Моделирование управляемого движения гусеничной машины с двухпоточной трансмиссией Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.4075

МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ДВИЖЕНИЯ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ С ДВУХИОГСЧНОИ ТРАНСМИССИЕЙ

Б.И. Кальченко, проф., д.т.н., Национальный технический университет «ХИИ», г. Харьков

Аннотация. Приведена комплексная матгматическая модель процессов разгона и поворота гусеничной машины с двухпоточной трансмиссией, которая включает описание двигателя внутреннего сгорания, трансмиссии, взаимодействия колес с опорной поверхностью и учитывает силу тяги и буксование движителя.

Ключевые слова: математическая модель, разгон, гусеничная машина, двигатель, трансмиссия, динамика.

МОДЕЛЮВАННЯ КЕРОВАНСГО РУХУ ГУСЕНИЧН01 МАШИНИ

з двопотоковою тРАнсмтаею

Ы, Кальченко, проф., д.т.н., Нащональний техшчний ушверситет «ХПЬ», м. Харкав

Анотащя Наведено комплексну матгматичну модель npoijecieразгону i повороту гусенично'1 машини i3 двопотоковою трансм1аею, яка включае опис двигуна внутршнъого згоряння, тран-CMicii, взсемодп колю з спорною поверхнею i враховуе силу тяги та буксування руиая.

Климов слова: математична модель, разгт, гусенична машина, двигун, трансм1ая, динсмка.

SIMULATION OF CONTROLED MOVEMENT OF TRACKED VEHICLES WITH A TWO-STEP TRANSMISSION

B. Kalchenko, Prof., D. Sc. (Eng.), National Technical University «KhPU», Kharkiv

Abstract. Acomplex mathematical model of acceleration and turning of tracked vehicles with two-step transmissions, which includes a description of the internal combustion engine, the transmission, the interaction of wheels with the bearing surface and considers the thrust force and slipping of the engine, is carried out.

Key words: mathematical model, acceleration, tracked vehicle, engine, transmission dynamics.

ЕЬедение

Тракторы Т-150, Т-200, Т-150К, Т-200К, М13-80, К-700 и другие зарубежные аналоги в схеме силовой передачи имеют основную (главную) муфту и фрикгронные муфты коробки передач. В этом случае возможно различное сочетание их включения для осуществления разгона, а также выполнения поворота на гусеничной машине. В последнем случае одни и те же фрикцронные муфты могуг работать в режимах разгона и поворо-

та. В связи с этим актуальными являются исследования данамики силовой передачи гусеничной машины с друхпоточной трансмиссией при неустановившихся режимах дрижения.

Анашв публикаций

Анализ схем силовых передач отечественных и зарубежных гусеничных тракторов, оборудованных трансмиссиями с переключением передан на ходу с помош&ю фрикцронных

муфг и имеющих разделение сигового потека в коробке передач, показал, что на сельскохозяйственных машинах подобные схемы не применялись. Схема силовой передачи тракторов Т-150 имеет основную (главную) и фрикцронные муфты передач. В этом случае возможно сочетание включения фрикционных муфг для осуществления разгона и поворота машины, т.е. одра и га же муфта может использоваться для ее разгона и поворота кинематическим и силовьм способами.

Вопросы, связанные с разгоном и поворотом гусеничных машин в различных условиях дрижения, освешены в трудах Аврамо-ва В.Н, Гуськова В.В., Грунаэра Л А, Греде-скула AR, Забавникова H.A., Коденко МН, Кугькова Г.М., Фаробина ЯЭ., Шепе-ленко Г.Н и др. авторов.

Одцако, в зависимости от цели исследований, принятой расчетной модели и применяемого математического аппарата, в этих работах принимался рдц допущений, требую-шцх уточнения, а метода исследований -дальнейшего развития.

Цель и постановка залачи

Целью данной работы является описание и исследование дцнамики разгона и поворота гусеничной машины с друхпогочной трансмиссией при выполнении транспортных и полевых работ; подготовка рекомецааицй по выбору параметров конструкции и рекомендации по эксплуатации этих машин. Для достижения поставленной задачи была разработана комплексная математическая модель процессов разгона и поворота, включающая описание дригателя, трансмиссии, взаимодействия с опорной поверхностью, силу тяги и буксования.

