Разработка расчетных и экспериментальных методов снижения динамической нагруженности и повышения долговечности гидромеханических трансмиссий транспортных машин
Совершенствование методов прогнозирования динамической нагруженности фрикционных деталей гидромеханических трансмиссий и условий возникновения резонансных режимов их работы. Пути обеспечения необходимой долговечности элементов механической системы.
| Рубрика | Транспорт |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.02.2018 |
| Размер файла | 2,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
На правах рукописи
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ И ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ТРАНСМИССИЙ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины
ТАРАТОРКИН ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ
Курган - 2009
Работа выполнена в Институте машиноведения Уральского отделения РАН, Курганском государственном университете.
Защита диссертации состоится "15" июня 2009 г. в 1430 на заседании диссертационного совета ДД 212.141.07 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-ая Бауманская ул., д. 5.
Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба выслать 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 доктор технических наук, профессор Гладов Г.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Долговечность современных и перспективных трансмиссий транспортных машин во многом ограничивается высокой динамической нагруженностью, формируемой внешними и внутренними возмущениями. Неравномерность нагрузок вызывает изгибные и крутильные колебания, которые являются причиной до 80 % отказов.
Для перспективных и модернизируемых транспортных машин разрабатываются гидромеханические трансмиссии, так как принято считать, что введением гидротрансформатора - активного фильтра колебаний на входе и выходе из трансмиссии, можно обеспечить требуемый уровень долговечности элементов трансмиссий.
Однако результаты проведенных экспериментальных исследований опытных конструкций свидетельствуют о высокой динамической нагруженности при переходных процессах трогания с места, переключения передач и при блокировке гидротрансформатора, а также на установившихся режимах движения транспортной машины, что ограничивает долговечность элементов трансмиссии. Это определяет необходимость проведения глубоких исследований, направленных на снижение динамической нагруженности.
Учитывая высокую стоимость современных трансмиссий и дополнительные затраты на восстановление в течении ресурса машины, проблема повышения долговечности и снижения динамической нагруженности в трансмиссии транспортных машин является актуальной. В настоящее время действуют РТМ и ОСТы для прогнозирования долговечности трансмиссий транспортных машин, разработанные ВНИИТМ, которые базируются на экспериментальных данных для ранее спроектированных машин и не позволяют учесть потенциальные свойства проектируемых машин, особенности новых конструктивных решений, условия эксплуатации и др. Аналитические методы прогнозирования долговечности, основанные на трудах ученых и специалистов ВАБТВ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, БПИ, создавались для машин с низкой удельной мощностью при установившемся движении, для которых не высока вероятность движения на высоких скоростях. С повышением удельной мощности перспективных машин возрастает длительность движения при переходных процессах управления поступательной скоростью и направлением движения. Известные математические модели не позволяют в достаточной степени учитывать реальные особенности конструкции, условия и режимы управляемого движения машин, их взаимодействие с внешней средой, интенсивность изменения и особенности формирования законов управления, динамику системы управления движением и водителя как звена обратной связи системы.
Повышение удельной мощности при ограниченных объемно-габаритных и массовых параметрах, тенденция дальнейшего повышения скоростных качеств машин, установленные новые особенности характера взаимодействия машины с внешней средой, а также не исследованные ранее динамические явления в трансмиссиях лимитируют долговечность их элементов.
Содержание диссертационной работы базируются на результатах исследования динамики управляемого движения перспективных и модернизируемых транспортных машин, выполненных при непосредственном участии автора за последние годы при поддержке грантами Президиума РАН, РФФИ, Минобразования и науки России.
Цель исследования - повышение долговечности гидромеханических трансмиссий транспортных машин путем снижения динамической нагруженности элементов расчетно-экспериментальными методами.
Указанная цель достигается решением следующих задач.
1. Разработкой расчетных методов снижения динамической нагруженности механической системы "двигатель - трансмиссия - транспортная машина", взаимодействующей с внешней средой при управляемом движении.
2. Разработкой метода снижения динамической нагруженности, повышения долговечности валов и металлокерамических дисков (МКД) фрикционных элементов гидромеханической трансмиссии на резонансных режимах и бифуркациях.
3. Разработкой метода снижения динамической нагруженности гидромеханической трансмиссии путем адаптации программ оптимального управления переходными процессами на основе мониторинга и идентификации требуемых режимов движения и технического состояния.
4. Исследованием динамической нагруженности элементов трансмиссии при регулировании направления движения гусеничной машины с нелинейной системой управления поворотом.
5. Создание комплекса информационно-измерительной аппаратуры.
6. Экспериментальным исследованием динамики механической системы "двигатель - трансмиссия - транспортная машина", взаимодействующей с внешней средой.
7. Обобщением результатов исследований, научным обоснованием путей снижения динамической нагруженности, повышения долговечности гидромеханических трансмиссий транспортных машин и оценкой эффективности результатов исследований.
Решение этих задач позволяет дополнить существующие методы расчета и прогнозирования динамической нагруженности гидромеханических трансмиссий транспортных машин и определяет пути обеспечения необходимой долговечности элементов.
Методы исследования. При построении математической модели управляемого движения машины использованы методы аналитической механики, дифференциального и интегрального исчисления, методы статистической динамики, корреляционного и спектрального анализа, теорий непрерывных марковских процессов и движения транспортных машин. Расчет параметров управляемого движения машин и динамической нагруженности на установившихся и переходных процессах осуществляется с помощью методов вычислительной математики. Аналитическое определение собственных частот металлокерамических дисков фрикционных элементов осуществлялось в соответствии с уравнениями волновой теории и математической физики, а численное - на основе моделирования напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов. Оценка адекватности результатов теоретического исследования, корректность основных допущений базируются на сопоставлении с результатами экспериментальных исследований - ходовых испытаний быстроходных гусеничных и колесных машин с использованием специально разработанного бортового комплекса информационно-измерительной аппаратуры. Действительные частоты металлокерамических дисков определялись в соответствии с разработанным экспресс-методом на созданной экспериментальной установке.
