CC BY
1
7. Тарасов Е.А. Особенности и тактика назначения судебной автотехнической экспертизы с учетом необходимости ситуационного моделирования обстоятельств возникновения ДТП // Транспортное право. 2020. № 2. С. 18-28.
Тарасов Евгений Александрович, канд. техн. наук, доцент, 382652@mail. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет
ON THE CAR TECHNICAL EXAMINATION OF THE CIRCUMSTANCES OF THE ACCIDENT
E.A. Tarasov
In this paper, we are talking about the analytical, situational component of automotive expertise, since it is this part of the expert's activity that does not always allow to operate with unambiguously interpreted arguments. The reason is that an accident is inherently multifactorial, and an expert may encounter details whose analysis is beyond his competence. Objective quantitative and qualitative indicators and circumstances that influenced the mechanism of occurrence and development of a traffic accident are presented. The questions that the investigation and the court can pose to an automotive expert are presented, to which situational answers are given based on the analysis of the development of the situation, modeling the mechanism of an accident. The task of an automotive expert is to provide answers to the questions raised regarding a number of objective quantitative and qualitative indicators and circumstances that influenced the mechanism of occurrence and development of an accident. Important circumstances are given when considering an accident in the framework of criminal proceedings.
Key words: car technical expertise; circumstances of the accident; specialist; investigation; investigator.
Tarasov Evgeny Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, 382652@mail. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University
УДК 629.113
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-2-523-524
АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК
АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Э. А. Оганян
Работа посвящена анализу подходов к математическому моделированию электрических силовых установок автотранспортных средств. Приведена классификация математических моделей, применяемых при исследовании основных компонентов тягового электропривода. Рассмотрены программные комплексы, применяемые для математического моделирования, исследования и расчета электрических силовых установок автотранспортных средств.
Ключевые слова: электрическое силовые установки, математическое моделирование, электропривод, классификация математических моделей, программное обеспечение.
Автомобили, приводимые в движение электрической силовой установкой, становятся все более популярными в связи с растущим спросом на энергоэффективные и экологически чистые автотранспортные средства (АТС). Разработка новых и модернизация существующих конструкций АТС требует применения современных подходов к проектированию, одним из которых является использование математических моделей, описывающих комплекс взаимосвязанных процессов различной физической природы, характерных для АТС с электрическим приводом.
Моделирование представляет собой исследование объектов познания на их моделях, построение и изучение моделей реально существующих предметов, явлений и конструируемых объектов. При этом математическое моделирование является одним из основных методов современных научных исследований [1].
Модель должна достаточно полно описывать особенности и сущность исследуемого объекта, при этом отражая заданные свойства системы с погрешностью не выше допустимой, а также должна представлять объект в упрощенном виде и обеспечивать возможность перехода от модельной информации к реальности [2].
Математическое моделирование значительно расширяет возможности исследователей и конструкторов при создании новых и модернизации существующих конструкций АТС, позволяя существенно сократить временные и материальные затраты [3].
В тоже время вопросам классификации и анализа применяемых математических моделей электрических силовых установок АТС уделяется недостаточно внимания.
В этой связи целью данной статьи является анализ существующих подходов к математическому моделированию электрических силовых установок автотранспортных средств, разработка классификации математических моделей, описывающих поведение тягового электропривода АТС, а также анализ программных комплексов, применяемых для математического моделирования, исследования и расчета электрических силовых установок автотранспортных средств.
Математическому моделированию автотранспортных средств с электрическим приводом посвящены труды отечественных и зарубежных ученых, среди них: С.Б. Аджиманбетов, Д.И. Гурьянов, А.В. Ионесян, Т.А. Козлова, О.Б. Мокин, Б.К.Оспанбеков, Н.И. Слипченко, В.И. Строганов, Ronald K. Jürgen, Mike Westbrook, Mehrdad Ehsani, Ali Emadi, Jimin Gao, Iqbal Husain, Granfranco Pistoia, D. Ragone и другие.
При построении математических моделей процессов функционирования систем электрической силовой установки АТС можно выделить следующие основные подходы:
- непрерывно-детерминированный (рассматривается работа электрической силовой установки во времени при изменении нагрузки);
- дискретно-детерминированный (реализуется с помощью разделения времени на дискретные интервалы);
- дискретно-стохастический (предполагает использование теории вероятностей и математической статистики, позволяет учесть случайные отклонения эксплуатационных параметров) [4].