Моделирование управляемого движения гусеничной машины с друхпоточной трансмиссией

^тематическая модель машинного агрегата включает в себя описание дригателя с системой автоматического регулирования, трансмиссии, условий работы дригателей и внешней нагрузки. При разработке модели агрегата предусмотрена возможность имитацци переходных процессов, возникающих при работе агрегата во время проведения полевых и транспортных работ.

№шинно-тракгорный агрегат был предлав-лен восьмимассовой динамической системой с переключаемыми на ходу узлами левого и правого потоков коробки передач (рис. 1).

Параметры агрегата и основные характеристики внешней нагрузки определены в результате обработки данных эксперимента, проведенного в лабораторных и полевых условиях.

Рис. 1. Расчетная динамическая система: Мр, Мл, М>1П, Мага Мат, Мат, Мфп, М?п, Мш, Мт - моменты дригателя, главной муфты сцепления, фриктронных муфг передач, сцепления дригателя трактора с грунтом и от сил сопротивления дриже-

НИЮ; 1д, 1д1, 1м, 1пП, 1пЛ, 1врП, 1врЛ, 1аП, 1аЛ -

приведенные моменты инерцци масс дригателя, муфты сцепления, деталей правого и левого потоков коробки передач и главных передач, правой и левой конических передач, половин поступательно дрижушцхся масс трактора и агрегата; фд, фц1, фм, ф1, фпП, фпЛ, ффП, фврП, фап, фзл - угловые перемещения сосредоточенных масс; С1, Сг, Сз - крутильные жесткости участков валопровода; фщ, Фвп, Фщ Фвл - фрикцронные муфты коробки передач; нп, 1вп, Нл, 12л - передаточные отношения между валом дригателя и вторичными валами правого и левого потоков коробки передач

В обшем случае дрижение масс принятой динамической системы описывается даффе-ренцральными уравнениями:

!дгфд 1=мд-мл/; (1)

•• • •

1м -Фд/ =Мм -Сх(Фм -ср1)-у|я1(фА/-ф1); (2)

МФП = с2гп(Ч>1 "'яФтП) + УтМ<?1-*п Фтл) ;(4)

• •

МФЛ = с2гл(ф1 -^лФшл) + ^лСФ!"^ Фшл) ; (5) • • • •

1пП -ФпЛ = ОП(Ф1 "'пФпд) + Ут1гп(ф1_гп Фпл) "

• •

-С3 (Фшл - ФврП ) - ут2 (Фтп " ФврП ) 5 (6)

1шл • Фшл = Сг/дСф! -г'лФшл) + (Ф1-

• •

^ ФшЛ > " С3 (ФтЛ " ФврЛ ) " (ФпШ " ФврЛ ) ; (7)

-1

:врП ' ФврП = СЪ (ФпЛ ~ ФврП ) + • •

+ Ут2 (ФпЛ " ФврП ) " МФП 5 (8)

^рЛ'Фш =Сз(фтЛ-фврЛ) + • •

+ Ут2(фтЛ-фврЛ)-МфЛ ; (9)

1аП'Фл=М<рП-^НП; (Ю)

^Л'ФаЛ =М<РЛ-^НЛ- (П)

Приведенная динамическая система позволяет исследовать разгон на главной муфте сцепления, разгон на фрикцронных муфтах коробки передач, повороты силовым и кинематическим способами, переключение передан на ходу и процессы, вызванные внешними возмущениями.

Разгон на главной муфге сцепления

Процесс разбивался на дра этапа. На первом этапе главная муфга сцепления буксует. В этом случае уравнения (2), (3), (4), (5), (6) и (7) имеют вцд

1м 'Фм =мм ~ксМм -'ш -Фтп)~

ш! (Фм- •Фил) •2

Чп

-кс1(Фм-г1л-Фил)-Ут1(фм:211л'ф"'л); (12)

Чп

^ ' ФтП = КС1 ■ Чп (ФМ " *1П ' Ф«Л ) + (ФМ~

- + ^С2(фИ!Л-фИ!П)-

А1П

+

~СЪ (Фшп " ФврП )-ут2(фтП- ФврП )> (13)

!щл • Фшл = Кс\ ■ Чл (Фм - Чл ■ Ф»л) + Ут1(фм-11Л-фтЛ)

- + ^С2(ФИ!П-ФИ!Л)-

4Л

-С3 (фтЛ " ФврЛ ) " Ут2 (ФшЛ " ФврЛ ). (I4)

где Кс1 и Ка - приведенные крутильные жесткости.