Обработка экспериментальных данных велась на основе теории вероятности, спектральных функций, прямого преобразования Фурье в программных пакетах Mathcad, MatLab, PowerGraph и Statistica.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель управляемого движения быстроходной гусеничной машины, в которой водитель осуществляет функцию упреждающего управления и звена обратной связи. Особенностью новой модели является возможность исследовать динамическую нагруженность трансмиссии, формируемую взаимодействием машины с внешней средой в характерных условиях движения (при регулировании поступательной скорости и направления движения).
2. Предложена математическая модель гидромеханической трансмиссии транспортной машины как существенно нелинейной, разветвленной системы переменной структуры, содержащей кольцевые элементы, на основе которой исследована динамическая нагруженность валов и фрикционных элементов гидромеханической трансмиссии на установившихся (на резонансных) режимах и бифуркациях.
3. Впервые изучены и научно обоснованы закономерности явления генерации колебаний гидротрансформатором, приводящих к резонансу металлокерамических дисков фрикционных элементов. Разработаны математические модели для определения собственных частот и форм колебаний МКД в зависимости от параметров конструкции и физико-механических свойств, решения обратной задачи исключения резонансных режимов.
4. Обоснованы и разработаны новые законы и закономерности и метод адаптации основной программы управления переходными процессами гидромеханической трансмиссии транспортной машины на основе мониторинга, идентификации требуемых режимов движения и технического состояния элементов, обеспечивающие минимум работы буксования фрикционных элементов при ограниченной динамической нагруженности.
5. Установлены закономерности отклонения параметров траектории при регулировании направления движения от заданных в зависимости от условий движения, динамических свойств нелинейной системы управления поворотом и ограничений психофизиологических свойств водителя. Новые закономерности позволяют более точно (до шести раз) прогнозировать параметры динамической нагруженности и определять пути исключения автоколебательных процессов в системе управления поворотом.
6. На основе обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований научно обоснованы направления совершенствования существующих методов прогнозирования динамической нагруженности на ранних этапах проектирования, путей ее снижения и, соответственно, повышения долговечности трансмиссий транспортных машин.
Практическая ценность. Совершенствование существующих методов прогнозирования динамической нагруженности, базирующееся на результатах выполненных исследований, позволяет на стадии проектирования уменьшить динамическую нагруженность элементов гидромеханических трансмиссий, тем самым обеспечить требуемую долговечность, а за счет сокращения доводочных работ ускорить процесс создания новых конструкций трансмиссий, снизить затраты на их разработку.
С использованием разработанного пакета компьютерных программ представляется возможным прогнозировать условия возникновения резонансных режимов в существенно нелинейных до- и послетрансформаторных зонах, фрикционных элементов, решать обратную задачу по выводу резонансных режимов за пределы рабочего диапазона. Имитационным моделированием установлены особенности поведения существенно нелинейной системы в окрестностях бифуркационных границ, их влияние на вибронагруженность трансмиссии.
На основе установленных закономерностей динамики управляемого движения представляется возможным уменьшить зависимость динамических свойств от нелинейностей системы управления. Синтезированная программа управления поворотом быстроходной гусеничной машины позволяет существенно сократить динамическую нагруженность трансмиссии, сократить интенсивность управляющей деятельности водителя и уровень требований к его квалификации.
Использование разработанного мобильного измерительно-регистрирующего комплекса позволило выполнить экспериментальные исследования динамики гидромеханической трансмиссии в реальных условиях управляемого движения транспортных машин, получить новые экспериментальные данные о динамической нагруженности в системе "двигатель - трансмиссия - транспортная машина" при различных режимах движения в не исследованном ранее диапазоне частот.
Использование предложенных алгоритмов решения обратной задачи позволило синтезировать конструкции гасителей колебаний, уменьшить амплитуду динамического момента в гидромеханической трансмиссии в 5…6 раз и вывести резонансный режим за пределы рабочего диапазона частот вращения двигателя, а при переходных процессах управления поступательной скоростью и направления движения - в 2…3 раза.
На защиту выносятся:
- Усовершенствованные методы снижения динамической нагруженности гидромеханических трансмиссий транспортных машин как существенно нелинейных разветвленных систем переменной структуры, содержащих кольцевые структуры при переходных процессах и на установившихся режимах, в том числе во фрикционных элементах системы управления.
- Математические модели управляемого движения машины, взаимодействующей с внешней средой и системы "двигатель - трансмиссия - транспортная машина".
- Результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики управляемого движения и динамической нагруженности трансмиссии при переходных процессах и на установившихся режимах.
- Методы адаптации программ управления поступательной скоростью и направлением движением, основанные на мониторинге и идентификации технического состояния и требуемых режимов движения машины.
- Метод синтеза и конструирования динамических гасителей колебаний элементов трансмиссии и совершенствование метода проектирования металлокерамических дисков фрикционных элементов.
Реализация работы. Теоретические и экспериментальные исследования отражены в 12 отчетах о НИР, переданных ОАО "СКБМ" и управлению конструкторских работ ОАО "Автодизель", ООО "КАТЕ", ООО "КЗКТ". Полученные результаты приняты за основу при разработке технического задания на проектирования автоматизированной системы управления переключением передач гидромеханической трансмиссии ОАО "Электромашина", г. Челябинск. Результаты работы использованы при доводке трансмиссий серийно выпускаемых изделий производства ОАО "Курганмашзавод" ТМ-120, МЛ-107 и опытного изделия ТМ-130, опытных трансмиссий для автомобиля КАМАЗ-43106 (6Ч6), при выполнении ОКР по теме "Естественница", "Курганец", "Жигули", "Садовница", "Каркас" и др., а также в учебном процессе при подготовке студентов специальности 190202 в Курганском государственном университете. Новые результаты исследований переданы и используются при выполнении НИР и ОКР в ГСКБ "ЧТЗ", НАТИ и ЮУрГУ.
