относительно грунта.

Модель ВА БТВ. Исследования, проведенные в Академии, успешно внедрили в научный оборот годограф Ф.А. Опейко, что позволило учесть в расчетах анизотропные свойства грунта. В работе сделаны выводы о том, что «силы, вызывающие движение БГМ (за исключением силы тяжести), являются силами реакций и создаются самой машиной; силы тяги и сопротивления повороту являются составляющими этой реакции грунта; движение гусеничной машины без буксования невозможно; при криволинейном движении центр масс гусеничной машины двигается по касательной к траектории движения, а продольная ось повернута на дополнительный угол в внутрь траектории движения». В трудах ВА БТВ приведены результаты исследования величины момента сопротивления повороту в зависимости от количества опорных катков. Сделан вывод, о том, что зависимостями А.О. Никитина при определении момента сопротивления повороту можно пользоваться при числе опорных катков n?6. В процессе движения машины по уложенной на грунт гусенице, траки гусеницы нагружены усилием, зависящим от перемещения в продольном и поперечном направлениях. Величина этого перемещения в некоторый момент времени может превышать несущую способность грунта, поэтому часть траков тягового усилия не создают, в то время как другие могут быть нагружены усилием больше обусловленного коэффициентом сопротивления перемещению.

Зависимости, приведенные в трудах ВА БТВ для коэффициентов взаимодействия траков гусениц с грунтом м являются более общими, чем принятые в теории движения упрощенные выражения для средних коэффициентов сопротивления передвижению ц. Однако, в исследовании отсутствует момент трения, возникающего при подвороте трака относительно своей оси.

Модель МГТУ для колесных машин. Ю.Л. Рождественским и К.Ю. Машковым проведено исследование формирования реакции при качении упругого колеса по недеформируемому основанию в режимах бортового поворота. В научный оборот введен коэффициент скольжения s, представляющий собой обобщенную характеристику режима проскальзывания колеса, связывающую коэффициент буксования (юза) у и угол увода д. Предложенный подход применим и для гусеничных машин, ведущих себя аналогично колесным машинам с бортовым поворотом.

Модели движения гусеничных машин в повороте наряду с уравнениями взаимодействия гусениц с грунтом включают в себя уравнения движения корпуса машины и агрегатов моторно-трансмиссионного отделения.

Математическая модель, разработанная А.А. Благонравовым, включает в себя пять дифференциальных уравнений движения танка в подвижной системе координат, что позволяет определить внешнюю кинематику корпуса машины в повороте.

Модель В.Б. Держанского включает в себя дифференциальные уравнения плоскопараллельного движения корпуса, двигателя, гидромеханической трансмиссии, гидрообъёмного механизма поворота. Модель работает в пределах линейных характеристик грунта и ГОП, не исследованы весьма распространенные режимы движения, когда ГОП перегружена, или грунт срывается. В этих условиях нарушаются условия устойчивости и управляемости движения.

Модель ВА БТВ состоит из трёх дифференциальных уравнений и определяет возможность движения гусеничной машины в заданном режиме и по заданной траектории. Данные уравнения могут быть положены в основу анализа управляемости криволинейного движения машины. Анализ данной системы уравнений показывает, что при заданных законах взаимодействия элементов гусеницы с грунтом м_x(у_x) и м_y(у_y) силы, действующие в плоскости опорных поверхностей гусеничной машины, определяются управляемыми параметрами поворота: скоростью и кривизной траектории. Однако модель не учитывает особенностей конструкции машины.

Таким образом, в научной литературе имеются математические модели движения гусеничных машин в повороте. Однако все перечисленные выше математические модели невозможно использовать напрямую для описания криволинейного движения быстроходной гусеничной машины с двухпоточной гидродинамической трансмиссией и гидрообъёмным механизмом поворота с учетом нелинейностей грунта и гидрообъёмной передачи с целью выработки законов управления движением «по границе заноса».

