Постановка задачи оптимизации подвижности транспортно-технологических машин как основного эксплуатационного свойства Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 519.6

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ ПОДВИЖНОСТИ ТРАНСПОРТНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН КАК ОСНОВНОГО ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО СВОЙСТВА

К.А. Яковлев

В статье приводится постановка задачи оптимизации подвижности транспортно-технологических машин в трех концепциях: определения оптимальных эксплуатационных, конструкционных и режимных параметров для обеспечения оптимального уровня подвижности машины

Ключевые слова: транспортно-технологические машины, многокритериальная оптимизация, подвижность машин, эксплуатационные свойства

Любой тип транспортно-технологических машин (ТТМ) обладает определенной группой эксплуатационных свойств, которые определяют качество данной техники. Наиболее общим эксплуатационным свойством является подвижность [1-4]. Структурно эксплуатационные свойства могут быть представлены в виде схемы, показанной на рис. 1.

Подвижность это совокупность свойств ТТМ, характеризующих способность к самопередвижению в заданных условиях или пригодность к перевозке транспортными средствами. Подвижность характеризуют следующие эксплуатационные свойства: автономность, проходимость, быстроходность, динамичность, управляемость, поворотливость, эргономичность, транспортабельность и др.

Управление состоянием машины связано с поддержанием ее жизнеспособности, и главным в этом процессе является обеспечение надежности. В формализованном виде подвижность можно представить как совокупность эксплуатационной и отказной надежностей ТТМ, которые непосредственно связаны с условиями эксплуатации (УЭ).

Условия эксплуатации включают в себя: технические, природно-климатические, дорожнотранспортные характеристики [3-4].

Исследования показали [3-5], что, все эксплуатационные свойства в первую очередь зависят от взаимодействия движителя с полотном пути. Оценка мобильности и построение алгоритмов управления лесотехнической техникой выполняются на основе следующих критериев: 1) по запасу тягового усилия (проходимости); 2) по балансу мощности; 3) по курсовой ориентации (управляемости и маневренности).

1) По запасу тягового усилия. Возможность движения лесотехнических машин определяется

условием ^ Т > ^ Ру , где ^ Т - суммарная

сила тяги;

У р

¿—I Ч'

■ суммарная сила сопротивления

движению. Для оценки мобильности по проходимости можно предложить систему критериев в виде: мощностной функции (запас мощности)

=олул (Фф-Ф / )=и (X к, X,, X р)

или силовой функции (запас тяги)

лР = слК- Ф,)= /р(Xк,Xэ,Xр),

где Сд и V А - полный вес и скорость движения автомобиля соответственно. Здесь Фф - обобщенная функция сцепления движителя с полотном пути; Ф ^ - обобщенная функция сопротивления движению автотракторной техники; А, к - параметры машины, включая и параметры движителя; А, э - характеристики эксплуатационных условий, включая свойства и параметры полотна пути; А р - параметры, характеризующие режимы движения как кинематические, так и силовые. Значение любого параметра А к э р считается критическим с точки зрения

возможности движения машины при АЖ = 0 ,

д р = 0, ДФ = 0.

Для комплексной оценки мобильности ТТМ по запасу тягового усилия в системе "машина-местность" вводится критерий концептуальной рациональности конструкционной конфигурации машины и оптимальной реализации режимов движения по проходимости в данных эксплуатационных условиях

Рф(Фф >Ф /, ^ тХ (1)

Д ф' ф’ ї' ' ХеА

при ограничении д Рф (Фф, Ф ^ , А) > 0

Яковлев Константин Александрович - ВГЛТА, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 53-76-79

Ф -

XS§(Xк, Xэ, Xр).

2) По балансу мощности. Мощностное обеспечение подвижности машины, должно быть сбалансировано как по конструкционным возможностям машины, так и по условиям эксплуатации, что выражается неравенством П™ < 'эу < Wф П™ .

Здесь Пттм - КПД силовой передачи и движителя

машины. Если не будет выполняться левая часть неравенства, произойдет потеря подвижности машины из-за большого внешнего сопротивления движению.

Для комплексной оценки мобильности ТТМ по мощностному балансу в системе "машина - местность" вводится критерий концептуальной рациональности конструкционной конфигурации машины и оптимальной реализации режимов движения по балансу мощности в данных эксплуатационных условиях

ЖІФт, Ф,, тіп

ф' ф’ ' АєЛ

при ограничении

'ф(фф,X)> [ (Ф[,X)+дW(фф,Ф^X)] .