Апробация работы. Основные положения и материалы работы докладывались и обсуждались на 26 научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе: на I - IV Международных технологических конгрессах "Военная техника, вооружение и технологии двойного применения в XXI веке" - Омск, 2002, 2004, 2005; 2008 гг.; на научно-техническом семинаре по колесным и гусеничным машинам высокой проходимости МАДИ (ГТУ) - Москва, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.; на научно-технических юбилейных конференциях и семинарах "Проектирование машин" - Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003, 2006, 2007, 2008 гг.; на 49-й Международной научно-технической конференции ААИ "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров" - Москва, МАМИ, 2005 г.; на научно-технических конференциях и семинарах ЮУрГУ, г. Челябинск, 2003-2008 гг.; на III Российской научно-технической конференции "Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций" - г. Екатеринбург, ИФМ УрО РАН - 2007г., на технических совещаниях управления конструкторских работ ОАО "Автодизель", г. Ярославль, ОАО "СКБМ", г. Курган.
В полном объеме диссертационная работа обсуждалась на научных семинарах кафедр гусеничных машин МГТУ им. Н.Э. Баумана, Курганского и Южно-Уральского государственных университетов и на заседании Ученого совета ИМАШ УрО РАН.
Публикации. Все основные положения диссертации отражены в 51 печатной работе, в том числе в 12 работах в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также в 12 отчетах о НИР, переданных ОАО "СКБМ", в отчетах за 2005, 2006, 2007 годы по гранту РФФИ № 05-08-33413-а по теме "Динамика системы "транспортная машина - человек - внешняя среда" и синтез интеллектуальных систем управления", отчете по гранту РФФИ "Урал-2001" № 01-01-96464 по теме: "Исследование механики процессов управляемого движения транспортных машин и синтез оптимального управления".
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов основного текста, выводов, списка использованных источников и приложений. Содержание работы изложено на 302 страницах текста, включающих 102 рисунка, 11 таблиц, список использованных источников из 224 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы. Дана краткая характеристика состояния проблемы, поставлена цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность результатов, приведены основные положения, которые выносятся на защиту.
В первом разделе (Характеристика проблемы и задачи исследования) приводятся основные тенденции развития трансмиссий транспортных машин, их кинематические схемы, характерные повреждения деталей, возникающие в эксплуатации, анализ результатов исследования по снижению динамической нагруженности. Вопросам прогнозирования нагруженности гусеничных машин посвящены работы Р.К. Вафина, которые основаны на трудах ВАБТВ (А.А. Благонравов, А.А. Дмитриев и др.) по оценке подвижности гусеничных машин при их взаимодействии с внешней средой, параметры которой заданы в виде случайных функций. Эти результаты являются основой отраслевых стандартов, разработанных во ВНИИТМ. Однако, в этих работах рассматривается установившееся движение, свойственное машинам с низкой удельной мощностью. В развитие этих работ В.А. Савочкин разработал основы статистической динамики транспортных машин, задавая значения параметров внешней среды корреляционными или спектральными функциями. На основе теории марковских процессов и уравнения Фокера-Планка-Колмогорова им определены функции совместной плотности вероятностей скорости и ускорения. Это позволило решить ряд прикладных задач - цикличности переключения передач, включения механизма поворота и др. Однако движение машин рассматривается как неуправляемое, некорректируемое водителем. В связи с этим, полученные результаты требуют уточнения соответствующими экспериментальными данными, масштабно выполняемыми во ВНИИТМ (М.Г. Жучков, Г.С. Белоутов и др.). Большой вклад в развитие расчетно-экспериментальных методов прогнозирования динамической нагруженности внесли белорусские ученые Института надежности машин НАН и политехнического. В связи с тем, что экспериментальные данные, полученные для ранее изготовленных машин, не позволяют учесть потенциальные свойства проектируемых, условия их движения и др., задача исследования динамической нагруженности ГМТ транспортной машины, взаимодействующей с внешней средой при управляемом движении, требует своего решения.
Вопросам прогнозирования и снижения динамической нагруженности, предотвращения бифуркационных процессов, резонансных режимов валов и фрикционных элементов, конструирования гасителей крутильных колебаний в трансмиссиях транспортных машин посвящены научные разработки Г.С. Белоутова, С.Е. Бурцева, Ф.Р. Геккера, П.П. Лукина, И.Н. Успенского, А.А. Полунгяна, В.А. Иванова, А.И. Гришкевича, которые являются базой выполняемых исследований. На основе анализа научных работ сделано заключение, что снижение динамической нагруженности с учетом реальных свойств (существенные нелинейности, разветвленность, переменность структуры, и др.) не представляется возможным из-за сложной взаимосвязи упругодемпфирующих элементов. В работе обоснована необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований динамической нагруженности при резонансных режимах и бифуркациях.
Вопросам снижения динамической нагруженности гидромеханической трансмиссии, рассматриваемого класса машин путем управления переходными процессами при интенсивно изменяющемся сопротивлении движению посвящены работы О.И Гируцкого, В.П. Тарасика, О.И Руктешель, Ю.К. Есеновского-Лашкова, А.И. Гришкевича, Г.О. Котиева, И.П. Ксеневича, Ю.И. Чередниченко и многих других специалистов БПИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, НАМИ, НАТИ. Создаваемые автоматизированные системы управления поступательной скоростью без исследования динамики процессов не повышают эффективность функционирования машины и не обеспечивают приемлемый уровень динамической нагруженности. В связи с этим необходимо разработать алгоритмы управления переходными процессами, которые базируются на результатах исследования их динамики. Это позволит более точно обосновать основные задачи управления, функциональные ограничения, синтезировать основные программы управления - законы и алгоритмы их реализации исполнительными элементами системы, адаптацию программ управления и оценить эффективность автоматизации процессов.