Рис. 2.1. Расчетная схема. X,Y - декартовы координаты, ц - курсовой угол, МЦВ - мгновенный центр вращения, F₁,F₂ - силы сопротивления на отстающем и забегающем борту, V_c - линейная скорость центра тяжести, - продольное смещение полюса поворота, L - продольная база машины, В - поперечная база машины, x₁ - поперечное смещение полюса поворота отстающей гусеницы, x₂ - поперечное смещение полюса поворота забегающей гусеницы, V_{с бок} - составляющая V_с , направленная перпендикулярно оси корпуса машины, V_{с пр} - составляющая V_с , направленная вдоль оси корпуса машины, T_x1 , T_y1 - составляющие результирующей силы трения отстающей гусеницы о грунт, T_x2 , T_y2 - составляющие результирующей силы трения забегающей гусеницы о грунт, М_т1 , М_т2 - результирующие моменты трения отстающей и забегающей гусениц относительно полюсов поворота С₁ и С₂ соответственно, щ=dц/dt - угловая скорость поворота корпуса, V_c1 , V_c2 - скорости полюсов поворота отстающей и забегающей гусениц соответственно

Во второй главе приведена разработанная автором математическая модель движения. Для отработки законов управления при повороте на максимальной скорости, дополнительно к имеющимся в литературе, введены следующие связи: учтен момент трения трака относительно своей оси при повороте; введено описание особенностей трансмиссии и механизма поворота, формирующих тяговые усилия и поворачивающий момент, в частности - гидрообъемная передача механизма поворота описана с учетом потерь, в том числе и в режиме работы предохранительного клапана, что важно при отработке законов управления поворотом на границе заноса. Задана нелинейная характеристика грунта по Ф.А. Опейко.

Расчетная модель плоскопараллельного движения приведена на рис. 2.1 и 2.2. Согласно этой схеме положение машины на плоскости задается двумя линейными координатами центра тяжести Xc и Yc и курсовым углом . Создана математическая модель движения БГМ в виде 13 дифференциальных уравнения первого и второго порядка. Шесть уравнений описывают движение корпуса машины, вращение валов двигателя и мотора ГОП, турбины гидротрансформатора (ГТ). Восемь уравнений описывают давления в системах ГОП и угол поворота наклонной шайбы насоса ГОП. Схема трансмиссии, соответствующая математической модели, приведена на рис. 2.3, связь поперечной составляющей силы трения с координатами полюсов вращения гусениц - на рис. 2.4.

Рис. 2.2. Расчетная схема. Перераспределение нормальных сил при повороте: C - центр тяжести, h_c - координата центра тяжести по вертикали, G - сила веса, F_ИБ - боковая составляющая силы инерции, N₁ и N₂ - нормальные силы реакции под отстающей и забегающей гусеницей

Рис. 2.3. Кинематическая схема. ДВС - двигатель внутреннего сгорания, ГОП - гидрообъёмная передача механизма поворота, ГТ - гидротрансформатор, СПР - суммирующие планетарные ряды, КП - коробка передач, ВК - ведущие колеса

В работах Позина Б.М., Гуськова В.В. и Опейко А.Ф. показано, что для гусеничных машин, у которых пятно контакта гусеницы с грунтом имеет соотношение длины к ширине больше 4, допустимо упростить выражение для сил и момента трения до одинарных интегралов только по длине. Это приводит к ошибке в несколько процентов, но кардинальным образом упрощает решение. Кроме того, для недеформируемых грунтов, таких как бетон, лед или укатанная заснеженная дорога, а именно здесь в первую очередь существует опасность заноса, приведены зависимости, в которых считаются постоянными коэффициент трения скольжения и нормальное давление на площадке.

Рис. 2.4. Поперечная составляющая силы трения: x₁ ‹ x₂ ‹ x₃ ‹ x₄; y₁ ‹ y₂ ‹ y₃ ‹ y₄

С учетом указанных допущений в расчетах математической модели участвуют выражения:

, ,

.