Второй этап разгона начинается с момента замыкания главной муфты сцепления и продолжается до выхода агрегата на режим установившегося дрижения. При этом уравнения (1) и (2) заменяются уравнениями

!д -Фд =мд -^сл(фд -'ш -фтП)-Ут1(фд-1Ш-фшп)

• 2 1ш

■-^С1(фд-г1л-фтл)-

уш1(Фд-11л-Фшл)

(15)

1Л

Разгон на деух фрикционных муфгах левого н правого потоков коробки передач

Так же, как при разгоне на главной муфте сцепления, процесс рассматривается в дра этапа. На первом этапе фрикцронные муфты коробки передан буксуют. В этом случае

уравнения (1), (2) и (3) получают вцд •• • •

!д -Фд =Мд "С1(Фд -Ф1>-'^(Фд-Фх); (16)

11П Х1Л

Второй этап описывается так же, как и при разгоне на главней муфте сцепления.

2

Разгон с одновременным включением фрикционных муфт двух передач левою н правою потоков коробки передач

На первом этапе фрикцронные муфты первой и второй передач коробки передач буксуют. В этом случае уравнения (2), (3), (4), (5) заменялись уравнениями

М,

М,,

\

ф1п | ^ф2п

V. чп

+

+

МФ1Л , МФ2Л

V 4л

2П У (18)

2 Л У

МФШ +МФ2П = С2 ~Чп -Фпл ) +

(Фх Чп •Фшп); (19)

МФ1Л + МФ2Л = С2~Чл -Фтл) +

(Фх

1л 'фтл)- с20)

Уравнение (1) описывалось уравнением (16).

Второй этап разгона начинается с момента замыкания фрикцронных муфт передач левого и правого потоков коробки передач и выключения фрикцронных муфт вторых передач. Движение динамической системы описывается подобно разгону на главной муфте сцепления.

Разгон с одновременным включением главной н фрикционных муфт передач

Рассмотрены три случая разгона системы в зависимости от закона включения муфт. Первый - когда темп включения главной муфты сцепления существенно выше темпа включения фрикцронных муфт передач.

Второй - когда темп включения главной передачи и фрикцронных муфт одрнаковы

Третий - когда темп включения фрикцронных муфт выше темпа включения главной муфты сцепления.

В обшем случае для первого этапа разгона агрегата, когда буксуют главная муфта сцепления и муфты передач, дрижение дрнамиче-ской системы описывается уравнениями (1)-(11).

Второй этап после замыкания главной муфты и фрикцронных муфт передач описывался подобно разгону агрегата на главной муфте сцепления.

Поворот силовым способом

^следование проводрлось в дра этапа. На первом этапе буксует фрикцронная муфта коробки передач правого или левого потоков. Второй этап поворота начинается с момента замыкания фрикцронных муфт и продолжается до выхода агрегата на режим установившегося дрижения.

При описании дрижения дрнамической системы на первом этапе уравнения (1), (2), (3), (4), (5), (6) и (7) заменялись следуюшрми уравнениями:

!д -Фд =Мд ~КС5(Фд -'шФ^л)" Ут1(фд-11лфшл)

-Ксь-ЧпМФШ1 (21)

Мл

^тП ФтП =МФШ-Сз(фтП-фврп)-

-Ут2(фшп-фврп); (22)

1шЛ •1Фшл = КС5 ■ Чл (фд " 'шФ^Л ) + , Ут1(фд-11лфш)

■ + КсГМФШ-

Х1Л

~СЪ (ФшЛ " ФврЛ ) " Vm2 (ФшЛ " ФврЛ )• (23)

Второй этап (после замыкания фрикцрона муфты) описывается подобно разгону агрегата на главней муфте сцепления.

Поворот кинематическим способом

Аналитическое описание процесса переключения передач при повороте кинематическим способом проводрлось согласно принятой схеме (рис. 1) с использованием метода теории силового потока, разработанного A.C. Антоновым.