Программа управления переключением передач ГМТ обычно синтезируется для определенных условий движения и номинального значения параметров конструкции системы. Однако в процессе эксплуатации существенно изменяются режимы функционирования и параметры конструкции, определяющие техническое состояние системы гидроуправления. Это приводит к задержке исполнения командных сигналов, отличию фактических режимов от расчетных и высокой динамической нагруженности ГМТ на переходных процессах. Вопросы выбора условий переключения передач в зависимости от требуемых режимов движения, обоснования временной характеристики управления серводвигателями фрикционов на основе мониторинга и идентификации технического состояния, т.е. адаптации программ управления, решаются в данной работе.
Вопросам динамики поворота быстроходных гусеничных машин, оценке управляемости и устойчивости движения посвящены научные работы А.А. Благонравова, В.И. Красненькова, Е.Е. Александрова, Ф.А. Опейко, В.В. Гуськова, С.А. Бекетова и многих других ученых и специалистов. Базируясь на результатах этих работ, представляется возможным перейти к вопросам прогнозирования и снижения динамической нагруженности гидромеханической трансмиссии при регулировании кривизны траектории движения. В связи с интенсификацией рабочих процессов в перспективных машинах, применением принципиально новых конструктивных решений, получением новых экспериментальных данных, позволяющих углубить понимание физических процессов, необходимо совершенствовать математические модели и расчетные схемы движения машин. Критерий оценки управляемости и нагруженности путем учета дополнительных факторов, существенно определяющих функционирование, таких как нелинейность характеристики системы управления, фазовое отставание реакции, использование гидрообъемных передач механизма поворота с двумя каналами управления - механическим и электронным с пропорциональным регулированием. Последнее позволяет осуществлять регулирование кривизны траектории по сигналу обратной связи. Перечисленные вопросы являются предметом настоящего исследования.
Во втором разделе (Теоретическое исследование динамики управляемого движения и прогнозирование динамической нагруженности трансмиссий при взаимодействии с внешней средой в характерных условиях движения) рассматривается общая структурная схема гусеничной машины как управляемого объекта и математическое описание структурных составляющих. Для прогнозирования динамической нагруженности трансмиссии, формируемой режимом движения машины, взаимодействующей с внешней средой, необходима соответствующая математическая модель системы "машина - водитель - внешняя среда", которая приводится ниже. Расчетная схема движения машины строится на основе обобщения известных работ и рассматривается в двух прямоугольных декартовых системах координат - подвижной и неподвижной. Начало неподвижной системы координат совмещено с началом центра масс в положении статического равновесия, а оси совпадают с осями симметрии машины. Плоско-параллельное движение машины рассматривается по пяти координатам: X, Y, вращение вокруг вертикальной оси , вращение ведущих колес , которые определяют положение машины на плоскости. Между производными этих координат существуют неинтегрируемые кинематические связи, т.к. скорость и скольжение гусениц не зависят от координат системы, а являются функциями силовых взаимодействий гусениц с грунтом, что определяет неголономность системы. Число независимых координат уменьшается до трех, если неголономные связи гусениц с грунтом выразить через кинематические с учетом смещения полюсов вращения гусениц.
(1)
где VX, VY - проекции скоростей на оси X, Y; m - масса машины; JZ, JГ - моменты инерции машины вокруг вертикальной оси Z и гусеничного движителя; rвк - радиус ведущего колеса; МС, МП - моменты сопротивления и поворачивающий соответственно; R1 и R2 - силы сопротивления поступательному движению вдоль оси Х; y1 и y2 - поперечное смещение полюсов поворота отстающей и забегающей гусениц; fД и fC - удельные силы тяги и сопротивления, дх - коэффициент условного приращения массы; ИС - угол увода, ИС - VY/ VX/.
При управляемом движении машина рассматривается не только как сплошное твердое тело, но и включающее динамические элементы окончания схемы, т.е. массы, податливости и демпфирующие свойства элементов трансмиссии, преобразующие и определяющие связь энергетических параметров двигателя с координатами, характеризующими поступательную скорость и направление движения. В этом случае третье уравнение системы (1) приводится к виду:
, (2)
где А 0…А 3, а 1 - коэффициенты, определяемые параметрами конструкции машины; Тг, Тмех - постоянные времени, учитывающие влияние на переходной процесс инерционных свойств и скольжения системы управления поворотом, а также запаздывания в гидроприводе из-за утечек и сжимаемости рабочей жидкости, L, L-1 - символы прямого и обратного преобразования Лапласа соответственно.
В модель управляемого движения машины включена подсистема, описывающая действия водителя по управлению поступательной скоростью и траекторией (направлением) движения.
Моделирование траектории движения в неподвижной системе координат осуществляется введением уравнения перехода:
,
где - координаты вектора на оси в подвижной и неподвижной системах координат; Впер - матрица преобразований при переходе из подвижной системы координат в неподвижную, включает в себя тригонометрические функции углов Эйлера-Крылова, ориентирующие оси подвижной системы координат относительно осей неподвижной системы координат.
Отличие модели от известных заключается в рассмотрении правых частей дифференциальных уравнений, которые описывают управляющие воздействия водителя на управляемые координаты ( - т.е. моделируется управляемое движение машины). Модель существенно дополнена новыми результатами теоретических и экспериментальных исследований управляемого движения. Модель позволяет учесть динамические качества машины, юз, буксование гусениц, существенные нелинейности характеристик взаимодействия гусениц с грунтом и системы управления поворотом, анизотропность годографа трения (несимметричность эллипса трения), водителя как звено обратной связи замкнутой системы и др.