Наиболее распространенным подходом при математическом моделировании АТС с электрическим приводом является непрерывно-детерминированный. Особенностью подхода является применение в качестве математических моделей дифференциальных уравнений описывающих движение АТС и функционирование систем привода (АКБ, электродвигателя, трансмиссии).
Математические соотношения для детерминированных систем в общем виде записываются как:
У = /(У. У(*о) = Уо>
где у = , у = (у1,у2, ...,уп) и f = (Д,/2, ...,/п) — п-мерные векторы; f(y, £) — вектор-функция, которая определена на некотором (п + 1) — мерном (у, £) множестве и является непрерывной.
Использование данного подхода позволяет формализовать процесс функционирования непрерывно-детерминированных систем и оценить их основные характеристики, применяя аналитический или имитационный подход, реализованный в виде программного комплекса для моделирования электрических силовых установок автотранспортных средств.
К непрерывно-детерминированному подходу также относится метод графов связей, который целесообразно использовать при построении математических моделей электромобилей.
Метод графов связей относится к группе топологических методов, т. е. методов, использующих графическое представление исследуемого объекта. Он позволяет на единой методологической базе моделировать объекты, содержащие элементы различной физической природы - электрические, механические, гидравлические, пневматические и т. д [5].
Данный метод является удобным инструментом для получения моделей сложных динамических систем. Метод графов связей основан на представлении о том, что любые физические процессы состоят из элементарных актов преобразования энергии [6]. Граф связей представляет собой совокупность элементов, соответствующих основным типам преобразования энергии и изображаемых в качестве вершин графа, соединенных связями (дугами графа). Каждый элемент графа характеризуется уравнением или системой уравнений, включающих переменные, относящиеся к его связям [71.
Дискретно-детерминированный подход предусматривает разбиение времени и пространства на дискретные интервалы, чтобы анализировать и прогнозировать поведение электрической силовой установки АТС в каждом из этих интервалов. Подход чаще всего применяется для описания широкого класса процессов функционирования реальных объектов автоматизированных систем управления.
Одной из главных задач при математическом моделировании электрической силовой установки АТС является описание движения и потребления энергии в реальных условиях эксплуатации. Дискретно-стохастический подход позволяет учесть влияние таких факторов, как параметры окружающей среды, дорожные условия и поведение водителя. Вместо описания в виде детерминированных функций и уравнений, дискретно-стохастический подход позволяет учесть случайные флуктуации и вариации, которые могут возникать при реальной эксплуатации АТС.
На основе проведенного анализа работ, посвященных математическому моделированию электрических силовых установок автотранспортных средств, было выделено четыре ключевых признака [8], по которым можно классифицировать математические модели тягового электропривода АТС (табл. 1).
Таблица 1
Классификация математических моделей_
№ п/п Признаки Типы математических моделей
1 Исходный принцип математического описания 1.1. Теоретические 1.2. Эмпирические 1.3. Смешанного типа
2 Учет динамики процесса функционирования 2.1. Динамические 2.2. Квазидинамические 2.3. Статические
3 Уровень абстрагирования (детализации) 3.1. Микромодели 3.2. Макромодели 3.3. Метамодели
4 Уровень функционального описания силовой установки 4.1. Модели рабочих процессов: 4.1.1. Механических 4.1.2. Электромагнитных 4.1.3. Электромеханических 4.1.4. Тепловых 4.2. Модели функционирования систем силовой установки: 4.2.1. АКБ 4.2.2. Электродвигатель 4.2.3. Трансмиссия 4.2.4. Система управления
Основной целью описания электрической силовой установки автотранспортного средства является достижение требуемых (в соответствии с техническим заданием) мощностных, экономических, массогабаритных показателей, а также показателей надежности и долговечности.
С точки зрения исходного принципа математического описания модели выделяют три типа моделей: теоретические, эмпирические, смешанного типа.
Теоретические модели электрической силовой установки автотранспортных средств основываются на фундаментальных законах физики и электротехники. Эти модели описывают взаимодействие между различными компонентами тягового электропривода, такими как электродвигатель, аккумуляторная батарея (АКБ) и система управления. Данная модель обычно используются на стадии проектирования для прогнозирования характеристик АТС.
В процессе эксплуатации многофакторные взаимодействия и неопределенности могут оказывать влияние на функционирование электромобиля. В данном случае для математического описания влияния переменных факторов (входных переменных) на функцию отклика используются эмпирические (статистические) модели, которые, как правило, получены на основании экспериментов, выполненных на натурном объекте.
Также, существуют модели смешанного типа, которые сочетают в себе как теоретические, так и эмпирические подходы.
