Моделирование колебательных процессов при движении специализированных колесных транспортных средств для автоматизированных систем стабилизации

Актуальность темы

.

Разрабатываемые перспективные специализированные транспортные средства (СТС) (в частности, для применения МЧС при устранении последствий чрезвычайных ситуаций и природных и техногенных катастроф) имеют повышенные рабочие скорости и энергонасыщенность. Это влечет за собой ужесточение нагрузок, воспринимаемых узлами машин с одновременным усложнением динамических процессов, происходящих в различных их системах. Поэтому создание новых типов машин с одновременным соблюдением возрастающих требований надежности и эргономики невозможно без дальнейшего исследования и комплексного моделирования динамики машин, разработки новых методов и алгоритмов ее анализа, применения современных информационных средств и технологий.

Все большее распространение получают полноприводные СТС с колесами одинакового размера. Машины данной конструкции в сильной степени склонны к самовозбуждению автоколебательных процессов в • динамической системе «трансмиссия-подвеска». Наиболее ярким и нежелательным образом это явление сказывается при работе на режимах высоких нагрузок (имеет место значительное возрастание (до 2,8 g) уровня низкочастотных виброускорений на рабочем месте оператора, динамических нагрузок в силовом приводе, активизация смежных процессов (потеря скорости, рост буксования и т. п.). СТС, имеющие повышенную склонность к самовозбуждению автоколебаний, обладают худшими показателями плавности хода, динамической нагруженности трансмиссии, производительности, экономичности и т. п. Поэтому уменьшение склонности СТС к % самовозбуждению автоколебаний должно способствовать повышению их производительности, надежности и эксплуатационных характеристик. Главным направление совершенствования техники в данном направлении является принятие соответствующих технических решений на стадии проектирования и использования современных автоматизированных систем стабилизации движения и управления СТС. Решение поставленных задач невозможно без системы моделирования динамических процессов при движении СТС, в частности колебательных процессов в различных их подсистемах и узлах. Это, в свою очередь, требует создания и развития соответствующих математических моделей, проведения вычислительных и натурных экспериментов. В настоящее время этот вопрос исследован недостаточно и при проектировании.

СТС с одинаковыми колёсами принимаются не всегда оптимальные с этой точки зрения конструктивные и технические решения.

Синтез структуры математических моделей машины получил широкое распространение в теории машин и освещен в работах В. Д. Аниловича, И. Б. Барского И.П.Ксеневича, А. Н. Кожуханцева, Г. М. Кутькова, В. З. Ломакина, В. М. Семенова, Г. А. Смирнова, А. С. Солонского, В. П. Тарасика, В. А. Тарасюка, Я. Е. Фаробина, А. А. Хачатурова, И. С. Цитовича и других ученых. Однако для применения в разрабатываемых конструкциях СТС и системах их стабилизации и управления требуются дальнейшие исследования по уточнению моделей и их.

• развитию для конкретных условий эксплуатации СТС.

Цель данной работы: Поэтому целью настоящей работы является комплексное моделирование колебательных процессов при движении специализированных колесных транспортных средств, позволяющее разработать алгоритмические и программные средства для информационного обеспечения систем их автоматизированного проектирования, управления движением и стабилизации.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:

• исследованы причины и условия возникновения автоколебаний в ходовой системе и трансмиссии полноприводных СТС с колесами одинакового размера, проанализированы имеющиеся теории и модели этих явлений;

• проведен теоретический анализ влияния мощности двигателя на возможность возбуждения автоколебаний в ходовой части машины;

• определена структура и состав комплексной модели колебательных процессов при движении СТС, ее ограничения и условия практического применения для машин разных классов;

• разработаны основные компоненты комплексной модели, в частности: математическая модель подсистемы «двигатель-трансмиссия» при поступательном движении СТС, модель вертикальных и угловых колебаний в продольной плоскости при движении СТС;

• проведение серии вычислительных и натурных экспериментов для проверки адекватности полученных математических моделей, определения их практической применимости.

• на основе полученных моделей разработано соответствующее алгоритмическое и программное обеспечение, которое внедрено в системы информационного обеспечения процессов проектирования СТС и автоматизированных систем управления ими.

Объектом исследования являются колебательные процессы, возникающие в подсистемах и узлах специализированных колесных транспортных средств при их движении и эксплуатации.

Предметом исследования является комплексное моделирование и экспериментальная проверка моделей описания паразитных колебательных процессов при движении специализированных колесных транспортных средств.

