CC BY
58
Выводы
Проектирование мостового крана, являющегося сложной динамической системой, представляет собой итерационный процесс, связанный с последовательным улучшением системы, принятием уточняющих конструктивных решений. Каждый цикл включает в себя анализ эффективности объекта проектирования, влияния на него характеристик элементов системы и ограничений.
Библиографический список
1. Александров М. П. Подъемно-транспортные машины: Учеб. для машиностроит. спец. вузов / М.П.Александров. - М.: Высш. шк., 1985. - 520 с.
2. Гохберг М. М. Справочник по кранам: В 2 т. Т. 2. Характеристики и конструктивные схемы кранов. Крановые механизмы, их детали и узлы. Техническая эксплуатация кранов /М.П. Александров, М. М. Гохберг, А. А. Ковин и др.; Под общ. ред. М. М. Гохберга. - М.: Машиностроение, 1988. - 559 с.
3. Керимов З. Г. Автоматизированное проектирование конструкций / З. Г.Керимов, С.А.Багиров. -М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.
4. Матвеенко А. М. Проектирования гидравлических систем летательных аппаратов: Учебник для авиационных вузов / А. М. Матвеенко, И. И. Зверев. - М.: Машиностроение, 1982. - 296 с.
5. Норенков И. П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем /И.П.Норенков. - М.: Высш. школа, 1980. -311 с.
6. Ремизович Ю. В. Транспортнотехнологические машины / Ю. В.Ремизович. -Омск: СибАДИ, 2011. - 160 с.
FEATURES OF DESIGNING OF THE BASIC MECHANISMS OF BRIDGE CRANES
N. S. Galdin, S. V. Kurbatskaya,
O. V. Kurbatskaya
The basic data on the general principles of designing of mechanisms of bridge cranes are resulted
Галдин Николай Семенович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Подъемнотранспортные, тяговые машины и гидропривод» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований - теория и проектирование многоцелевых гидроударных рабочих органов ДСМ. Имеет более 210 опубликованных работ. Email: [email protected]
Курбацкая Светлана Владимировна - инженер кафедры «Компьютерные информационные автоматизированные системы» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований -автоматизированное проектирование систем. Имеет 4 опубликованные работы.
Курбацкая Ольга Владимировна - инженер кафедры «Подъемно-транспортные, тяговые машины и гидропривод» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление исследований - автоматизированное проектирование систем. Имеет 4 опубликованные работы.
УДК 621.43.629
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЯ ПРИ УПРАВЛЕНИИ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В. П. Денисов, А. П. Домбровский, О. О. Мироничева
Аннотация. Предложен метод повышения надежности функционирования автомобиля в экстремальных условиях эксплуатации, например, при длительном нахождении в транспортной пробке и высокой забортной температуре. Предлагается способ устранения перегрева двигателя внутреннего сгорания реализацией режима пульсирующего изменения скорости теплоносителей в системе охлаждения.
Ключевые слова: полосовой фильтр, система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, частота вращения электропривода, автоматическое управление.
Введение надежная работа двигателя внутреннего сго-
Основным фактором, влияющим на техни- рания (ДВС). Сегодня к двигателям внутрен-ческую эксплуатацию автомобиля, является него сгорания транспортных средств выдви-
гаются жесткие требования по многим параметрам, таким как высокая мощность и, одновременно, экономичность, надежность и долговечность. С увеличением мощности двигателей транспортных средств для обеспечения их оптимального теплового режима ужесточаются требования к эффективности систем охлаждения. Данное требование особенно актуально для автомобилей, которые функционируют в экстремальных условиях, например, при нахождении транспортного средства длительное время в пробке в жаркую погоду. Рассмотрим возможности уменьшения температуры охлаждающей жидкости без изменения конструкции системы охлаждения путем управления процессом охлаждения.
Обоснование метода понижения температуры ДВС.
