CC BY
57
Транспорт
Корректирующее воздействие задается положением рычага РТС, а именно установкой угла фртс [3, 5]. Входящие в состав уравнений (1) и (10) параметры рассчитываются с использованием теоретических предпосылок газовой динамики [1], при переменных значениях координат Х, перемещения клапанов пневмоаппаратов, входящих в состав привода. Площади поперечных сечений дросселей Б01 -Бз2 определяются геометрически, исходя из внутренних объемов [4] и диаметров аппаратов и трубопроводов привода.
При помощи разработанной математической модели пневматического тормозного привода были выполнены расчеты с целью выявления возможности аналитического исследования на её основе динамических характеристик пневматического привода тормозной системы автомобиля КамАЗ-5320 с учетом изменения параметров его технического состояния [2, 3].
Расчеты выполняли численным методом Эйлера с шагом интегрирования Дt = 0,0001 с. Результаты расчетов сравнивали с результатами проведенных экспериментальных исследований динамических характеристик пневматического тормозного привода автомобиля КамАЗ-5320, они приведены на рис. 2.
Анализ результатов расчетов, приведенных на рис. 2., показывает достаточную для решения исследовательских задач точность разработанной математической модели и её адекватность при описании реальных газодинамических процессов в тормозном приводе автомобиля. Поэтому на следующем этапе были выполнены расчеты характеристик газодинамических процессов в первом и втором контурах пневматического тормозного привода автомобиля КамАЗ-5320. Результаты расчетов представлены на рис. 3 и рис. 4.
Представленные на рис. 3 и рис. 4 графики газодинамических процессов в первом и втором контурах ПТП подтверждают корректность математической модели, а также её возможности для расчета фазовых динамических характеристик [2, 3]. Это подтверждает возможность использования приведенной модели в целях разработки новых методов диагностики автомобильных ПТП на основе анализа их фазовых динамических характеристик.
Библиографический список
1. Метлюк Н.Ф., Автушко В.П. Динамика пневматических и гидравлических приводов автомобилей. М.: Машиностроение, 1980. 231 с.
2. Патент № 2139506 РФ. № 97113326/28. Способ диагностирования аппаратов пневматического тормозного привода и устройство для его осуществления. Заявл. 31.07.1997; опубл. 10.10.1999.
3. Патент 2345915 РФ № 2007138376/11. Способ дифференциального диагностирования тормозных систем автотранспортных средств с пневматическим тормозным приводом и устройство для его осуществления. Заявл. 16.10.2007; опубл. 10.02.2009.
4. Патент 2333468 РФ № 2007110450/28. Способ измерения рабочих объемов и проверки герметичности пневматических тормозных камер и устройство для его осуществления. Заявл. 21.03.2007; опубл. 10.09.2008.
5. Федотов А.И., Григорьев И.М. Экспериментальные исследования динамического метода диагностирования автомобильных регуляторов тормозных сил // Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация. 2006. № 3. С. 6.
6. Федотов А.И., Портнягин Е.М. К вопросу о тестовых воздействиях на объект диагностирования // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5 (52). С. 95-100.
УДК 629.113: 62-592.52
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕГУЛЯТОРА ТОРМОЗНЫХ СИЛ АВТОМОБИЛЯ С ЦЕЛЬЮ ЕГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
1 9
© А.И. Федотов1, Е.М. Портнягин2
Иркутский государственный технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Изложены результаты аналитического исследования динамических характеристик регулятора тормозных сил (РТС) автомобильного пневматического тормозного привода (ПТП) с целью разработки метода его диагностирования. Приведено подробное описание математической модели РТС пневматического типа. Доказана возможность и перспективность использования фазовых динамических характеристик РТС автомобильного ПТП для целей его диагностирования.
Ил. 4. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: регулятор тормозных сил; пневматический тормозной привод; диагностика; фазовая динамическая характеристика; автомобиль; математическая модель; газодинамические процессы; аналитическое исследование; давление.
1Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры автомобильного транспорта, тел.: (3952) 405358, e-mail: fai@istu.edu
Fedotov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: (3952) 405358, e-mail: fai@istu.edu
2Портнягин Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, тел.: (3952) 405689, e-mail: v02@istu.edu
Portnyagin Evgeny, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: (3952) 405689, e-mail: v02@istu.edu
STUDYING PHASE DYNAMIC CHARACTERISTICS OF VEHICLE BRAKE FORCE REGULATOR FOR DIAGNOSING A. I. Fedotov, E. M. Portnyagin
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article presents the results of analytical studying the brake force regulator dynamic characteristics of an automobile pneumatic brake drive (PBD) in order to develop its diagnosing method. A detailed description is given to the mathematical model of the brake force regulator (BFR) of a pneumatic type. The article proves the opportunity and prospects of using BFR phase dynamic characteristics of the automobile pneumatic brake drive for its diagnosing.
4 figures. 9 sources.
Key words: brake force regulator; pneumatic brake drive; diagnostics; phase dynamic characteristics; automobile (vehicle); mathematical model; gas-dynamic processes; analytical research; pressure.
Подавляющее большинство современных большегрузных автомобилей и автобусов оснащено пневматическим тормозным приводом (ПТП). Регулятор тормозных сил (РТС) является одним из наиболее ответственных аппаратов привода. Качество его работы определяет качество процесса торможения автомобиля. Как показывают исследования [1], в процессе эксплуатации в РТС возникают неисправности, искажающие его функциональные характеристики, а следовательно, и показатели процесса торможения автомобиля.
К РТС предъявляется ряд требований, наиболее важными из которых являются следующие: обеспечение следящего действия по входному давлению и по положению рычага управления; высокое быстродействие; герметичность. В настоящее время качественная и количественная оценка соответствия предъявленного РТС вышеназванным требованиям производится на основе его статических характеристик, без учета быстродействия. Поэтому представляет практический интерес оценка влияния различных эксплуатационных неисправностей на динамические показатели РТС с учетом следящего действия и герметичности.
Анализ работ [2,3,4,5,6,7,8 и др.] показывает, что для решения поставленной задачи целесообразно
использовать методику, предложенную в работе [1]. Поэтому на первом этапе было разработано описание динамики перемещения элементов регулятора с учетом действия эксплуатационных факторов (преднатяга пружин, сил трения). На втором этапе разработано описание исследуемых газодинамических процессов с использованием методики [3].
Уравнения динамики перемещения элементов РТС составлены в соответствии с его расчетной схемой, представленной на рис. 1.
Основными силами, действующими на элементы РТС, являются:
- силы инерции подвижных частей (поршней)
ё 2Х,
dt2
- сила давления воздуха
-
P. ■-D.2; г л г
- силы упругой деформации пружины Спр (5пр +Х);
- силы трения Ртрі ;
- сила тяжести подвижных элементов т,д . Регулирующее воздействие задается в виде текущего значения угла поворота ф рычага 9 (рис.1) регулятора тормозных сил.
Рис. 1. Расчетная схема регулятора тормозных сил
m
Рис. 2. Расчетная схема для определения активного диаметра диафрагмы РТС
С учетом принципа Даламбера и конструкции двухсекционного тормозного крана были составлены уравнения равновесия для трех степеней свободы его элементов.
Получена следующая система уравнений:
т
2~(ВДА 2 _ Вкл2 ) +
(1)
аг2 1 4
+ т1 • g _ Ртр1 • Э^Х^) _ Рт рн • Э^Х^) _ _ Спр • (^гР1 + Х1 _ Х2 ) _ РТ ;
а2 х 2 * - -
тт-----— = Р— (Вт _ Вкл2 ) + т • g +
аг2 4
+ Ртр2 • 8§п(Х^2) + Р і;
X з = I • tgф(t),
где Х, - координаты перемещений поршней и клапанов (начало координат совпадает с их положением в исходном состоянии); Р1 - давление воздуха внутри РТС; Р2 - давление воздуха на выходе РТС; т, - массы поршней и клапанов; Спр,■ - жесткости пружин; Зпр, -величины упругой деформации преднатяга пружин; Е,
- усилия, действующие от элементов пневмоаппарата; I - расстояние от оси толкателя до оси поворота рычага.