Исследованием установлено, что процесс, характеризующий параметры нагруженности трансмиссии гусеничной машины во времени, в общем случае является случайным. Функцию плотности распределения вероятности и числовые характеристики параметров и режимов нагружения можно определить на основе дифференциального уравнения Фокера-Планка-Колмогорова (ФПК), рассматривая движение как непрерывный марковский процесс при действии нескольких возмущений. Однако интегрирование уравнений ФПК (как аналитическое, так и численное) при высокой размерности системы в настоящее время практически невозможно. Аналитически решить уравнение ФПК удалось лишь для отдельных одномерных задач прогнозирования параметров нагруженности таких как цикличность переключения передач, включение системы управления поворотом при существенном уточнении решения экспериментальными данными. Эффективность включения в модель движения "водителя" как звена обратной связи заключается в повышении точности прогноза параметров динамической нагруженности. Например, действительное число включений механизма поворота гораздо выше расчетного, достигая 96 на километр пути при скорости 10 м/с (в 6 и более раз превышает расчетное). В связи с этим прогнозирование динамической нагруженности базируется на имитационном моделировании и экспериментальном исследовании динамики управляемого движения.
Исследованием установлено, что силы и моменты на соединительных валах трансмиссии формируются не только сопротивлением грунта, но и динамикой гусеничного движителя и, в наибольшей степени, динамикой движения машины. При скорости движения 46 км/ч силы в 4…5 раз превышают расчетные и носят случайный характер. Динамическая нагруженность трансмиссии определяется по частотным характеристикам, рассматривая ее при движении с определенной скоростью как стационарный процесс. Анализ спектральной плотности процесса нагружения показывает, что в полосе частот от нуля до 100 Гц спектр колебаний имеет три ярко выраженных диапазона доминирующих частот 0.25…0.50; 1.5…2.5; 60…75 Гц.
Вид спектральной плотности процесса нагружения позволяет произвести соответствующую фильтрацию и разделение нагрузки в соединительных валах на компоненты и определить амплитудные значения. Анализ процессов движения, формирующих нагруженность соединительных валов при движении машины, показывает, что первая частота вызвана изменением продольно-углового ускорения; вторая, более высокая, - углового ускорения, вызванного уводом; а третья, самая высокая, является "траковой". Знание составляющих динамических нагрузок, формируемых взаимодействием машины с внешней средой, позволяет обеспечить требуемый уровень долговечности. На основе математической модели представляется возможным определить реакцию машины (угловые скорости и ускорения) на двухпараметрическое управление (бШТ(t), бПТ(t)), соответственно и динамическую нагрузку, фазовое отставание реакции. Дополнение модели экспериментальными данными позволяет обосновать пути снижения динамической нагруженности при переходных процессах управления поступательной скоростью (раздел 4) и при управлении угловой скоростью поворота (раздел 5).
В третьем разделе (Метод снижения динамической нагруженности ГМТ на установившихся режимах) приводится анализ условий возникновения резонансных режимов, бифуркационных процессов в до- и послетрансформаторной зонах, а также металлокерамических дисках фрикционных элементов.
Анализ статистики отказов трансмиссий опытных машин свидетельствует об ограниченной долговечности валов и фрикционных элементов. При этом наиболее часто происходит усталостное разрушение деталей до- и послетрансформаторной зон, что возможно вследствие резонансных режимов. Для прогнозирования динамической нагруженности, формируемой резонансными режимами, разработаны расчетные схемы и модели системы "двигатель - трансмиссия - машина" с учетом упругих, инерционных, демпфирующих свойств элементов и нелинейности характеристик. Расчетная схема рассматривается на примере 6-ступенчатой 3-степенной ГМТ с тремя планетарными рядами и пятью фрикционами элементов управления, которая по техническому уровню превосходит аналоги фирм - мировых лидеров "ZF" и "Allison".
Динамическая нагруженность трансмиссии на установившихся режимах определяется условием возникновения резонансов и зависит от частотных характеристик системы и форм колебаний элементов. Для линейных систем формы колебаний, их частоты определяются по матричным уравнениям упруго-инерционной однородной системы силового блока
, (2)
где - матрицы, соответственно моментов инерции и жесткостей, - координатная матрица.
Решение определителя этого матричного уравнения:
дает значений квадратов частот собственных колебаний.
Особенностью модели является формализация переменности структуры разветвленной системы (в соответствии с работой Г.С. Белоутова) и свойств кольцевых структур, что позволяет учесть переменность инерционности зависимых масс и точно определять частоты колебания. Для реализации предлагаемого метода определение параметров инерционной матрицы и матрицы коэффициентов жесткостей осуществляется в соответствии с кинематической схемой силового блока и по твердотельным чертежам основных деталей, по динамической схеме.
Для минимизации возможной ошибки определения собственных частот разветвленной кольцевой динамической системы используется процедура ее численного решения с последующим определением значения частот на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). Достоинством подобного подхода является учет диссипативных сил и нелинейных свойств элементов трансмиссии. Его обоснованность подтверждена результатами исследования динамики трансмиссий ряда машин.
На основе использования предлагаемого метода выполнено численное моделирование. По его результатам определен спектр собственных частот разветвленной модели гидромеханической трансмиссии, построены соответствующие формы колебаний как для до- так и для послетрансформаторных зон. Анализ результатов теоретического и экспериментального исследования позволил сделать заключение о том, что для рассматриваемого типа ГМТ на установившихся режимах движения наиболее проблемными представляются формы колебаний, возникающих в дотрансформаторной зоне на всех передачах при частоте вращения вала двигателя до 900 об/мин, а в послетрансформаторной зоне при движении на высших передачах. Наибольшую опасность представляет "прямая" - V передача, когда приведенный момент инерции трансмиссии увеличивается во много раз, так как все ее инерционные массы вращаются как одно целое.