При этом, в соответствии с режимом дрижения, принималось допущение, что главная муфта сцепления и фрикцронная муфта Ф^ левого потока коробки передач замкнуты и не буксуют (рис. 1). Процесс переключения

2

передач на ходу при повороте кинематическим способом описывался в четыре этапа.

Первый этап начинается с мсмента выключения муфты Фщ и одновременного включения муфты Фвп и продолжается до времени, при котором момент Мши достигает значения, необходимого для преодоления момента сил сопротивления дрижению Мш на отключаемом боргу. На этом этапе муфта Фщ замыкается и не буксует, муфта «¿вп - буксует при включении. ^Ъжду валами 1, 2 и 3 (рис. 1) существует жесткая кинематическая связь. При описании дрижения системы на этом этапе в системе уравнений (1)—(11) выражения (1), (2), (3), (4), (5), (6) и (7) заменялись следующими уравнениями:

!д -Фд =МД -^сл(фд -''шФтп) -^(Фд-^пФшп)

--^сГ(фд-*1лФтл)-

1П

т1 V т д ^лФшл) К^МФ2П. (24)

11Л

*2П

+

1шП ■ФшП = КС1- Чп (фд " 'шФтП ) + Уш1(Фд-1шФшп)

тЛ

1П

(

+м.

Ф2П

1,

Л

1 -кС2^

v 121и

+

Сз(фшП-фврП)-

Ут2(фшП-фврл); (25)

!шл -Фшл =КС1 ^1л(Фд "/1лФтл) + ^т! (фд Л ФтЛ )

1Л

КС2 'МФШ —-Сз(фИЛ -Фврп)

12П

-Ут2(фтЛ-фврп)-

(26)

Второй этап характеризуется тем, что муфта Фщ ешр не выключена, а муфта Фж буксует. Переключение передач в этом случае происходит в режиме циркуляции мощности При описании этого этапа в уравнения (24), (25) и

(26) перед

выражениями

С2 1У±Ф2П

12 П /

11П

12 П

И

М,

Ф2 П

1-Кс 2

v 12 П

—меняется знак.

На третьем этапе под действием избыточного момента трения буксуюшрй муфты происходит изменение кинематического передаточного отношения от Т_1п до Т_2п. Этап заканчивается в момент замыкания дисков муфты Ф_2п. На этом этапе в системе уравнений (1)—(11) выражения (1), (2), (3), (4), (5), (6) и (7) принимают вид

1 д • фд = Мд - КС5 (фд " 'шФтП ) "

УддСФД-^ЛФШД)

' Чл

Чл

МФШ +

1П

•М„

2П

; (27)

^тП * ФтП =МФШ+МФ2П-Сз(фшП-фврп)--Ут2(фшп-фврп); (28)

!шЛ ■'Фшл = ^С5/1л(Фд -^1лФ»л) +

Ут1(фд-11лфшл)

-К,

с7

1Л

М„

1П

М„

~СЭ (ФтЛ " ФврЛ ) " Ут2 (ФтЛ " ФврЛ )• (29)

На четвертом этапе муфта Фвп замкнута, муфта Фщ выключена или буксует. На вторичных валах коробки передач включены разные передачи, тракторный агрегат осуществляет поворот кинематическим способом. При описании дрижения системы на этом этапе выражения (1), (2), (3), (4), (5), (6) и (7) заменяются уравнениями

!д -Фд =МД -^4(фд -^шФтп)-

Ут1(фд-12пфщл) • 2 Ьп

- Ксз -\1П 4рд -^лРтЛ

2

2

ш1 (Уд-^лФшд) , г/- -2 • лж .

Г2 СЮ 2П 1Л Ф1П' У^

1Л

^ • ФшП = (фд " ЪпФшЛ ) +

+

уш1(фд-12пфшп)

+

2П

+КС412П( фтЛ/ш фтпг2п)

+1); (31)

!тЛ ' ФшЛ = ^С4(Фд -г1лФИл) +

УШ1(ФД-11ЛФшл)

1л

+^С4(фИПг2П ~ ФтЛгш) + КС\\-1

2 -Д^ФШ ^22)

2П

А1П

Крутящий моменг дригателя описывается нелинейной функциональной зависимостью от частоты вала двигателя и положения рейки топливного насоса Мд= /(фд,йд), а моменты трения, передаваемые муфтами коробки передач и главной муфтсй сгепления, в зависимости от задач исследсвания, описывались по прямолинейному закону, заксну экспоненты и закону степенной зависимости [ 1].