Силы трения Етр между деталями РТС моделируются в соответствии с методикой [8].
Математическая модель должна учитывать особенность конструкции РТС, а также изменение активного диаметра Ода диафрагмы 2 (рис.2), величина которого является функцией текущей координаты Х1 поршня 5. При расчете диаметра Ода учтено взаимное положение поверхностей конуса поршня (образующая АВ) и конуса корпуса РТС (образующая ЕС).
Для нахождения длины линии ОЫ = 1 (Х1) достаточно рассмотреть тригонометрические соотношения
в двух прямоугольных треугольниках ОЫС и ОЫВ: СЫ = ОЫ ^д С, ВЫ = ОЫ ^д ХНо, как следует из расчетной схемы (рис. 2):
СЫ + ВЫ = Х1, тогда Х1 = ОЫ ^д С+ ОЫ ^д %,
X1
он = -
(2)
С учетом выражения (2) запишем уравнение для расчета активного диаметра диафрагмы Ода в окончательном виде:
гл _ гл 2 X і
Ода — Бін +----------------. (3)
Ш + Ъх
В соответствии с задачами моделирования выходными параметрами уравнений (1) и (3) являются текущие значения координат перемещения нагнетательного и атмосферного клапана 6 (см. рис. 1).
Для вывода уравнений газовой динамики регулятора воспользуемся методикой [3]. Для этого представим пневматическую схему экспериментальной диагностической установки [1] в виде эквивалентной схемы (рис. 3), состоящей из звеньев «дроссель-емкость».
Подающий контур установки представлен в виде накопительного узла 1, обеспечивающего в любой момент времени стабильное давление Рвх на входе РТС.
Нагнетательный клапан подачи рабочего тела на выход испытуемого пневмоаппарата представлен в виде дросселя, имеющего переменные площадь поперечного сечения и коэффициент расхода
Рис. 3. Эквивалентная пневматическая схема для расчета газодинамических процессов в
регуляторе тормозных сил
Схема (рис. 3) для расчета газодинамических процессов двухсекционного тормозного крана представлена в виде пары регулируемых дросселей (входного и выходного). Входные полости РТС имеют внутреннюю емкость V-!, а приемный ресивер 2 имеет емкость Vп. Атмосферное давление на выходе РТС обозначим как Р0.
Для описания газодинамических процессов в ходе работы регулятора тормозных сил составлены дифференциальные уравнения наполнения:
йР і
&
йр2
к^0 Б оVк р Р 0 . Р1 Р 0
-------------• А • ■
V і
кЦ2Б2Укр Ро
&
Уп
• А •
ВРі
Р2
Р0
Р0
(5)
ВР 2 _ Р
где к - показатель адиабаты; укр - критическая ско-
рость, причем V
кр
йР і к^о Б оVк р Р вх . Р вх Р і
----=--------------• А-----------
& V і
йР2 к^\Б\Укр Рі
&
Vп
ВР вх _ Р і Рі _ Р2
(4)
ВРі _ Р2
а также опорожнения РТС и приемного ресивера:
4шг ; Я - газовая постоянная
для воздуха, Я=287,14 м2/(с2 -К); Т - абсолютная температура воздуха перед дросселем, Т = 293 К.
Входящие в состав систем уравнений (4) и (5) параметры А и В определяют сдвиг горизонтальной и вертикальной асимптот гиперболы:
л
В-1 '
величина Л характеризует форму гиперболы.