В зависимости от учета динамики процесса функционирования можно выделить следующие типы математических моделей: динамические, квазидинамические и статические.
Динамические (имитационные) модели тягового электропривода описывают его поведение во времени. Они учитывают влияние различных факторов, таких как: масса автомобиля, сила трения, аэродинамические и электрические параметры. Такие модели позволяют исследовать электрические силовые установки автотранспортных средств при различных режимах работы.
Квазидинамические - это модели, в которых временной интервал действия модели разбивается на периоды, для каждого из которых строится статическая модель.
Статические модели не учитывают изменение параметров электрической силовой установки во времени.
С точки зрения уровня абстрагирования выделяют следующие типы математических моделей:
- микромодели, представляют собой детальные математические модели с наименьшей степенью абстракции, которые описывают поведение различных компонентов электрической силовой установки внутри отдельных частей системы;
- макромодели, являются более обобщенными аналитическими моделями, которые описывают работу электропривода на основе более высокоуровневых параметров. В таких моделях учитывается взаимодействие различных систем и компонентов электромобиля, таких как АКБ, электродвигатель, трансмиссия, система рекуперативного торможения. Эти модели позволяют получить общую оценку производительности и эффективности силовой установки на основе входных параметров;
- метамодели, являются более абстрактными моделями, в которых описываются процессы между системой и внешней средой или между отдельными системами.
В зависимости от уровня функционального описания силовой установки математические модели подразделяют на два типа: модели рабочего процесса и модели функционирования систем силовой установки.
При моделировании рабочего процесса электрической силовой установки автотранспортного средства основными задачами является математическое описание процесса преобразования электрической энергии в механическую, а также и описание электромагнитных и тепловых процессов в приводе.
Модели функционирования систем силовой установки описывают работу всех составляющих системы, таких как АКБ, электродвигатель, трансмиссия, система управления. С помощью этих моделей можно установить закономерности влияния различных конструктивных и эксплуатационных параметров на работу тягового электропривода.
Кроме рассмотренных математических моделей для имитационного моделирования электрических силовых установок автотранспортных средств в настоящее время используются следующие программные комплексы: Matlab Simulink, Simcenter Amesim, SimlnTech, REPEAT.
Структура имитационной модели электрической силовой установки автотранспортного средства включает в себя следующие компоненты:
1. Модель, которая описывает динамику продольного движения электромобиля.
2. Модель, которая описывает динамику разряда и заряда тяговой АКБ и динамику тягового электродвигателя.
3. Модель, которая имитирует поведение водителя АТС [9-10].
Одним из наиболее популярных программных комплексов является MathWorks Matlab Simulink. Simulink позволяет моделировать и анализировать работу систем, выходные параметры которых меняются с течением времени. Работа в Simulink заключается в создании блочных диаграмм, и вводе временных математических зависимостей между входами, состояниями и выходами системы [11].
Блочные диаграммы Simulink определяют временные связи между сигналами и переменными состояния. Решение блочной диаграммы получается из оценки этих взаимосвязей в течение времени. Сигналы представляют собой количественные характеристики, которые меняются с течением времени и которые определены для каждого шага времени между началом и концом течения программы. Взаимосвязи между сигналами и переменными состояний определяются системами уравнений, которые лежат в основе блоков [12].
Simcenter Amesim - это программное обеспечение, предназначенное для моделирования сложных динамических систем. Программный пакет представляет собой набор инструментов, используемых для моделирования, анализа и прогнозирования производительности систем мехатроники. Модели описываются с помощью нелинейных зависимых от времени аналитических уравнений, которые представляют гидравлическое, пневматическое, тепловое, электрическое или механическое поведение системы.
Для разработки имитационной модели системы применяется набор библиотек, включающих заранее определенные компоненты. Библиотеки Simcenter Amesim реализованы на языке программирования С [13].
SimlnTech - отечественный программный комплекс который обладает широкими возможностями для организации вычислений, связанных с решением алгебраических и дифференциальных уравнений.
Математические модели в SimInTech создаются посредством функционально-блочного программирования при помощи блоков, которые содержатся в различных библиотеках. Для создания математических моделей SimInTech содержит библиотеки: теплогидравлики; электротехники; электрических приводов; силовых гидравлических/пневматических машин; механических взаимодействий. Программный комплекс написан на языке программирования Pascal [14].
Веб-приложение REPEAT - отечественное программное обеспечение, предназначенное для предоставления цифровых сервисов симуляционного моделирования, функционирующих на технологической платформе с микросервисной архитектурой. Основным преимуществом программного обеспечения являются: облачная инфраструктура; импортонезависимость; интеграция со сторонним ПО [15].