3) По курсовой ориентации. Режим движения ТТМ характеризуется многочисленными показателями, по которым оценивается способность машины к курсовой ориентации и соответствующей ей устойчивости. Одним из показателей можно принять [5] показатель

Фя = X ( 1ЯЬ 1)-1 = Фя ^ = ^ттм Я 1 ), где

X - смещение полюса поворота от линии, перпендикулярной продольной оси машины и проходящей через ее центр масс; а - угол поворота управляющего элемента машины; I - передаточное число механизма поворота; Я - радиус поворота; Ь - база машины; 1 - время реакции на управляющее воздействие.

Для комплексной оценки мобильности по курсовой ориентации в системе "машина-местность" для ТТМ, вводится критерий концептуальной рациональности конструкционной конфигурации машины и оптимальной реализации режимов движения по управляемости и маневренности в данных эксплуатационных условиях

ФЯ (ФФ,Ф/, ^тш, (3)

при условии Ф я (Фф , Ф / , x)< 0,

Для комплексной оценки надежности ТТМ в системе «машина-местность», вводится критерий концептуальной рациональности конструкционной конфигурации машины по надежности и оптимальной реализации режимов движения в данных эксплуатационных условиях для обеспечения номинальной долговечности,

Я (Ф ,Ф тах

у ф’ /! ’ ’ xeл

я (X,г)> Ял (X,г)

где ФФ - обобщенная функция сцепления движителя с полотном пути; Ф / - обобщенная функция сопротивления движению транспортнотехнологической машины, Я (X, 1 ) = Я (1) -

номинальная (фактическая) вероятность безотказной работы машины в реальных условиях эксплуатации, а Я „(X, 1) - предельная вероятность безотказной работы ТТМ в оптимальных (заданных для расчета) условиях работы и технологии изготовления машины. Последняя величина, ее минимальное (предельное) значение может быть получена из со-

отношения Я п( )= \р П

учетом того, что предельная вероятность безотказной работы детали машины, входящей в функцию

Япо [Я пв (?)], согласно [11м] определяется, как:

Я п о (1 )=п 2 н ] + V,2 ){п 2М1 ] +

V.2 )+[п „(1 + V,2 )1]2(5)

, - коэффициент безопас-

Здесь Пп = [<^

ности, а предельные и номинальные напряжения рассматриваются как средние величины для наиболее ответственной или предельно нагруженной детали конструкции машины. Параметры ^[ст] и V -

статистические характеристики предельной (технологической) и номинальной (эксплуатационной) прочности детали.

Рис. 1. Структурная схема эксплуатационных свойств ТТМ

В связи с вышеизложенным имеют место следующие решения поддержания подвижности по мобильности:

1) концепция управления движением

(Xp = var, Xк = const, Xэ = const) для

заданных условий эксплуатации и данной конструкционной конфигурации машины определяются оптимальные режимы управления движением;

2) концепция конструкции машины

(Xк = var, Xр = const, Xэ = const) для

заданных условий эксплуатации и выбранных режимов управления движением определяется рациональная конструкционная конфигурация машины;

3) концепция условий эксплуатации

(Xэ = var, Xк = const, Xр = const) для

данной конструкционной конфигурации машины и выбранных режимов управления движением определяются критические характеристики условий эксплуатации.

Анализ литературы по современной теории движения наземных транспортных средств опорного типа с автономной системой курсовой ориентации [1-5], показал, что авторы в основном сходятся во мнении, что большинство эксплуатационных свойства машин в первую очередь зависят от взаимодействия движителя с опорным основанием. Полагая, что расходуемая на движение мощность есть функция скорости машины W = W (v, Ф ф, Ф f , X),

и показатель курсовой ориентации есть функция от удельного радиуса поворота

ф* =ф* (р, ф„, фf, X), можно сформировать систему целевых функций для постановки задачи многокритериальной оптимизации показателей подвижности лесотехнической техники:

1) Критерий проходимости:

дФ=К-Ф f ) — max

(6)

где характеристики Фф и Ф f называются обобщенными параметрами взаимодействия ТТМ с полотном пути:

обобщенная функция сцепления движителя с

полотном пути Ф ( X ) ^ max

* ф W ХеЛ

Ф =фmax (l - e-ХкХэХ^ ) 0 <Ф < 1

ф ф V /’ ф ’

обобщенная функция сопротивления движе-

Ф f (Х) — min

f У ' ХєЛ

нию машины

Фf = Фmf,n e ХкХэХр^

0 <Фf < 1,

где

Фт i n max (і л 2 Iі max

f =Ф f +X р) ; Ф f - таблич-

ная величина [5];