Для вывода резонансных режимов за пределы рабочего диапазона определены параметры упруго-диссипативной характеристики динамического гасителя. В соответствии с требуемой характеристикой отделом главного конструктора ОАО "ЯМЗ" разработана и изготовлена конструкция опытного гасителя с использованием проволоки и технологии навивки пружин шведской фирмы "Oteva" - мирового лидера-изготовителя пружин. Разработанный вариант гасителя обеспечивает вывод резонансного режима основной частоты за пределы рабочего диапазона и десятикратное повышение долговечности. Однако в процессе длительной эксплуатации машин установлена необходимость решения не только вопросов снижения динамической нагруженности, но и виброзащиты ГМТ, которая существенно влияет на долговечность элементов и уменьшает уровень комфортабельности машины. Исследованиями установлено, что возбуждение вибраций формируется бифуркационными процессами, свойственными существенно нелинейным системам. Анализ условий их возникновения показывает, что исключение высокочастотных колебаний может быть достигнуто созданием конструкции гасителей с линейными характеристиками. Установленным значениям требуемых параметров упруго-диссипативной характеристики (УДХ) соответствует эластичная муфта. Из полученных данных следует, что при такой конструкции исключаются не только резонансы на основной частоте, но и супергармонические колебания, т. е. существенно снижается вибронагруженность.
Динамическому нагружению подвержены фрикционные элементы системы управления ГМТ и в результате имеют ограниченный ресурс металлокерамические диски (МКД). В работе рассмотрен новый, неисследованный ранее вид разрушения - разрыв дисков, который наблюдается в проектируемых ГМТ, серийно выпускаемых, а также в конструкциях мирового лидера фирмы "Allison". На основе металлографического анализа разрушенных дисков установлено, что трещины носят усталостный характер, выдвинута и подтверждена гипотеза об усталостном разрушении вследствие высокочастотных колебаний, генерируемых гидротрансформатором, не учитываемых ранее при проектировании.
Исследованием гидродинамических процессов, протекающих в межлопаточном пространстве рассматриваемого трансформатора ГТК XV-380 установлено, что в переходе насос-турбина при относительном проскальзывании колес ГТ (от 30…200 об/мин) происходит взаимодействие двух пар лопаток насосного и турбинного колес, при этом формируются высокочастотные импульсы, соответствующие частоте колебаний, фиксируемой в ходе экспериментальных исследований. При увеличении числа лопаток насосного колеса на единицу достигнуто дробление парных импульсов, что позволило повысить частоту возмущения почти в 2 раза при одновременном снижении его амплитуды. Таким образом, приведенный результат может быть использован при выборе числа лопаток колес в проектном расчете и разработке алгоритмов управления блокировкой ГТ.
Аналитически определить собственные частоты МКД из-за различия физико-механических свойств материалов, представляет определенные трудности. В связи с этим аналитически определяется собственная частота стального кольца с приведенной погонной массой . Влияние зубчатого венца и металлокерамических накладок определяется экспериментально.
Колебания кругового кольца в соответствии с волновой теорией независимо от методов, предлагаемых различными авторами (С.П. Тимошенко, Дж. П. Ден-Гартога, Н.Г. Сурьянинова, П. Пфейфера и др.), приводятся к системе гиперболических дифференциальных уравнений в частных производных, которые при рассмотрении колебаний изгиба в плоскости кольца, при исключении части координат, сводятся к дифференциальному уравнению шестого порядка, описывающему касательные перемещения сечения кольца:
. (3)
Решение уравнения движения ищется в виде радиальных х 1 и касательных х 2 перемещений.
Согласно общим правилам решения дифференциальных уравнений, определено общее решение, включающее шесть постоянных, и подчиненное граничным условиям. Равенство нулю определителя системы, выражающей граничные условия, приводит к частотному уравнению.
Для замкнутого кольца граничные условия заменяются условиями периодичности. Собственные частоты диска определяются из решения дифференциального уравнения (3) в форме (4).
, (4)
где К - номер формы колебаний, К=1…N, физический смысл параметра "К" - число целых волн укладывающихся во всю длину диска; Е - приведенный модуль упругости; I - момент инерции сечения; m0 - погонная масса диска; R - средний радиус кольца.
В зависимости от значения параметров К изменяется форма колебаний в плоскости кольца: соответствует нулевая частота, так как при формула (4) описывает смещение кольца как жесткого тела. При диск принимает форму эллипса, при этом собственная частота составляет 703 Гц. При диск принимает форму треугольника, а собственная частота составляет 1989 Гц (значения частот определены для диска с параметрами конструкции, соответствующими объекту экспериментального исследования).
Полученный результат подтвержден точным решением, путем численного моделирования методом конечных элементов (рис. 1).
Рис. 1. Формы колебаний металлокерамического диска
В четвертом разделе (Прогнозирование и обоснование путей снижении динамической нагруженности трансмиссий при управлении поступательной скоростью) определяется динамическая нагруженность ГМТ при переходных процессах трогания машины с места и переключения передач, обосновываются пути снижения динамической нагруженности на основе адаптивного оптимального управления переходными процессами.
Переходные процессы управления поступательной скоростью характеризуются высокой динамической нагруженностью трансмиссии, во многом определяемой качеством управления. Трогание машины с места в трудных условиях наиболее эффективно позволяет осуществить гидротрансформатор. Однако даже в конструктивно отработанных гидромеханических трансмиссиях не удается ограничить динамическую нагрузку на деталях трансмиссии и особенно в механизме свободного хода реактора, перегрев рабочей жидкости, сокращающий срок ее работоспособности, дымность двигателя и буксование движителя, обеспечить плавность хода. В работе предложен метод снижения динамической нагруженности на основе решения задачи синтеза адаптивного управления процессом трогания с места.
Задача синтеза управления троганием формулируется следующим образом: найти вектор управления , компоненты которого: управления двигателем ; давлением, расходом рабочей жидкости, ее газосодержанием в системе подпитки ГТ - РГТ(t); давлением воздуха, создаваемым турбонагнетателями двигателя РВ(t); остановочным тормозом из допускаемой области
при выполнении ограничений
,
обеспечивающий экстремум целевой функции - обобщенного критерия - работы буксования гидротрансформатора, которая определяется по интегралу вида
(5)
где -длительность буксования; - момент турбины; - угловая скорость насосного и турбинного колес, соответственно.
