CC BY
36
УДК 004.021
Ю.Н. Рыжов, кандидат технических наук Ф ГОУ ВПО Орел гау Е.П. Долгов Орел ГТУ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВО ФРИКЦИОННОМ СЦЕПЛЕНИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ТРАКТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ
В статье рассматриваются базовые принципы моделирования в автоматизированной системе научных исследований. Дается предложение по организации подсистемы моделирования, основанной на иерархическом представлении моделей. Предлагаются инструментальные средства для реализации предложенного подхода. Проводится оценка включения изложенных решений в структуру АСНИ, а также предоставляемые конечному пользователю возможности.
Современное развитие тракторов и автомобилей направлено в сторону увеличения выполняемых ими функций, что неизбежно приводит к увеличению вырабатываемой ими мощности. С другой стороны, существующие тенденции диктуют условия снижения затрат, возникающих при проектировании и эксплуатации данного рода машин. Одним из важнейших компонентов машин, подвергающимся всестороннему анализу, является система силовых передач, обеспечивающая передачу мощности от двигателя к рабочим органам машин. Центральное место среди них занимает привод фрикционного сцепления, поскольку именно он обеспечивает непосредственную связь двигателя с трансмиссией.
К приводу сцепления в связи с этим выдвигается ряд требований. Во-первых, долговечность и надежность работы в сложных условиях эксплуатации. Во-вторых, малые габариты и ресурсоемкость. Первичными факторами, влияющими на определение данных параметров, является собственно конструкция сцепления, используемые при его изготовлении материалы, а также характер самого процесса работы. Для учета их взаимного влияния друг на друга можно использовать стендовые образцы, или же средства автоматизации, в качестве которых наиболее уместны автоматизированные системы научных исследований (АСНИ).
Второй подход, а именно использование автоматизированных комплексов, представляется более выгодным, поскольку не требует больших затрат ресурсов. Кроме того, габариты входящих в привод узлов зачастую не позволяют производить прямых измерений, что неизбежно сказывается на точности результатов. Поэтому наиболее приемлемым решением является использование математического моделирования при исследовании привода сцепления. Именно с его использованием возможно всестороннее рассмотрение интересующих исследователя подробностей.
Таким образом, в структуре АСНИ привода сцепления можно выделить блок моделирования, ответственный за перевод формального описания модели во внутреннее представление системы. В его функции также входит подключение к стендовым образцам, позволяющим делать суждения об адекватности используемых моделей.
Разработка подсистемы моделирования именно для АСНИ предъявляет ряд дополнительных требований. Во-первых, моделирование привода должно осуществляться по некоторой общей схеме, которая известна системе. Во-вторых, у исследователя должна быть возможность взаимодействия с системой. Он должен вносить коррективы в модель, включать в рассмотрение новые модели и т.п. Таким образом, речь идет о едином механизме, используемом для представления данных о реальном мире в автоматизированной системе.
На процесс моделирования также оказывает влияние многогранность исследовательского процесса. В частности, анализу подвергаются как отдельные узлы фрикционного сцепления, так и конструкция в целом. Таким образом, подсистема моделирования в АСНИ должна обладать достаточной гибкостью для представления различных элементов. Помимо этого, между отдельными моделями существуют четко установленные взаимосвязи, известные экспертам данной предметной области, которые необходимо формализовать для отображения в процессе автоматизации.
Учитывая особенности процесса моделирования, предлагается использовать не единую модель привода, а иерархическую структуру моделей, представленную на рисунке 1. В данном случае появляется возможность рассматривать как единичные элементы, так и всю конструкцию на любом уровне детализации. Реализация подобной схемы стала возможна исходя из исследования математических моделей, используемых при описании привода фрикционного сцепления [1].
Узлы представленного графа определяют модели функциональных элементов фрикционного сцепления. Причем речь идет не о конкретной их реализации, а о классе однотипных деталей, для которых могут быть использованы совершенно разные математические модели, однако остаются неизменными получаемые из этих моделей параметры. Так, например, модель диска на своем уровне иерархии не разделяется на модели ведущего и ведомых. Однако в моделях более высоких уровней могут быть учтены как эти факторы, так и количество используемых дисков, их взаимное расположение и влияние, а также конструкция каждого изделия. Модели каждого диска при этом могут существенно отличаться друг от друга, но вычисляемые для них параметры (осевая податливость, температура, коэффициент трения и т.п.) остаются неизменными.
Дуги графа показывают взаимосвязь между моделями, которая наиболее часто выражается в расчете значений в одних моделях и передаче рассчитанных параметров в качестве параметров в другие модели. В наиболее общем случае дуги представляют собой некоторую функциональную зависимость параметров моделей одного уровня представления от моделей другого уровня. Одним из вариантов такой зависимости может быть представление на верхнем уровне иерархии не модели конкретного устройства, а параметрической модели, выражающей некоторые интегральные значения характеристик всего привода сцепления, рассчитываемых на основе моделей составляющих его узлов и механизмов [2].