Мженты сил сопротивления дрижению на правом и левом ведушцх колесах описаны из условий обшего случая неравномерного дрижения трактора по криволинейной траектории. Изменения тягового сопротивления и сопротивления передрижению трактора описываются функцией скорости его дрижения и радцуса поворота [ 1].

Мэменг сцепления дрижителя трактора с грунтом (Щ) описан следующим уравнением с учетом буксования дрижителя при неустановившихся режимах дрижения

Мщ = ^пАкФмакс Х

ак| Р1+К/2+т1

(IV (Й

2 ¿V

Ъб ъ + ку'+т,

(33)

где вщ и щ - вес и масса трактора; Я® - ра-даус ведушцх колес; ф^ - максимальный коэффициент сцепления дрижения трактора с почвой; аб и Ьб - коэффициенты аппроксимации кривых буксования дрижителя и сопротивления орудия; V - скорость трактора; 5о -показатель, характеризующий нарастание сцепления дрижителя с почвой [2, 3].

Динамические нагрузки, возникающие в силовой передаче трактора, оценивались коэффициентом динамической нагруженности. Нагруженность фрикцронных муфт оценивалась работой буксования [ 1].

На рис. 2 показаны переходные процессы разгона пахотного агрегата на главной муфте сцепления и фрикционных муфтах передач правого и левого потоков коробки передач. Анализ результатов исследований показывает, что разгон тракторного агрегата на муфтах передач по сравнению с разгонсм на главной муфте сцепления при прочих равных условиях позволяет уменьшить суммарную работу буксования в среднем на 23 % а величину динамических нагрузок - на 12 %

Эффективность разгона на фрикционных муфтах передач объясняется тем, что в этом случае осуществляется разгон меньших ведомых масс. Следовательно, происходит разгон агрегата до установившегося дрижения с меньшей затратой энергии и меньшей работой буксования фрикционных муфт. Кинетическая энергия ведушцх масс при разгоне агрегата на муфтах передач больше, чем при разгоне на главной муфте. В связи с этим происходит меньшее понижение частоты врашения вала дрижителя в переходном процессе.

На рис. 3 показан переходный процесс, полученный при исследовании поворота пахотного агрегата силовьм способом. Исследования процессов поворота тракторного агрегата проведены при различном времени выключения и включения фрикционных муфт, а также при различных законах изменения моментов трения. Анализ исследования процессов разгона и поворота трактора показал, что наиболее рациональные показатели динамических нагрузок в силовой передаче и работы буксования муфт для трактора Т-150 обеспечиваются при времени их выключения в пределах 0,4-0,6 с и времени их выключения в пределах 0,5-0,7 с.

о

о

2400 п,

об/мин 1600 1200 800 400 0 140

Н

кгсм 80

40 0

--- л >ь,= %

V' / Пфш =ПФ1

V \

щ / г'

/ -- По 1 Пои

Ч. 1 Миекс

м, \ / И 1Пшкс ' 14,г х

—"ч 1 1 ^ К,

Ми УЛ

-V к |

0,4 0,8 1,2 1,6 2 1,с 2,<

Рис. 2. ГЪреходные процессы, полученные при исследовании разгона тракторного агрегата на главной муфте сцепления (- -) и на фрикцронных муфтах правого и левого потоков коробки передан: пд, пм, Пф1л, Пфщ - частоты врашрния валов дригателя, муфты сцепления и вторичных валов КПП

Рис. 3. ГЪреходцый процесс, полученный при исследовании поворота пахотного агрегата силовым способом

Наилучшие показатели указанных критериев обеспечиваются при экспоненциальном законе изменения моментов трения муфт, наихуддие - при изменении по вогнутой квадратичной зависимости. Данные исследования позволили выработать рекомендации по определению параметров фрикцронных муфт коробки передач, работающих в режиме разгона и поворота.