где м_x и м_y - коэффициенты взаимосвязи гусениц с грунтом для анизотропного трения, q - удельное давление на грунт, x, y - величины смещения полюса поворота относительно центра тяжести машины, з - текущая координата по длине опорной поверхности.

В связи с приведенными аргументами в математической модели использованы следующие выражения для боковой силы сопротивления, тяговых усилий на отстающей Р₁ и забегающей Р₂ гусеницах и момента сопротивления повороту:

R_б=Т_х1+Т_х2 ; Р₁ = Т_y1 ; Р₂ = Т_y2

М_с=М_т2 + М_т1 --Т_y2(B/2+x₂) + T_x2 (y) + T_x1 (y)+ Т_y1(B/2-x₂).

Разработанная математическая модель имеет вид:

; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

; (5)

; (6)

; (7)

; (8)

; (9)

; (11)

; (12)

. (13)

Здесь Т - текущее время, с; - координаты центра тяжести БГМ, м; - курсовой угол, рад.; _н,т,м - частоты вращения насосного колеса ГТ, турбинного колеса ГТ и мотора ГОП, рад/с; G - вес машины, Н; g - ускорение силы тяжести, м/с²; P₁, P₂ - силы тяги на отстающем и забегающем борту, Н; Pf₁, Pf₂ - сопротивление передвижению отстающего и забегающего борта, Н; R_б - сила сопротивления боковому перемещению, определяемая как сумма поперечных составляющих сил трения гусениц о грунт; J_С, J₁, J₂, J₃ - момент инерции корпуса относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести, моменты инерции двигателя, турбины ГТ и мотора ГОП, кгм²; М_С, М_Д, М_Н, М_Т, М_ГН, М_ГМ - моменты сопротивления, двигателя, насоса ГТ, турбины ГТ, насоса ГОП, мотора ГОП соответственно, Нм; R_ВК - радиус ведущего колеса, м; i_К, i₁, i₂, i₅, i_БП - передаточные числа в трансмиссии; к - параметр суммирующего планетарного ряда; P_гоп1, P_гоп2 - давления рабочей жидкости в силовых магистралях, МПа; Р₅ - давление рабочей жидкости в магистрали вспомогательного насоса, МПа; Р₆ - давление рабочей жидкости в камере между дросселем и подпиточным клапаном, МПа; Р₇, Р₈ - давления рабочей жидкости в силовых цилиндрах механизма управления, МПа; _н - угол поворота наклонной шайбы насоса ГОП, град.; Е(P,B,n) - модуль упругости жидкости, зависящий от давления Р, газосодержания В и показателя политропы n; Q_i - расходы насоса и мотора ГОП, клапанов, дросселей и др., м³/с; V_i - объемы соответствующих магистралей м³; F_п, R_п - геометрические параметры механизма управления наклонной шайбы м², м; J_Ш - момент инерции наклонной шайбы, кгм²; М_НАС, М_КУ, М_ПР - моменты на элементах механизма управления наклонной шайбы, Нм, Ш - коэффициент вязкого трения наклонной шайбы.

Основные допущения, принятые в математической модели: не учтена упругость элементов двигателя, трансмиссии и ходовой системы; не рассмотрены частичные характеристики дизельного двигателя; постоянство характеристик грунта в каждом варианте расчета; статические характеристики двигателя и гидротрансформатора. Вопросам, попавшим в основные допущения данной работы, посвящены исследования Ф.А. Опейко, А.А. Благонравова, В.И. Красненькова, Б.М. Позина, И.Я. Березина, В.Б. Держанского и других ученых. Автор считает, что независимо от влияния перечисленных выше параметров, цель исследования, состоящая в улучшении управляемости БГМ на основе совершенствования систем управления, может быть достигнута на базе исследования предложенной математической модели. Учет всех перечисленных выше параметров существенно усложняет математическую модель и нацеливает на решение других задач.