Известно, что турбулентность теплоносителей приводит к увеличению их охлаждения. Турбулентность можно создать, например: увеличив число Рейнольдса (увеличив линейную или угловую скорость); увеличив число Релея (нагрев среду); увеличив число Прандтля (уменьшив вязкость), или задав сложный вид внешней силы (хаотичная сила) [1]. Опыт эксплуатации транспортных средств и эксперименты, проведенные на двигателях В-2 и А-41М, показали, что пульсирующее изменение скоростного режима течения теплоносителей при работе двигателя в неуста-новившемся режиме влияет на количество отводимого с водой тепла и приводит к увеличению последнего на 6-10 %. В результате этого температура воды на выходе из радиатора уменьшается в среднем (в пределах изменения степени неравномерности момента сопротивления от 0,2 до 0,8 и периода изменения нагрузки от 1 до 4с) на 3-12 % по сравнению с установившимся стационарным режимом [2]. Пульсирующее изменение скоростного режима течения теплоносителей возникает в связи с тем, что под действием момента сопротивления (внешняя сила), действующего на транспортное средство, который носит случайный характер (хаотичная сила), случайным образом меняется частота вращения коленчатого вала двигателя. Коленчатый вал двигателя вращает, как вентилятор, так и насос. Этот режим приводит к турбулентности, и как следствие, к увеличению процесса охлаждения ДВС.
На современных транспортных средствах широко используется электропривод вентилятора и начал применяться электропривод
насоса [3]. Таким образом, появилась возможность реализации пульсирующего режима течения теплоносителей с помощью управления работой электроприводов, как вентилятора, так и насоса [4].
При использовании транспортных средств могут возникать экстремальные ситуации, когда традиционные методы управления насосом и вентилятором не позволяют поддерживать температуру двигателя в допустимых пределах. Располагая электроприводом, как насоса, так и вентилятора можно воспроизвести пульсирующее изменение скоростного режима течения теплоносителей, что позволит уменьшить температуру теплоносителя на выходе из радиатора. Для этого необходимо разработать алгоритм управления работой вентилятора и насоса, который позволит осуществить пульсирующее изменение скоростного режима теплоносителей. Для реализации алгоритма получим основные характеристики случайного процесса, при осуществлении которого и возникает эффект дополнительного охлаждения ДВС.
Найдем законы изменения частоты вращения вентилятора и насоса, приводящие к турбулентности течения теплоносителей. Для этого рассмотрим протекание технологических процессов указанных выше технических средств. Необходимо подчеркнуть, что рабочие процессы машин, на которых установлены выше указанные двигатели В-2 и А-41М, сопровождаются колебаниями нагрузки, действующими на транспортное средство, и изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя, а, следовательно, и колебаниями частоты вращения, как насоса, так и вентилятора. Эти процессы в большинстве случаев относятся к классу стационарных случайных процессов. Получим основные вероятностные характеристики процесса изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя, используя основные вероятностные характеристики сил сопротивления (моментов сопротивления) и динамические свойства транспортных средств.
Для получения основных вероятностных характеристик процессов изменения частоты вращения вентилятора и насоса рассмотрим работу агрегата при работе двигателя на одной из ветвей его механической характеристики (регуляторной или корректорной), при этом момент сопротивления приведен к валу двигателя. Рассматриваемая динамическая система представлена на рис.1.
тм Агрегат + тш
механическая
ш характеристика <4
двигателя
Рис. 1. Моделирование агрегата как динамической системы
Входами рассматриваемой динамической системы являются математическое ожидание
2
шм и дисперсия ам случайного момента сопротивления на валу двигателя. Выходы -математическое ожидание то и дисперсия
сС, угловой скорости вала двигателя.
Математическое ожидание случайного процесса на выходе динамической системы - угловой скорости вала двигателя - определяется следующим образом:
mc = ka тт ,
(1)
где ka - коэффициент передачи системы.