2) скорость

f

движения

V

(х) —— max

ХєЛ

V

= k (e

-1

k < V < 10 k , (7)

где к - масштабный параметр, выбирается из физически обоснованных предположений о скорости движения машины;

3) относительный радиус поворота

р (Х)^- min

ХєЛ

Р = х эх р х-к1, - 0 <Р<10;

(8)

p (х)

4) вероятность безотказной работы машины

—max

ХєЛ

p = ei, о < p < 1. (9)

Целевые функции (7) - (9) являются зависимыми от функций (6): V ( . Ф, X )——max ;

ЧЛ ' XeA

р (ЛФ,X)—min; P(ЛФ,X)—max.

Va ' XeA ЧЛ ' XeA

На основе рассмотренных критериев возможно построение алгоритмов управления системами устранения критических ситуаций и поддержания устойчивой подвижности лесотехнической техники, т.к. в косвенной форме он содержат показатели устойчивости.

Таким образом, проблема поддержания подвижности автотракторной техники включает три задачи (концепции):

1) концепция управления движением

(Xк = const, Xэ = const, Xp = var);

2) концепция конструкции машины

(X к = var, X э = const, X p = const);

3)

концепция условий

эксплуатации

(X к = const, Xэ = var, Xp = const).

Решение данных задач необходимо для реализации алгоритма расчета динамики машины (рис. 2).

Задача оптимизации надежности при проектировании транспортно-технологических машин может носить и самостоятельный характер. Для чего наряду с математическими моделями подвижности или конкурентоспособности ТТМ должна быть разработана ее модель надежности.

Для решения задачи подвижности единиц ТТМ предлагается использовать модифицированный эволюционный алгоритм, описанный в [6]. Задача поиска оптимальных параметров разбивается на три этапа (согласно трем концепциям). В качестве пробной точки выбирается набор конструкционных, эксплуатационных и режимных параметров наиболее характерных для того или иного вида ТТМ. Посредством работы алгоритма проверяется возможно ли оптимизировать данные параметры с минимальными затратами.

машины

ХкХ эХр

Начало

Ввод даt машр

o- (X = const, X = const, X = var) \ к 5 э ’ p /

o- (X = var, X = const, X = const) \ к 5 э ’ p /

o- (X = const, X = var, X = const) \ к 5 э ’ p /

Рис. 2. Алгоритм расчета динамики ТТММатематическая модель

Литература

1. Литвинов А.С., Фаробин Я.С. Автомобиль: Теория эксплуатационных Мавге маМашиноитетниея 1989. - 240 с. 1м

2. Беляков В.В. дценэдежжмсшт&рмйнро технологических систем // Проблемы проектирования, испытаний, эксплуатации и м@кеянгаваогрйтзрной техники двигателей внутреннего сгорания, строительнодорожных машин, транспортно-технологических комплексов и вездеходов: Материалы международ. науч. -техн. конф. / НГТУ. Н. Новгород, 2000. - С. 339-357.

3. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. - М.: Мир, 1980. - 606 с.

4. Беляков В.В., Чижов А.В. К вопросу расчета на-

Воронежская государственная лесотехническая академия

OPTIMIZATION MOBILITY TECNOLOGICAL MACHINES TAEGET SETTING AS OPTIMIZATION

THE MOST IMPORTANT WORKING PROPERTY

V7 WJldV 1 11 1VV/11 1 C11V

дежшсти, долгевзчдййилиээгрномрчжй[оказдгал1й жител*

транспортно-технологических машин // Проектирование,

испытание, эксплуатация и маркетиЭТаНоЗйакторГЧйТИ техники: Сб. науч. тр. / НГТУ. К Новгород, 1997. - ■€.

265-269.

5. Барахтанов Л.В., Беляков В.В., Кравец В.Н. Проходимость автомобиля/ НГТУ Н. Новгород, 1996. 200 с.

6. Яковлев кМ аррашАШг изреажмьаифиюдель

цированного эволюционного алгоритма решения задач

многокритериальной оптдизаци&азйиэяпгмжииины

ного цикла парка транспортно-технологических машин //

Вестник Воронежского гос. техн. университета. - 2010.-Т. 6. - № 7. - С. 33-38.

ИЯ

КА Yakovlev выполняется?

This article describe the optimization problem staging of technological machines mobility in third conceptions: determination optimal construction, working and secure parameters for guaranteeing optimal machine’s mobility

Key words: technological machines, multicriterial optimization, machine’s mobility, working property

I npnipuup