Описание работы модели. Задающим воздействием в модели является поворот штурвала, например, так как показано на графике 1 рис. 3.1. Поворот штурвала осуществляется за 0,2-0,3 с, машина входит в поворот, затем штурвал удерживается в постоянном положении, машина некоторое время находится в повороте, в момент времени 3 с штурвал выводится в нейтральное положение, машина выходит из поворота. График UH(T) может иметь любой вид, например синусоиды, единичного скачка возмущений или произвольной функции. Поворот штурвала приводит к изменению моментов на насосе и моторе ГОП по следующим уравнениям:

; (16)

; (17)



где M_гопн и M_гопм - моменты на насосе и моторе ГОП, P_гоп1 и P_гоп2 - давления в магистралях нагнетания и всасывания ГОП, q_н и q_н - объёмные постоянные насоса и мотора, u_н и u_м - параметр регулирования насоса и мотора. В трансмиссии БМП-3 регулируется насос, связанный через систему управления наклонной шайбой ГОП (см. дифференциальное уравнение 15), со штурвалом. Параметр регулирования мотора остается постоянным и равным единице.

Расходы насоса и мотора формируются уравнениями:

; (18)

. (19)

Далее наряду с расходом предохранительного клапана и клапана подпитки они входят в правую часть дифференциального уравнения (9) и формируют давление в магистрали нагнетания P_гоп1. Аналогично формируется правая часть уравнения (10) для магистрали всасывания.

Моменты насоса и мотора, определенные уравнениями (16) и (17), входят в правые части дифференциальных уравнений (4) и (6). Частоты вращения двигателя, насоса гидротрансформатора и насоса ГОП связаны постоянными передаточными числами, формируются дифференциальным уравнением (4), и в свою очередь определяют момент двигателя по его статической характеристике. Частоты вращения двигателя и мотора ГОП одновременно определяют частоты вращений ведущих зубчатых колес. Тяговые усилия на забегающем Р₂ и отстающем Р₁ борту непосредственно входят в правые части дифференциальных уравнений (1), (2), (3), (5), и (6), а в уравнение (4) - опосредовано через уравнения, описывающие момент на турбине и насосе гидротрансформатора. Нагружающие и преобразующие свойства ГТ считаются по статическим характеристикам. Давления Р₅ в магистрали вспомогательного насоса, Р₆ в камере между дросселем и подпиточным клапаном, Р₇ и Р₈ в силовых цилиндрах механизма управления ГОП интегрируются в уравнениях (9), (10), (11), (12).

Наклонная шайба ГОП соединена со штурвалом дифференциальной связью, позволяющей независимо от водителя подворачивать её на дополнительный угол. Обратная связь организована по правилам теории автоматического регулирования с включением интегрирующего звена:

в _ш = k₁ в _шт+ k₂?(К_шт-К_д)dt+k₃^.(К_шт-К_д), (20)

где в _ш - относительный угол поворота шайбы насоса ГОП; в _шт - относительный угол поворота штурвала управления поворотом; К_шт - кривизна траектории по штурвалу; К_д - действительная кривизна траектории центра масс на местности, k₁, k₂, k₃ - постоянные коэффициенты.

Обратная связь реагирует на разность кривизны траектории, задаваемой штурвалом и реализуемой на местности. Двигатель внутреннего сгорания задан характеристикой крутящего момента по статической характеристике, при возникновении заноса включается торможение двигателем.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.5. Структурная схема дополнительного регулирования наклонной шайбы ГОП

Тормоза смоделированы так, что позволяют прикладывать тормозной момент на ведущие колеса как одновременно, так и раздельно, что позволяет исследовать эффективность предотвращения заноса при разных законах приложения тормозного момента.

Таким образом, система уравнений (1)-(13), наряду с уравнениями связи, описывает криволинейное управляемое движение быстроходной гусеничной машины и ее элементов: двигателя, насоса и турбины гидротрансформатора, насоса и мотора гидрообъёмной передачи механизма поворота.