Методическая и теоретическая база исследования. Общей методической основой выполнения исследований явился системный подход к изучению процессов. В процессе исследований были использованы фундаментальные положения системного анализа, теории математического и имитационного моделирования, исследования динамических систем. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы вычислительной математики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• исследованы причины и условия возникновения автоколебаний в ходовой системе и трансмиссии полноприводных СТС с колесами одинакового размера, проанализированы имеющиеся теории и модели этих явлений;

• проведен теоретический анализ влияния мощности двигателя на возможность возбуждения автоколебаний в ходовой части машины;

• обоснованы структура и состав комплексной модели колебательных процессов при движении СТС, определены ее ограничения и условия практического применения для машин разных классов;

• разработаны основные компоненты комплексной модели, в частности: математическая модель подсистемы «двигатель-трансмиссия» при поступательном движении СТС, модель вертикальных и угловых колебаний в продольной плоскости при движении СТС, учитывающие основные конструктивные параметры машин, их компонентов и возможные процессы буксования колес;

• проведена серия вычислительных и натурных экспериментов для проверки адекватности полученных математических моделей, их уточненияи определения рациональных условий их практической применимости в САПР и автоматизированных системах стабилизации движения СТС.

Положения, выносимые на защиту:

Автором диссертации выносятся на защиту следующие основные положения:

1. Исследованы причины и условия возникновения автоколебаний в ходовой системе и трансмиссии полноприводных СТС с колесами одинакового размера. Установлено, что удельная тяговая характеристика полноприводного колесного СТС при его движении по твердому основанию имеет перегиб и частная производная по буксованию меняет знак с положительного на отрицательный. Процесс возбуждения паразитных автоколебаний начинает развиваться в окрестностях точки этого экстремума.

2. Показано, что частоты колебаний остова и трансмиссии в процессе развития и установления автоколебательных процессов по своим значениям близки между собой и определяются в основном собственными частотами вертикальных колебаний машины.

3. Установлено, что на возникновение процессов автоколебаний практически не оказывают влияния такие конструктивные характеристики СТС, как тип межосевого привода, наличие системы подрессоривания, тип рамы машины. Склонность СТС к возбуждению автоколебательных процессов определяется, в основном, сбалансированностью комплекса конструктивных параметров машины, жесткостных показателей ее подвески, трансмиссии и шин.

4. Структура и состав комплексной модели колебательных процессов при движении СТС, ее основные компоненты, такие как математическая модель подсистемы «двигатель-трансмиссия» при поступательном движении машины и модель вертикальных и угловых колебаний в продольной плоскости при движении машиныограничения и условия практического применения модели для СТС разных классов. Практическая ценность работы заключается в том, на основе предложенных в диссертации моделей был разработан комплекс алгоритмического и программного обеспечения, набор базовых библиотек для САПР СТС, их компонентов и устройств автоматизации их движения и стабилизации. Полученные результаты моделирования и вычислительных экспериментов нашли практическое применение при проектировании ряда специальных автоматизированных систем стабилизации движения СТС в реальных условиях эксплуатации.

Апробация результатов работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на: НТК «Применение ИЛИ технологий в производстве», Москва, 2005, НТК «Гагаринские чтения», 2005, 2006, 5 -ой Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством» Москва, 2006, Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве», Орел, 2006, «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии», Тула, 2006, научных семинарах кафедры: «Управление качеством и сертификация» МАТИ.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертации внедрены на ОАО «Научно-исследовательский конструкторско-технологический институт тракторных и комбайновых двигателей», (ВНИКИТ) г. Владимир, а также в учебном процессе кафедры «Управление качеством и сертификация» «МАТИ» — РГТУ им. К. Э. Циолковского, о чем имеются соответствующие акты внедрения.

Публикации. По материалам и результатам диссертации опубликованы: — 5 статей, 3 докладов и тезисов докладов на различных научных конференциях, общим объемом 2.2 п.л.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

На основании результатов проведенного моделирования, вычислительных и экспериментальных исследований опытных моделей СТС схемы 4×4 с колесами одинакового размера можно сформулировать следующие выводы:

1. Разработаны математическая модель, алгоритм и программное * обеспечение для расчетов на ЭВМ задач о колебательных процессах колесных СТС схемы 4×4, позволяющие комплексно исследователь вопросы тяговой динамики, плавности хода, динамической нагруженности трансмиссии, а так же оценивать склонность машины к возбуждению паразитных автоколебаний. Основным отличием разработанной модели от имеющихся является оригинальный учет неголономной связи «шина — грунт» при рассмотрении совместных колебаний разветвленной трансмиссии полноприводной машины и ее остова.

