Метод прогнозирования быстроходности гусеничных машин по их динамическим свойствам

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

При разработке и модернизации конструкции транспортных машин одной из важных задач является прогнозирование их быстроходности, оцениваемой средней скоростью движения. Без учета ограничений, связанных с решением тактико-технических задач, т. е. при движении в транспортном режиме по характерным дорогам используются методы прогнозирования, основанные на изучении установившихся процессов. Средняя скорость определяется как случайная величина на основе функции распределения скорости по пути с учетом ограничений по тяговым качествам, по предотвращению заноса на криволинейных участках, по параметрам плавности хода на неровных участках дороги.

При движении по ровным дорогам скорость ограничивается тягово-динамическими качествами машины и условиями движения в повороте — условиями бокового заноса. Для характерных дорог функции распределения кривизны и коэффициента сопротивления повороту известны.

Эти методы разработаны и дают достаточно точные результаты для сравнительно тихоходных машин и при движении по местности на деформируемых грунтах. Для скоростных машин подвижность во многом ограничивается управляемостью. Это свойство характеризует все аспекты динамики системы «Человек — машина — внешняя среда» и оценивается динамическими, кинематическими и силовыми характеристиками. Динамические характеристики определяются по качеству переходных процессов входа в поворот и выхода из него, т. е по реакции машины как управляемого объекта.

Многочисленными работами, посвященными исследованию динамики управляемого движения быстроходных гусеничных машин (БГМ) установлено, что скоростные качества на трассах с интенсивным изменением кривизны траектории во многом ограничиваются удельной мощностью и величиной поворачивающего момента, создаваемого гидрообъемным механизмом поворота (ГОМП). Для повышения динамических качеств машин поворачивающий момент должен быть достаточным для преодоления сопротивления грунта повороту и инерционной составляющей. В противном случае проявляется действие нелинейности характеристики гидрообъемной передачи системы управления поворотом (СУП), вызванной ограничением давления или расхода рабочей жидкости. В этих условиях не обеспечивается не только динамическая устойчивость, но и статическая.

Введение

обратной связи в СУП не повышает управляемости. Следовательно, движение замкнутой нелинейной динамической системы не только не устойчиво, но и не управляемо.

Однако из результатов экспериментального исследования динамики управляемого движения машины с увеличенными удельной мощностью на 33% и поворачивающим моментом, обеспечивающим рост угловых ускорений при повороте на малодеформируемом грунте от 0,7 до 1,1 рад/с2, то есть в 1,4 раза, следует, что средняя скорость движения на тестовой змейке с интенсивным изменением кривизны траектории гораздо ниже расчетной по силовым условиям поворота при движении по влажному бетону и дернистому грунту. Реализация потенциальных скоростных качеств с увеличением поворачивающего момента ограничивается рядом динамических явлений. Следовательно, повышение мощности системы управления поворотом является необходимым, но не достаточным условием повышения скоростных качеств при движении на трассах с интенсивным изменением кривизны траектории.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

.

Цель исследования состоит в создании метода более точной оценки скоростных качеств быстроходных гусеничных машин по их динамическим свойствам и решении обратной задачи — обоснование путей повышения подвижности.

Указанная цель достигается решением следующих задач: теоретическое исследование динамики управляемого движения гусеничной машиныэкспериментальное исследование динамики управляемого движения гусеничной машины, определение параметров переходных процессов и фазово-частотных характеристик системыобобщение результатов исследования и разработка метода прогнозирования подвижности быстроходных гусеничных машин при управлении поворотом по динамическим свойствам системы.

Решение этих задач позволило дополнить существующие методы прогнозирования скоростных качеств быстроходных гусеничных машин, а также обосновать пути повышения подвижности. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Математические зависимости коэффициента фазовой напряженности, функции для прогнозирования числа включений механизма поворота установлены на основе дифференциальных уравнений управляемого движения машины и методов статистической динамики. Расчет параметров управляемого движения машин осуществляется с помощью методов вычислительной математики. Оценка адекватности результатов теоретического исследования, корректность основных допущений базируются на сопоставлении с результатами экспериментальных исследований — ходовых испытаний быстроходной гусеничной. Обработка экспериментальных данных велась на основе теории вероятности, спектральных функций, прямого преобразования Фурье в программных пакетах МаШсас!, МаЙЬаЬ, РолуегОгарЬ и 81айзйса.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

Впервые разработан метод прогнозирования быстроходности гусеничных машин при криволинейном движении по их динамическим свойствам и обоснованы пути реализации потенциальных скоростных качеств.

На основе дифференциальных уравнений управляемого движения быстроходной гусеничной машины разработаны математические закономерности, которые позволяют определить фазово-частотные характеристики в зависимости от параметров конструкции машины, динамических свойств системы управления поворотом, а так же условий движения.