Новые положения теории переходных периодов входа-выхода из поворота

Продифференцируем во времени выражение, связывающее скорости и : (22), не забывая, что траекторный угол тоже величина, изменяющаяся во времени. Получим

Рис. 2.6. Положение векторов скорости и ускорения на расчетной схеме

Обозначим на рис. 2.6 г - угол приложения сил относительно продольной оси машины и и - угол приложения сил в неподвижной системе координат. Тогда тангенсы углов приложения сил в неподвижной системе координат примут вид:



(21).

(23)

Подставим (23) в (21), получим выражение, устанавливающее взаимосвязь траекторного угла б (направление вектора скорости) и угла и_о приложения силы (направление вектора ускорения) для центра тяжести машины:

(24)

Рис. 2.7. Угол курсовой (1) и угол приложения сил (2) для центра тяжести во время входа в поворот, в установившемся повороте, выходе из поворота и движении прямо

На основании (24) получены графики рис. 2.7, иллюстрирующие изменение траекторного угла и угла приложения силы

Боковое ускорение, являющееся источником или свидетелем динамических нагрузок, развивается во времени по рис. 2.8. На выходе из поворота происходит всплеск нагрузок, являющийся причиной схода машины с гусениц, зафиксированный в независимых исследованиях Дворниченко А.А.

Рис. 2.8. Величина бокового ускорения центра тяжести БГМ при криволинейном движении. 1- этап входа в поворот, 2 - установившийся поворот, 3 - выход из поворота, 4 - движение прямо

В третьей главе определены физические величины, характеризующие устойчивость и управляемость криволинейного движения быстроходной гусеничной машины. Переход от сравнения частот вращения корпуса к сравнению траекторий движения имеет очевидные преимущества: 1 - водитель в процессе управления поворотом следит именно за траекторией движения; 2 - в этом случае сравнению подвержено положение штурвала, как управляющее воздействие водителя, и кривизна траектории движения на местности, как выходной сигнал; 3 - между управляющим воздействием и выходным сигналом помещаются оба основных искажения (потери ГОП и буксование); 4 - кривизна траектории движения рассчитывается как отношение частоты вращения корпуса к линейной скорости центра тяжести машины, то есть логично включает в себя и скорость движения БГМ, что очень важно для машин с приводом ГОП механизма поворота от насоса гидротрансформатора (БМП «Мардер», «Леопард-2», БМП-3)).

В имитационном моделировании проведена оценка различия реальной скорости и теоретической, рассчитанной по ведущим колесам, без учета юза-буксования. Различие линейных скоростей при движении на скорости 17 м/с составляет 0,1 м/с (0,5%). Различие угловых скоростей (теоретической и действительной) корпуса относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс, в установившемся повороте 15%, а при входе в поворот - в 2 раза. Поэтому оценку линейной скорости на реальном объекте достаточно проводить по выходному валу коробки передач, а реальную угловую скорость вращения корпуса - гироскопом. Относительная разница кривизны траектории, задаваемой штурвалом и реализуемой на местности рассмотрена в качестве критерия количественной оценки управляемости БГМ.

Рис. 3.1. Зависимость кривизны траектории, задаваемой штурвалом (1), ведущими колесами (2) и реализуемой на местности (3), от времени

На примере движения БГМ легкой категории по массе прослежено развитие процессов во времени. Смоделирован вход в поворот со скоростью 17 м/с, максимальным отклонением штурвала за 0,2с с сохранением полной подачи топлива (рис. 3.1). На первом этапе от 0 до 0,2 с угол поворота штурвала интенсивно растет. На втором этапе от 0,2 до 1,0 с положение штурвала неизменно, при этом кривизна траектории поворота непропорциональна управляющему воздействию, разумно утверждать, что управляемость недостаточна. Причина этого в превышении возможностей ГОП по давлению. На третьем этапе - от 1,0 до 2,0 с положение штурвала неизменно. Фактическая кривизна траектории растет, но не превышает теоретической кривизны траектории. На четвертом этапе, от 2 до 2,7 с, положение штурвала и теоретическая кривизна траектории центра масс постоянны, но фактическая кривизна траектории превышает теоретическую - нарушено условие устойчивости.