В результате теоретических исследований установлены основные закономерности, описывающие обшцй случай дрижения (разгон, поворот и др.) скоростного гусеничного трактора. Аналитические зависимости учитывают:

- крутильную жесткость деталей силовой передачи и ее демпфирующее свойства;

- буксование гусеничных дрижителей при неустановившихся режимах дрижения;

- изменение тяговсго сопротивления в функции скорости дрижения;

- изменение сопротивления передрижению трактора в функции скорости его дрижения и радиуса поворота.

^тематическая модель тракторного агрегата позволяет исследовать следующее переходные процессы:

- разгон на главной муфте сцепления;

- разгон на фрикцронных муфтах передан;

- разгон при одновременном включении главной муфты и фрикцронных муфт передач;

- поворот силовым способом;

- поворот кинематическим способом.

^следования процессов разгона тракторного агрегата при различных схемах включения фрикцронных муфт показали:

- разгон на фрикцронных муфтах передач правого и левого потоков коробки передач при прочих равных условиях характеризуется снижением, в среднем на 25 % суммарной работы буксования и до 12 % коэффициента дрнамических нагрузок по сравнению с разгоном на главной муфте сцепления. Работа буксования каждой из друх фрикцронных муфт почти в 2 раза меньше работы буксования главной муфты. Разгон по такой схеме включения фрикцронных муфт гусеничного трактора является наиболее перспективным;

- разгон на одновременно включаемых друх фрикцронных муфтах смежных передан пра-

вого и левого потоков коробки передач при прочих равных условиях характеризуется снижением почти в 4 раза работы буксования каждой из муфт в сравнении с разгоном на главной муфте сцепления. Разгон по такой схеме также является перспективным на ходу с помощю фрикционных муфт; расположенных на друх выходцых валах;

- разгон на одновременно включаемых главной муфте и фрикционных муфтах передач правого и левого потоков коробки передач при прочих равных условиях характеризуется примерно равной суммарной работой их буксования в сравнении с разгоном на главной муфте сцепления. Работа буксования главной муфты сцепления в этом случае на 34 % а коэффициент нагрузок - на 18 % ниже, чем при разгоне только на главной муфте сцепления. Вместе с тем разгон по этой схеме является наименее перспективным из-за сложности обеспечения синхронного включения муфт с механическим и гидравлическим приводами управления.

Исследования процессов разгона трактора на фрикционных муфтах передач потока коробки передач, а также процессов его поворота силовым способом показали, что:

- наиболее рациональные показатели динамических нагрузок в силовой передаче и работы буксования муфт обеспечиваются при времени их выключения в пределах 0,4-0,6 с и времени их включения в пределах 0,5-0,7 с;

- наиболее рациональные показатели динамических нагрузок в силовой передаче и работы буксования обеспечиваются при экспоненциальном законе изменения их моментов трения, наихуддие - при изменении по вогнутой квадратичной зависимости.

При повороте пахотного агрегата кинематическим способом переключением передач на ходу с низшей на вьюшую, в сравнении с переключением передач на вьюшую при прочих равных условиях коэффициент динамических нагрузок растет на 42 % а работа буксования - на 23 % Следовательно, при выполнении энергоемких работ поворот тракторного агрегата кинематическим способом необходимо производить переключением передач с вьюшей на низшую.

Литература

1. Кальченко Б.И Нагруженность трансмис-

сии трактора типа Т-150 при управляемом дрижении на пахоте / Б.И. Кальченко, НЕ Сергиенко // Техтчний сервю агропромислового, люового та транспортного комплексш. - 2016. - №5. -С. 95-100.

2. Коденко МН Динамика управления дри-

жением гусеничних тракторов: монография / Михаил Николаевич Коденко // - X: Вьюшая школа, 1983. - 240 с.

3. Кальченко Б.И. Обоснование и разработка

конструкции колесных тракторов общего назначения и реализация их в серийном производстве: дас ... д-ра техн. наук в форме научного доклада / Борис Иванович Кальченко. - X, 1992. - 67 с.

Рецензент: МА Подригало, профессор, кт.н, ХНДДУ.

Статья поступила в редакцию 27 сентября 2016 г.