В зависимости от целей исследования направление передачи параметров может меняться. Так, например, значения, рассчитанные на нижних уровнях с использованием реальных данных, передаются на более высокие уровни иерархии. Возможна и обратная ситуация, когда вначале определятся идеальные условия работы, а затем с помощью полученных данных вычисляются характеристики привода сцепления, удовлетворяющего заданным условиям.
Модель фрикционной накладки
Модель пружины
Модель демпфера
Рисунок 1 - Иерархическое представление моделей, описывающих привод сцепления
Иерархия моделей воспроизводит конструкцию самого фрикционного сцепления, показывая отношения между отдельными его узлами. Это упрощает задачу пользователя АСНИ, поскольку ему в данном случае будет достаточно лишь знаний о предметной области и не требуется дополнительного изучения способов представления данных в системе.
Стоит отдельно подчеркнуть, что структура не является жесткой и может быть модифицирована исходя из условий эксперимента. Ввод используемых математических моделей, организация взаимодействия между ними, а также анализ получаемых результатов выполняется непосредственно исследователем.
Верхний уровень иерархии моделей занимает динамическая схема работы. Именно она позволяет определить действующие на привод в процессе работы силы, а также оценить влияние, оказываемое различными узлами сцепления [3]. Именно с использованием динамической схемы проводится вычислительный эксперимент, являющийся отображением натурного эксперимента.
Представленный подход позволяет также справиться с проблемой недостатка информации об объекте моделирования. В подавляющем большинстве случаев у исследователя нет необходимости знать устройство всех деталей, входящих в привод. В таком случае используются лишь известные факты, обычно выражаемые в терминах некоторых параметров моделей более высоких уровней.
Иерархическое представление моделей в АСНИ в первую очередь позволяет с достаточной степенью детализации спланировать схему проведения вычислительного эксперимента. Каждый узел представляет собой отдельное вычислительное задание, которое может решаться системой обособленно от других. При этом возможно применение
соответствующих методик расчета, наиболее отвечающих критериям исследования. Существенную роль при этом играет внутренний язык представления данных, поскольку составные части АСНИ обмениваются информацией о моделях именно на нем.
Интерфейс пользователя также основывается на иерархическом представлении моделей. Взаимосвязь между ними может быть представлена с помощью графических средств, что позволяет сделать пользовательский интерфейс отдельной подсистемой АСНИ и вести его разработку в собственных терминах, опираясь лишь на общие для всей системы правила представления и передачи данных.
Использование иерархического подхода к моделям, описывающим привод фрикционного сцепления, также
позволяет реорганизовать информационную базу АСНИ. С использованием лексической составляющей все данные могут быть сохранены в наиболее распространенном реляционном формате без использования сложных средств преобразования данных.
С точки зрения структуры автоматизированной системы особое место в ней предназначается модулю управления [4]. Именно на него возлагается задача структуризации имеющихся моделей. Также он будет ответственен за формирование схемы проведения вычислительного эксперимента исходя из заложенных в модели взаимосвязей.
Механизм подключения расчетных модулей к автоматизированной системе также может быть формализован, и осуществляться без участия пользователя. Это возможно благодаря интерфейсной части расчетных модулей, в которой объявляется, какому типу моделей он сопоставляется в терминах используемого языка.
Существенным результатом применения данного подхода является повышение производительности расчетов в автоматизированной системе, поскольку все ее части обмениваются унифицированной информацией о моделях.
Предложенный способ представления
математических моделей в АСНИ привода сцепления позволяет сделать автоматизированную систему наиболее адаптированной к рассматриваемой предметной области. Немаловажен и тот факт, что такой подход в совокупности с языковыми средствами представления реализует один из важнейших принципов, заложенных в АСНИ -многогранность производимых с помощью системы исследований.
Литература
1. Шарипов, В.М. Проектирование механических, гидромеханических и гидрообъемных передач тракторов [Текст] / В.М. Шарипов. - М.: МГТУ «МАМИ», 2002. - 300 с.
2. Долгов, Е.П. Построение математической модели
привода сцепления с гидравлическим усилителем [Текст] / Е.П. Долгов // «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (ИТНОП). Материалы
международной научно-технической конференции: 25-26 мая 2006 г. - Орел: ОрелГТУ, 2006, Т4. - С. 51-53
3. Константинов, И.С., Долгов Е.П., Рыжов Ю.Н. Численное моделирование динамических нагрузок в приводе сцепления с гидравлическим усилителем [Текст]/ И.С.Константинов, Е.П.Долгов, Ю.Н.Рыжов // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2007. -№11 - С.3-8.
4. Долгов, Е.П. Функциональная структура программной составляющей АСНИ привода сцепления [Текст] / Е.П. Долгов // Известия ОрелГТУ. Серия « ундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». - Орел: ОрелГТУ. - 2008 - № 2/270(545). - С. 46-49.