Пятый этап от 2,7 до 3 с. Штурвал возвращается в нейтральное положение, теоретическая кривизна становится равной нулю, фактическая превышает теоретическую. Давление в противоположной магистрали ГОП превышает максимальное, «клапана текут». Шестой этап от 3 до 3,8 с - штурвал в нейтральном положении, но выход из поворота не закончен, кривизна траектории снижается, но непропорционально положению штурвала. Седьмой этап от 3,8 до 5 с. Давление ГОП вошло в норму, теоретическая кривизна траектории «опережает» фактическую, движение можно назвать устойчивым и управляемым.

Рис. 3.2. Кривизна траектории 1 - по насосу ГОП, 2 - по ведущим колёсам, 3 - на местности

Статическая и динамическая устойчивость. Известно, что устойчивость является необходимым, но недостаточным условием управляемости. Считается, что при возникновении заноса поздно вмешиваться в управление поворотом: торможение, переключение передач или дополнительный поворот штурвала не приводит к желаемому выходу из заноса. В этом случае приходится говорить об упреждающих действиях. А как их предвидеть? Как алгоритмизировать это упреждение, чтобы сделать его доступным пониманию автоматической системы - вот вопросы, требующие обсуждения и ответа. С другой стороны, высококлассные водители и профессиональные гонщики широко используют движение с заносом для достижения максимальных показателей по скорости. Рассчитывать на подготовку армии высококлассных водителей для военных гусеничных машин не приходится, но использовать опыт гонщиков при проектировании автоматических систем управления, снижающих требования к квалификации, сам Бог велел.

Проясним эту позицию с точки зрения возможностей разработанных законов дополнительного регулирования ГОП, двигателя и тормозов. Мерой управляемости является разность между кривизной, задаваемой штурвалом и реализуемой на местности. Мерой устойчивости, по аналогии, можно считать разность кривизны траектории, задаваемой ведущими колесами и реализуемой на местности. До тех пор, пока последняя разница положительная - криволинейное движение устойчиво. Дополнительный подворот наклонной шайбы насоса ГОП изменяет картинку на рис. 3.1: параметр регулирования ГОП возрастает, кривизна по ведущим колесам тоже, кривизна на местности возрастает до той, что требует штурвал. Как будто бы добрались до границы, кривизна на местности даже превышает на некоторое время кривизну, заданную штурвалом. Но это не граница заноса. Разность между кривизной по ведущим колеса и на местности существенно положительна (разница между графиками 2 и 3 на рис. 3.2). Значит, дополнительное регулирование ГОП происходит при гарантированном сохранении устойчивости. Это очень важно для уяснения возможности предлагаемого регулирования вблизи границы заноса.

Этот режим движения БГМ по кругу радиусом 61 м соответствует статической устойчивости по В.И. Красненькову. При увеличении кривизны на этой же скорости выводит машину за границы статической устойчивости. По А.А. Благонравову движение за границей статической устойчивости вплоть до границы бокового заноса «возможно только при непрерывном и соответствующем регулировании поворачивающего момента механиком-водителем». Дополнительные опции управления поворотом, разработанные в диссертации обеспечили машине возможность движения в условиях динамической устойчивости при средней квалификации механика-водителя, раньше это было под силу только высококлассному водителю. Иллюстрация на рис. 3.3 - кривизна по штурвалу меньше, чем

Рис. 3.3. Кривизна по штурвалу 1 и на местности 2 в условиях динамической устойчивости

реализуемая на местности, но движение управляемо за счет автоматического снижения подачи насоса ГОП, торможения двигателем и тормозом забегающего борта, как это делает опытный водитель.