Впервые установлены функции числа включения механизма поворота в зависимости от вероятностных свойств дорожной кривизны и требуемой точности траектории по условию вписываемости.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

Реализация разработанного метода позволяет не только более точно прогнозировать быстроходность машины по ее динамическим свойствам, но и решать обратную задачу повышения скоростных свойств дифференцированным сокращением отдельных ограничений при автоматизации управления движением.

Доказано, что повышение подвижности машин в повороте при достаточном значении поворачивающего момента может быть достигнуто совершенствованием динамических свойств СУП — синтезом пропорционально интегродифференцирующих (ПИД) корректирующих устройств.

Обоснованы приемы управления поворотом, повышающие скорость движения.

Получены новые экспериментальные данные о динамике управляемого движения быстроходной гусеничной машины, на основе которых определены основные направления совершенствования метода прогнозирования подвижности.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

Метод прогнозирования быстроходности гусеничных машин по их динамическим свойствам при движении по криволинейной траектории.

Математические закономерности, которые позволяют определить фазово-частотные характеристики в зависимости от параметров конструкции машины, динамических свойств системы управления поворотом, а так же условий движения.

Функции числа включения механизма поворота в зависимости от вероятностных свойств дорожной кривизны и требуемой точности траектории по условию вписываемости.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики управляемого движения.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ.

Теоретические и экспериментальные исследования отражены в 2 отчетах о НИР, переданных ОАО «СКБМ», г. Курган. При выполнении ОАО «СКБМ» ОКР по программе «Жигули» использована предложенная функциональная схема системы управления движением машины и алгоритм работы бортового компьютера (разделы: контроль и компенсация бокового заносафорсирование переходных процессов при повороте машиныстабилизация движения компенсацией статической ошибки регулирования). Результаты работы использованы также при выполнении опытно-конструкторской работы по теме «Садовница», в учебном процессе при подготовке студентов специальности 190 202 в Курганском государственном университете.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные положения и материалы работы докладывались и обсуждались на 8 научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе: на IV Международной научно-технической конференции «Динамика систем механизмов и машин» — Омск, 2002 г.- на I — II Международных технологических конгрессах «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения в XXI веке» — Омск, 2002, 2003 гг.- на XXIII г. ортных машин" - Курган, 2003. анной конференции молодых ученых и студентов по современным проблемем машиноведения (МИКМУС-200Российской школе по проблемам науки и технологий — г. Миасс, 2003 г.- на Международной конференции «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства» — Волгоград, 2003 г.- на научно-техническом семинаре по колесным и гусеничным машинам высокой проходимости МАДИ (ГТУ) — Москва, 2004 г.- на научно-технических конференциях и семинарах ЮУрГУ, г. Челябинск, 2003;2008 гг.- на XIX, XX Международных Интернет-ориентированных конференциях молодых ученых и студентов по современным проблемем машиноведения (МИКМУС-2007, 2008) — Москва, ИМАШ РАН, 2007, 2008 гг.- на научных конференциях УрГУПС (2010 г.), Тюменского нефтегазового университета (2010 г.) на технических совещаниях ОАО «СКБМ», г. Курган.

В полном объеме диссертационная работа обсуждалась на научных семинарах кафедр амфибийных машин МАДИ ГТУ, г. Москва, гусеничных машин Курганского и Южно-Уральского государственных университетов.

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации опубликовано десять печатных работ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. На основе проведенного исследования в данной работе научно обоснована и решена задача разработки метода прогнозирования быстроходности гусеничных машин по их динамическим свойствам, выбора параметров конструкции и системы управления поворотом, позволяющая более полно реализовать потенциальные скоростные качества многоцелевых гусеничных машин при движении по дорогам с интенсивным изменением кривизны, имеющая важное военное и народно-хозяйственное значение.

2. При решении этой задачи теоретическими и экспериментальными исследованиями динамики управляемого движения машин получены зависимости:

— фазовой частотной характеристики гусеничной машины как управляемого объекта от параметров конструкции, динамических свойств системы управления поворотом, а также от условий движения;

— функции цикличности включения механизма поворота в зависимости от вероятностных свойств дорожной кривизны и требуемой точности траектории по условию вписываемости.

3. Проведенные экспериментальные исследования опытного изделия «Садовница» и статистическая обработка их результатов подтверждает достоверность разработанной математической модели, отражающей физические процессы управляемого движения и корректность основных допущений.

4. Испытания опытной машины с макетным образцом ПИД корректирующего устройства системы управления поворотом на тестовой змейке показали, что средняя скорость движения повысилась до 14,3%, при сокращении числа включений с 37 до 25 на километр пути. При движении по грунтовой трассе со случайным изменением кривизны траектории средняя скорость возрастает на 12. 16%, сокращается число включений механизма поворота в 1,5. .1,8 раза.

5. Обоснована необходимость сокращения податливости рабочих ветвей гусениц. Предложенные конструкторские решения реализованы при разработке гусениц со сплошным основанием резиновых элементов шарниров и их армированием. Это позволило повысить среднюю скорость прохождения тестовой змейки на 12. 16% без снижения долговечности элементов гусениц.