Параметр В находится по методике [3] из соотношения времен наполнения и опорожнения 10 емкостей через соответствующий дроссель, под которыми понимается время изменения давления в емкости на 90% от рабочего диапазона полного изменения дав-
0
О 0,2 0,4 0,6 0,8
Рис. 4. Фазовые динамические характеристики РТС, полученные при варьировании силы трения
его верхнего поршня
ления. Полученные на экспериментальном исследовательском комплексе [2] значения 1н и 10 были использованы для получения коэффициентов расхода л, для режимов наполнения и опорожнения, которые определялись по выражениям [3]:
juv = 3,49 •lO
-3 V-lV • k .
s, • t,. кн;
г = 5,92 •lO-
J1i
Kt + V S2i ' t0
(6)
где кн1 = 1,89 и ко1 = 1,87 - для клапана S1 кн2 = 1,86 и ко2 = 1,99 - для клапана S2.
Разработанная математическая модель РТС легла в основу программы, написанной в среде «Turbo-Basic». В качестве исходных данных для расчетов были приняты: Рех = 735498 Па; Р0 = 0; V1 = 98 • 10-7 м3; V„ = 15 • 10-4 м3; D1H = 5,2 • 10-2 м; D2h = 4,2 • 10-2 м; D2bh= 3,2 • 10-2 м; Dm= 1,2 • 10-2 м; Snp1 = 6,0 • 103 м; m1 =
9,1 - 10-2 кГ; т2 = 6,0 - 10-2 кГ.
Решение уравнений (1) - (6) математической модели выполнялось численным методом Эйлера. В качестве входного сигнала моделировалось изменение давления на входе Рвх = 1 (I) в РТС (динамический режим) при фиксированном значении угла поворота управляющего рычага ф =16о. В качестве выходного сигнала рассчитывались значения выходного давления и строилась зависимость Р2 = 1 (Рвх). Поскольку, как показывают исследования [8], именно эти зависимости несут в себе диагностическую информацию. В процессе расчетов варьировались значения силы трения верхнего поршня РТС в диапазоне от 0 до 500Н.
Результаты расчетов приведены на рис. 4 в виде фазовых динамических характеристик.
Разработанная математическая модель РТС учитывает изменение параметров его технического состояния, позволяет исследовать закономерности их связей с диагностическими параметрами и на этой основе разрабатывать методики диагностирования регуляторов тормозных сил ПТП автомобилей.
Библиографический список
1. Способ диагностирования аппаратов пневматического тормозного привода и устройство для его осуществления: пат. 2139506 Рос. Федерация. № 97113326/28; заявл. 31.07.1997; опубл. 10.10.1999.
2. Способ дифференциального диагностирования тормозных систем автотранспортных средств с пневматическим тормозным приводом и устройство для его осуществления: пат. 2345915 Рос. Федерация. № 2007138376/11; заявл. 16.10.2007; опубл. 10.02.2009.
3. Метлюк Н.Ф., Автушко В.П. Динамика пневматических и гидравлических приводов автомобилей. М.: Машиностроение, 1980. 231 с.
4. Жестков В.В. Математическая модель сложного пневматического тормозного привода // Исследование силовых установок и шасси транспортных и тяговых машин. 1981. Вып. 246. С. 35-38.
5. Федотов А.И., Портнягин Е.М. К вопросу о тестовых воздействиях на объект диагностирования // Вестник Иркутско-
го государственного технического университета. 2011. №5(52). С. 95-100.
6. Бартош П.Р. Исследование динамики и повышение быстродействия пневматического тормозного привода большегрузных прицепов: автореф. дис. ... канд. техн. наук (05.05.03) / Бел. политехн. ин-т. Минск, 1977. 19 с.
7. Герц Е.В. Динамический расчет динамических дискретных приводов // Пневматика и гидравлика. М.: Машиностроение, 1973. Вып.1. С. 17-33.
8. Федотов А.И., Григорьев И.М. Экспериментальные исследования динамического метода диагностирования автомобильных регуляторов тормозных сил // Социальноэкономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация. 2006. №3. С. 6.
9. Способ измерения рабочих объемов и проверки герметичности пневматических тормозных камер и устройство для его осуществления: пат. 2333468 Рос. Федерация. № 2007110450/28; заявл. 21.03.2007; опубл. 10.09.2008.
з