Таким образом, разработанные законы автоматического регулирования поворотом позволили реализовать управляемое движение в условиях динамической устойчивости по В.И. Красненькову.

В четвертой главе приведены результаты имитационного моделирования криволинейного движения быстроходной гусеничной машины с системой динамической стабилизации поворота. Движение БГМ по кругу (рис.4.1). Здесь штурвал управления поворотом непосредственно соединен с наклонной шайбой насоса ГОП. Разница между линией (1) и (2) характеризует отклонение от идеальной управляемости за счет потерь в ГОП, а разница между линией (2) и (3) - за счет буксования. В ряде случаев при интенсивном маневрировании действительная кривизна траектории может превысить задаваемую штурвалом, начинается неустойчивое, а, следовательно, и неуправляемое движение, см. пример на рис.4.2

Рис. 4.1. Зависимость от времени кривизны траектории поворота, задаваемой штурвалом (1), частотами вращения ведущих звездочек (2) и реализуемой корпусом машины (3)

Рис.4.2. Зависимость от времени кривизны траектории при заносе, здесь линия 2 соответствует действительной кривизне траектории, а 1 - кривизне, задаваемой штурвалом.

Применение ГОП в составе механизма поворота открывает большие возможности в системе управления поворотом. В частности, введение дифференциальной связи между штурвалом и наклонной шайбой насоса ГОП (20) позволяет: 1) компенсировать утечки ГОП и буксование гусениц, добиться улучшения управляемости, то есть пропорциональности угла поворота штурвала и кривизны траектории на местности; 2) добиться стабилизации поворота в тех случаях, когда появляется угроза заноса и кривизна реальной траектории становится больше расчетной, в этом случае уменьшение подачи насоса ГОП предотвращает занос. Имитационное моделирование стандартных режимов движения показало:

1. Движение по кругу (рис. 4.3). Радиус траектории становится в полное соответствие штурвалу, в то время как без дополнительного регулирования радиус отличался от задаваемого штурвалом в 1,5 раза.

Рис. 4.3. Траектория движения машины без дополнительного управления шайбой ГОП (1) и с разработанным дополнительным управлением (2)

«

Рис. 4.4. Зависимость от времени радиуса траектории при входе в поворот и смене грунта под отстающей гусеницей без дополнительного управления шайбой ГОП (1) и с дополнительным управлением (2)

2. Микст». Увеличение сопротивления в 2 раза под отстающей гусеницей (рис.4.4) при отсутствии дополнительной системы регулирования приводит в уменьшению радиуса поворота на 8 м. Аналогичное изменение грунта под забегающей гусеницей влечет увеличение радиуса на 10 м. При дополнительном регулировании наклонной шайбы ГОП радиус траектории во всех случаях сохраняется неизменным.

3. При угрозе заноса дополнительное регулирование наклонной шайбы ГОП (уменьшение подачи вплоть до нуля) позволяет успешно завершить маневр. На рис 4.5. график 1 показывает, что машина уходит в занос на второй секунде движения, а при дополнительном регулировании ГОП (график 2) удается стабилизировать угол верчения в .

Рис. 4.5. Зависимость от времени угла верчения корпуса относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс машины, без дополнительного управления шайбой ГОП (1) и с разработанным законом дополнительного управления (2)

Таким образом, имитационным моделированием доказана эффективность предлагаемых мероприятий.

О точности управления поворотом. В настоящее время теория криволинейного движения гусеничных машин трактует управляемость как качество, затрудняясь придать этому параметру количественное значение. На примере движения по сложной трассе типа «змейка» и сменой грунта под одной из гусениц в момент времени t=5 с показана, с одной стороны - эффективность применения новых законов регулирования, а с другой стороны - эффективность количественной оценки управляемости.

...