Программные комплексы для имитационного моделирования электрических силовых установок являются неотъемлемой частью современного процесса создания АТС. Они позволяют инженерам сокращать время и ресурсы, необходимые для создания прототипов, и учитывать множество эксплуатационных и конструктивных параметров, влияющих на общую производительность электрической силовой установки.
Проведенный анализ математических моделей электрических силовых установок АТС позволяет сделать следующие выводы:
1. Для математического моделирования электрической силовой установки АТС целесообразно использовать непрерывно-детерминированный подход, так как он обеспечивает наиболее полное математическое описание функционирования тягового электропривода во времени с учетом изменяющихся условий эксплуатации.
2. Рассмотренные выше типы математических моделей в основном используются на стадии проектирования для достижения необходимых, в соответствии с техническим заданием, эксплуатационных свойств, а именно: мощности тягового электродвигателя, скорости движения АТС, запаса хода.
3. В современных условиях для имитационного моделирования тягового электропривода АТС целесообразно использовать отечественные программные комплексы, которые должны обладать высокой производительностью, гибкостью, мощным инструментом анализа и возможностью интеграции.
4. При построении математической модели электрической силовой установки АТС целесообразно использовать аппарат графов связей, который позволит на единой методологической основе моделировать механические, электрические, информационные и другие компоненты АТС с электрическим приводом.
Список литературы
1. Строганов В.И., Козловский В.Н., Сорокин А.Г., Мифтахова Л.Х. Математическое моделирование основных процессов электромобилей и автомобилей с комбинированной силовой установкой // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17, № 7. С. 129-132.
2. Эльберг М.С., Цыганков Н.С. Имитационное моделирование: учеб. пособие. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2017. 128 с.
3. Дьяков И.Ф., Дьяков В.И. Математическое моделирование процесса проектирования транспортных средств // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2022. № 1(97). С. 36-45.
4. Строганов В.И., Сидоров К.М. Математическое моделирование основных компонентов силовых установок электромобилей и автомобилей с КЭУ: Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности "Наземные транспортно-технологические средства" (специализация "Автомобили и тракторы"). Москва: Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), 2015. 100 с.
5. Применение теории графов связей в технике; под ред. Д. Кэрнопа и Р.Розенберга. М.: Мир, 1974.
95 с.
6. Груничев А.В., Рыбаков Г.П., Хмелев Р.Н. Применение графов связей при разработке математического описания автомобиля с электрической силовой установкой // Автомобили, транспортные системы и процессы: настоящее, прошлое и будущее: Сборник статей 3-й Международной научно-технической конференции, Курск, 21 мая 2021 года. Курск: Юго-Западный государственный университет, 2021. С. 111-114.
7. Воронин А.В. Моделирование мехатронных систем: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. 137 с.
8. Хмелев Р.Н. Разработка классификации математических моделей поршневых двигателей внутреннего сгорания // Вестник ТулГУ. Серия «Автомобильный транспорт». Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 80-85.
9. Козлова Т.А. Методика поиска рациональных конструктивных параметров тягового привода электромобиля // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №5 (2016) [Электронный ресурс] URL: http://naukovedenie.ru/PDF/86TVN516.pdf (дата обращения: 10.02.2024).
10. Астафьев Е.А., Афанасьев А.Ю. Моделирование электропривода электромобиля с возможностью рекуперации электрической энергии // Развитие концепции современного образования в рамках научно-технического прогресса: Сборник научных трудов. Казань: ООО "СитИвент", 2020. С. 121-130.
11. Файзуллоев Н.Л. Разработка модели и измерение параметров электропривода электроболида formula student electric с применением MATLAB SIMULINK // XXV Туполевские чтения (школа молодых ученых): Тексты докладов участников Международной молодёжной научной конференции, посвященной 60-летию со дня осуществления Первого полета человека в космическое пространство и 90-летию Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева-КАИ, Казань, 10-11 ноября 2021 года. Том VI. Казань: Изд-во ИП Сагиева А.Р., 2021. С. 289-295.
12. MathWorks. Simulink. Официальный сайт [Электронный ресурс] URL: https://www.mathworks.com/products/simulink.html (дата обращения: 20.01.2024).
13. Siemens. Инженерное программное обеспечение [Электронный ресурс] URL: https://plm.sw.siemens.com/en-US (дата обращения: 20.01.2024).
14. Среда динамического моделирования SimInTech [Электронный ресурс] URL: https://simintech.ru (дата обращения: 20.01.2024).