I 2. Установлено, что удельная тяговая характеристика полноприводного колесного СТС при его движении по твердому основанию имеет перегиб, причем частная производная по буксованию меняет знак с положительного на отрицательный. Процесс возбуждения паразитных автоколебаний начинает развиваться в окрестностях точки этого экстремума.

3. Показано, что частоты колебаний остова и трансмиссии в процессе развития и установления автоколебательных процессов по своим значениям близки между собой и определяются в основном.

I собственными частотами вертикальных колебаний машины.

4. Установлено, что на возникновение процессов автоколебаний практически не оказывают влияния такие конструктивные характеристики СТС, как тип межосевого привода, наличие системы подрессоривания, тип рамы машины. Склонность СТС к возбуждению автоколебательных процессов определяется, в основном, сбалансированностью комплекса конструктивных параметров машины, жесткостных показателей ее подвески, трансмиссии и шин.

5. Методами статистического моделирования с применением теории планирования эксперимента выявлено определен характер функции склонности машины к возбуждению автоколебаний в зависимости от ряда безразмерных комплексных факторов (парциальных частот ходовой системы, собственной частоты колебаний трансмиссии и коэффициента распределения масс СТС).

6. Экспериментально подтверждена адекватность предложенной математической модели, описывающей процесс автоколебаний применительно к СТС различных классов и компоновок. Процессы возбуждения автоколебаний были экспериментально установлены для тех же сочетаний параметров трансмиссии, подвески и шин, при которых этот процесс был предсказан моделированием и результатами вычислительных экспериментов.

7. Результатами моделирования и исследования опытных образцов СТС установлено, что при изменении обобщенного показателя — декремента колебаний от -0.18 до 103 потери мощности двигателя, затрачиваемые на генерацию колебаний в ходовой части могут возрастать почти десятикратно на режиме максимальных тяговых нагрузок. При этом относительное снижение потенциального КПД СТС может достигать 20%, а на режиме ординарной тяги — 10%. Дополнительно подтверждена нежелательность совпадения низшей собственной частоты крутильных колебаний трансмиссии и парциальных частот остова машины.

8. На основе предложенных моделей был разработан комплекс алгоритмического и программного обеспечения, набор базовых библиотек для систем автоматизированного проектирования СТС, их компонентов и устройств автоматизации их движения и стабилизации.

9. Полученные результаты моделирования и вычислительных экспериментов прошли практическую апробацию в ходе проведения натурных экспериментов и нашли практическое применение при проектировании ряда специальных автоматизированных систем стабилизации движения СТС в реальных условиях эксплуатации. Предложенный критерий возбуждения паразитных колебаний в подвеске машин в процессе их движения нашел практическое применение и учитывается при проектировании систем подвески и стабилизации движения СТС.

Положения, выносимые на защиту:

Автором диссертации выносятся на защиту следующие основные положения:

5. Исследованы причины и условия возникновения автоколебаний в ходовой системе и трансмиссии полноприводных СТС с колесами одинакового размера. Установлено, что удельная тяговая характеристика полноприводного колесного СТС при его движении по твердому основанию имеет перегиб и частная производная по буксованию меняет знак с положительного на отрицательный. Процесс возбуждения паразитных автоколебаний начинает развиваться в окрестностях точки этого экстремума.

6. Показано, что частоты колебаний остова и трансмиссии в процессе развития и установления автоколебательных процессов по своим значениям близки между собой и определяются в основном собственными частотами вертикальных колебаний машины.

7. Установлено, что на возникновение процессов автоколебаний практически не оказывают влияния такие конструктивные характеристики СТС, как тип межосевого привода, наличие системы подрессоривания, тип рамы машины. Склонность СТС к возбуждению автоколебательных процессов определяется, в основном, сбалансированностью комплекса конструктивных параметров машины, жесткостных показателей ее подвески, трансмиссии и шин.

8. Структура и состав комплексной модели колебательных процессов при движении СТС, ее основные компоненты, такие как математическая модель подсистемы «двигатель-трансмиссия» при поступательном движении машины и модель вертикальных и угловых колебаний в продольной плоскости при движении машиныограничения и условия практического применения модели для СТС разных классов.