Алгоритм управления обеспечивает выполнение ограничений: приемлемую динамичность нагрузки в трансмиссии; требуемую динамику движения машины - ускорение и длительность разгона; уровень комфортабельности (продольных и вертикальных ускорений); ограничение теплонапряженности деталей и масла ГТ; незаглохание двигателя, ограничение его дымности и буксования гусениц.
Проведенный анализ показал, что реакция существующей системы на параметры управления РГТ(t) и РВ(t) не обладает достаточным быстродействием. В связи с этим список управляемых параметров сокращен. Силовые, кинематические, энергетические и временные параметры, характеризующие динамику процессов трогания, входящие в (5), определяются на основе имитационного моделирования. Создаваемая с этой целью модель позволяет имитировать работу двигателя со всережимным регулятором, гидротрансформатора, исполнительных механизмов и управления ими в различной последовательности, в т. ч. и параллельной, учитывает время задержки на срабатывание механизмов. Разработанная блок-схема алгоритмов подпрограммы управления троганием с места обеспечивает выполнение функциональных ограничений. При трогании с места машины, оснащенной датчиком ускорения, существует возможность реализовать режим, предотвращающий буксование машины при оптимальном управлении по коэффициенту буксования или по знаку высших производных скорости. Адаптивное управление с обратной связью обеспечит ограничение буксования движителя, плавность хода и уменьшение ошибочных переключений передач. Динамическая нагруженность снижается в 1,8…2,0 раза, кроме случаев трогания в особо трудных условиях.
В последнее время интенсивно разрабатываются роботизированные механические трансмиссии, с преселекторным управлением переключения передач или вариаторов с бесступенчатым изменением передаточных чисел (CVT). Трогание с места и движение машины в трудных условиях осуществляется на т.н. "муфтах начала движения", т.е. управляемых фрикционных элементах. Применительно к гидромеханическим трансмиссиям функцию муфты начала движения может выполнить блокировочный фрикцион при опорожненном ГТ. В современных требованиях на проектирование ГМТ предусматривается приоритет подачи масла гидросистемы на управление фрикционами, смазку и в последнюю очередь на подпитку ГТ. В связи с этим, при снижении производительности гидронасоса или утечках масла из гидросистемы в процессе эксплуатации, возможно снижение преобразующих свойств ГТ вплоть до нарушения подвижности машины. Резервным решением обеспечения надежности в такой ситуации является соответствующее управление блокировочным фрикционом при трогании с места и движении машины, что еще больше повышает актуальность задачи повышения его долговечности.
Учитывая определенную аналогию функциональных требований при трогании машины с гидромеханической трансмиссией, результаты распространяются и на эти конструкции, дополнительно учитываются ограничения по не заглоханию двигателя. Последнее реализуется при соответствующем выборе начальной скорости щд 0.
Анализ результатов позволил найти область оптимальных параметров управления двигателем и фрикционными элементами, обеспечивающих минимум работы буксования и ограниченную динамическую нагруженность. На основе результатов моделирования построены зависимости (рис. 2) максимального момента на выходе трансмиссии (рис. 2а) и работы буксования фрикционных элементов (рис. 2б) от времени нарастания момента трения и угла подачи топлива. Наиболее рациональным является трогание машины с места с параметрами управления, значения которых лежат в области 4 (рис. 2, в).
а) б) в)
Рис. 2. Определение области оптимального управления процессом трогания с места: а, б - зависимость максимального момента и работы буксования, соответственно, от параметров управления; в - диаграмма областей параметров управления
Параметры управления, значения которых лежат в области 5, обеспечивают промежуточные значения работы буксования и момента.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями обоснована необходимость и разработан метод адаптации программ управления переходными процессами переключения передач гидромеханической трансмиссии быстроходной гусеничной машины. Адаптация осуществляется на основе мониторинга и идентификации технического состояния объекта управления, а также требуемых режимов движения машины. Разработаны признаки мониторинга и идентификации, пути осуществления адаптации. Это позволяет более точно определить условия переключения передач, а также устанавливать временную характеристику управления двигателем и исполнительными элементами. Задача снижения динамической нагруженности при переключении передач также решается на основе синтеза оптимального управления двигателем и исполнительными элементами. Синтез программ управления переключением передач гидромеханической трансмиссии транспортной машины базируется на решении двух задач: определении условий переключения и блокировки гидротрансформатора, а также установлении временной характеристики управления двигателем и фрикционными элементами, обеспечивающих качество переходных процессов. На основе изучения динамики управляемого движения установлено, что в зависимости от требуемых режимов (ускорения и скорости движения) условия переключения передач являются многовариантными. Разработанные признаки мониторинга и идентификации требуемых режимов движения позволяют более точно определять пороговые значения скорости движения на соответствующих передачах.
Временная характеристика управления двигателем и фрикционными элементами определяется из условия минимизации работы буксования (интеграл вида (5) при высоком быстродействии:
,
ограничении динамической нагруженности и приращения температуры. Последнее требует дополнения математической модели движения уравнением теплопроводности Фурье.
Анализ выражений для определения работы и времени буксования фрикционных элементов показывает, что на работу буксования существенно влияет величина момента трения и разность частот вращения ведущих и ведомых частей фрикционного устройства. Плавность переключения передач и, следовательно, уровень динамических нагрузок в трансмиссии определяются характеристиками процесса переключения передач и, в первую очередь, соотношением частот вращения ведущих и ведомых частей фрикционного устройства и интенсивностью нарастания момента трения. В связи с этим, система управления в процессе переключения передач должна в зависимости от начальных параметров () обеспечивать изменение частоты вращения двигателя с целью согласования угловых скоростей вращения ведущих , и ведомых частей фрикционных устройств (ГМТ) и регулирование интенсивности увеличения для реализации безударного включения передачи и предотвращения перегрева дисков трения фрикциона в результате длительного буксования. На отдельных режимах снижение динамической нагруженности достигается при переключении передач с заблокированным ГТ. динамическая нагруженность трансмиссия долговечность
...Подобные документы
Трансмиссия - силовая передача, осуществляющая связь двигателя с ведущими колесами автомобиля. Описание трансмиссий и их преимуществ: механических ступенчатых и бесступенчатых, гидрообъемных, электрических, гидромеханических и трансмиссий автопоездов.