15. Программное обеспечение REPEAT [Электронный ресурс] URL: https://repeatlab.ru (дата обращения: 19.01.2024).
Оганян Эдуард Артурович, аспирант, edikoganian@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF MATHEMATICAL MODELS OF ELECTRIC PO WER PLANTS OF CARS
E.A. Oganyan 526
The work is devoted to the analysis of approaches to the mathematical modeling of electric power plants of motor vehicles. The classification of mathematical models used in the study of the main components of a traction electric drive is given. Software complexes used for mathematical modeling, research and calculation of electric power plants of motor vehicles are considered.
Key words: electric power plants, mathematical modeling, electric drives, classification of mathematical models, software engineering.
Oganyan Eduard Arturovich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 625.768.1; 625.768.5
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-2-527-528
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЩЕТОЧНОГО УСТРОЙСТВА ПОДМЕТАЛЬНО-УБОРОЧНОЙ МАШИНЫ
А.В. Кречко, В.М. Лисовенко, М.С. Алтунина, В.В. Зубов
В статье определены направления достижения эффективности рабочего процесса щёточного устройства подметально-уборочных машин. Предложено увеличить линейную скорость свободного конца щетки -радиальным внедрением стержня - стопора (ролика) во вращающийся щеточный венец. Для проверки достоверности предложенного технического решения в статье сделана попытка определения линейной скорости свободного конца деформированного ворса после его высвобождения. При этом решены задачи по определению зависимости потенциальной энергии деформации ворса от величины прогиба и линейной скорости разгибающегося ворса. Приведены результаты определения скорости свободного конца стержня для щеток с металлическим и полипропиленовым ворсом.
Ключевые слова: щетка (щеточное устройство), стопор, ворс, изгиб (прогиб), стержень, линейная скорость, частота вращения щетки.
В настоящее время трудно себе представить чистоту улиц и тротуаров городов и поселков без коммунальных машин. Актуальность повышения эффективности эксплуатации специальных автомобилей и технических средств коммунального комплекса, на протяжении последних лет не вызывает сомнений, что подтверждается целым рядом публикаций [1-9], посвященных рассматриваемой проблеме.
Особое место в парке коммунальной технике занимают щеточные подметально-уборочные машины, эффективность работы которых зависит от процесса силового взаимодействия ворса щетки с дорожным покрытием.
Если определить эффективность рабочего процесса как увеличение сил, действующих на частицы загрязнений дорожного полотна, то для достижения этого эффекта выделяются два направления. Первое - конструктивная проработка рабочего органа подметальной машины (механические свойства ворса, размеры щетки и др.). Второе -увеличение скорости вращения щетки, которое при данной её конструкции однозначно определяет линейную скорость свободного конца щетки [10-17].
Однако, линейную скорость свободного конца щетки можно увеличить и другим способом - радиальным внедрением стержня - стопора (ролика) во вращающийся щетинный венец. Стопор, останавливая вращение конца ворса, способствует его деформации изгиба и тем самым обеспечивает накопление потенциальной энергии, которая после высвобождения ворса от стопора, переходит в кинетическую, что, в свою очередь, обеспечивает дополнительную ударную обработку ворсовой поверхностью дорожного покрытия [18]. Рассмотрим этот процесс подробнее (рис. а).
При вращении щетки ворс 3, достигая стопора 6 (положение АС), останавливается в точке С, а в точке А продолжает вращаться вместе с диском 2, в котором он закреплен. При этом ворс изгибается (деформируется). В положении АС ворс достигает максимального изгиба, после чего его конец в точке С освобождается от стопора и ворс начинает быстро выпрямляться до положения АВ.
Для проверки достоверности предложенного технического решения в статье сделана попытка определения линейной скорости свободного конца деформированного ворса после его высвобождения. При этом необходимо было решить задачи по определению зависимости потенциальной энергии деформации ворса от величины прогиба и линейной скорости разгибающегося ворса.
На данном этапе этого исследования использовалась теория чистого плоского изгиба консольного стержня (балки) при малых деформациях.
Если представить конечное положение ворса АВ за начальное, то положение ворса АС является результатом воздействия стопора на свободный конец ворса с определенной силой. Такое представление взаимодействия вращающегося ворса со стопором можно интерпретировать как плоский чистый изгиб консольно закрепленного стержня АВ под действием сосредоточенной силы Р, приложенной к его концу (рис. б). Такая схематизация позволяет использовать известные зависимости упругого изгиба при условии, что величина прогиба ворса V будет не большой (не более 1/3 длины ворса /).