реферат [191,7 K], добавлен 29.01.2010Ознакомление с условиями работы трансмиссий горных машин. Проведение стендовых программных испытаний для оценки влияния кратковременных максимальных нагрузок на работу трансмиссий очистных комбайнов. Причины развития усталостных повреждений зубьев.
реферат [64,8 K], добавлен 17.01.2012Индикация современных средств диагностирования, стенды для диагностики тягово-экономических качеств автомобилей. Методика диагностирования автоматических трансмиссий на тягово-силовом стенде К467М. Датчик частоты вращения коленчатого вала автомобиля.
дипломная работа [7,6 M], добавлен 20.06.2010Эффективность транспортного обслуживания территориально-распределенного производства. Управление грузопотоками и вагонопотоками на железнодорожном транспорте на базе математических методов. Формулировка варианты решения динамической транспортной задачи.
лабораторная работа [607,3 K], добавлен 04.06.2019Расчет буксовых подшипников и динамической грузоподъемности. Определение чистой осевой и эквивалентной радиальной нагрузок на подшипник. Расчет параметров редуктора и определение долговечности. Допускаемые напряжения изгиба на шестерне и колесе.
курсовая работа [442,1 K], добавлен 23.05.2009Производственные и конструктивные особенности рабочих органов самосвала. Трибоанализ систем сопряжения нескольких деталей элементов задней подвески, оценка надежности и долговечности. Расчет требований к ресурсным показателям ответственных деталей.
курсовая работа [5,6 M], добавлен 20.08.2011Способы регулирования скорости транспортных средств с асинхронными двигателями. Понятие и устройство, характеристики системы регулирования трансмиссий переменного тока. Структурная схема силовой цепи. Передачи переменно-переменного и -постоянного тока.
контрольная работа [1,6 M], добавлен 25.07.2013Анализ конструкций автомобилей, обоснование параметров. Определение нагрузочных режимов для расчета деталей трансмиссии и ходовой части на прочность и долговечность. Построение динамической характеристики. Расчет элементов карданной передачи на прочность.
курсовая работа [668,5 K], добавлен 19.03.2014Расчет фрикционных накладок (показателей нагруженности пар трения сцепления, значения коэффициента запаса сцепления), параметров пружин сцепления. Определение хода нажимного диска при выключении сцепления, усилия на педаль, параметров пневмоусилителя.
курсовая работа [824,1 K], добавлен 23.12.2013Анализ соответствия предлагаемого главного дизельного двигателя правилам речного регистра. Алгоритм проведения механических и гидромеханических расчетов показателей. Оценка экономичности работы двигателя. Системы, обслуживающие силовую установку.
дипломная работа [337,9 K], добавлен 03.11.2012Расчет, построение и анализ тяговой характеристики трактора Т-150 и динамической характеристики автомобиля ЗИЛ-130; выбор скоростных режимов работы двигателей. Определение углов продольной и поперечной статической устойчивости трактора и автомобиля.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 09.04.2012Общая характеристика методов повышения качества ремонта, надежности и долговечности вагонов. Знакомство с особенностями сдачи электровоза в депо. Сменная езда как основной способ обслуживания поездных локомотивов. Рассмотрение функций машиниста.
отчет по практике [188,9 K], добавлен 27.05.2016Определение динамической и эквивалентной нагрузки от колеса на рельс. Показатели напряженно-деформированного состояния элементов конструкции верхнего строения пути, главные критерии прочности. Расчет повышений и понижений температуры рельсовых плетей.
контрольная работа [586,2 K], добавлен 18.03.2015Определение напряжений и деформаций в элементах верхнего строения железнодорожного пути, динамической нагрузки от колеса на рельс. Оценка возможности повышения осевых нагрузок и скоростей движения. Анализ причин потери прочности и устойчивости пути.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 05.04.2015Общие сведения о внутришахтном транспорте, пути его совершенствования. Условия работы подземных машин. Классификация транспортных установок. Характеристика основных грузов, их основные свойства и характеристики. Методы оценки грузооборота и грузопотоков.
реферат [18,6 K], добавлен 25.07.2013Разработка интеллектуальных транспортных систем. Принцип работы парковочного радара. Изучение работы звукового индикаторного устройства и системы автоматической парковки. Применение современных методов управления процессами технического обслуживания.
курсовая работа [32,6 K], добавлен 30.03.2015Изучение процесса эксплуатации подъёмно-транспортных машин на предприятии на примере пневмоколесного экскаватора. Система технического обслуживания и ремонта машин. Выявление проблем, возникающих в процессе технической эксплуатации, пути их решения.
курсовая работа [39,1 K], добавлен 22.06.2015Проектирование приспособления для механической обработки предохранительной скобы тележки КВЗ-1М. Анализ технических условий на деталь. Выбор базирующих и установочных элементов приспособления. Расчет параметров режима механической обработки деталей.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 17.12.2013Анализ конструкции тележки типа КВЗ-ЦНИИ, оценка повреждаемости тележек грузовых вагонов. Пути повышения надежности и долговечности. Технологический процесс ремонта грузовой тележки. Расчет технических норм времени, параметров производственного участка.
курсовая работа [2,9 M], добавлен 01.08.2012Потребляемая мощность привода. Расчет меньшего и большого шкивов, тихоходной и быстроходной ступеней редуктора. Общий коэффициент запаса прочности. Выбор типа подшипников. Определение номинальной долговечности деталей. Расчет основных параметров пружины.
курсовая работа [155,4 K], добавлен 23.10.2011