Согласно механической характеристике
двигателя k = ce, где ce - коэффициент
наклона регуляторной или корректорной ветви механической характеристики двигателя.
Для реализации алгоритмов управления режимами работы электроприводов определим дисперсию крутящего момента электродвигателей.
Определение дисперсии крутящего момента
Для определения дисперсии крутящего момента необходимо знать автокорреляционные функции колебаний нагрузки. Экспериментально получены для колебаний нагрузки, действующей на транспортные сред-ства,автокорреляционные функции и нормированные спектральные плотности, которые аппроксимируются выражениями [5]:
R (г) = <j2me-aT cos Рт ;
а2 + р2 +ф2
(2)
Se (о) = 2ао1
(3)
(а2 + р2 + со2) - 4р2®2 В работе [5] приведены диапазоны параметров а и в- коэффициентов, характеризующих затухание автокорреляционной функции
и частоту периодической составляющей процесса, соответственно.
Передаточная функция двигателя по каналу «изменение момента сопротивления - изменение крутящего момента» представляется оператором [б]:
к
( р) = -а-,
ТаР + 1
где Та, ка - постоянная времени и коэффициент усиления агрегата; р - оператор Лапласа.
Тогда модуль частотной характеристики рассматриваемого звена
Wd (jm)\ =
k„
(4)
Используя выражение (3), где входом служит изменение момента нагрузки, а выходом -изменение крутящего момента, и выражение (4) для модуля частотной характеристики рассматриваемого канала, получим выражение для спектра мощности выходной величины
Se w=-
2ак1(а2 + 01 + ®2)а1
________—1 ^ 1 ^ J^M__________
{T2a>2 + \)[{а2 + р2 +а2)2 - Ар2о2 ]'
Для определения дисперсии выходной величины необходимо вычислить интеграл
а! =
л +W
— Г Se (rn)drn.
2п
Получим аналитическое выражение дисперсии выходной величины, применив теорию вычетов [5]. Подынтегральная функция вида
г (2 ) = ‘2ак1сМ^(а2 + Р2 + 22) ;
^ } (Т222 + 1)((а2 +Р2 + 22)2 -4Р222)’
z = е1Ю.
является аналитической в верхней полуплоскости за исключением полюсов
2
ß + ja), (-ß + ja), j/Ta. Кроме того, lim z2 f (z) = 0, то есть является конечной
|z|
величиной.
Найдем вычет функции f (z) относительно полюса первого порядка j/Ta
resf (z )= zlim_(z - j/T,)f (z ) =
= a2T,k,2aM(a2T,2 +ß2T,2 -1) ■ j((a2T,2 +ß2T,2 -1)2 - 4ß2T,2)
Найдем вычет функции f (z) относительно полюса первого порядка (ß + ja)
resf(z)= lim (z-ß-ja)f(z) =
ß+ja z^ß+ja
= ak2° M (t,2 (ß 2 -a 2)- 2 jaßT,2 +i) ■
2ji[1 + T,2(ß2 -a2)]2 + 4a2ß2T,2}
Найдем вычет функции f (z) относительно полюса первого порядка (-ß + ja)
res f(z) = lim (z + ß - ja)f(z) =
-ß+ja z^-ß+ja
ак2aM(T.2№2 -а2) + 2^арі,2 +1). 2 j|[1 + T.2 ф2-а2 )]2 + 4а 2ß2 T.2 )
Тогда дисперсия крутящего момента
аа =
= — f resf (z )+ res f (z )+ resf (z )
2nv j / T -p+ Ja P+Ja
Окончательно, аналитическое выражение для вычисления дисперсии крутящего момента
а, =
= 2k2a2 [qv + ß2) + T^-а2 + ß2) - ŒTa+1]
T>2 +ß2)2 + 2Ta2(-а2 +ß2) +1
сигнал с требуемой спектральной плотностью. При синтезе формирующего дискретного фильтра воспользуемся методом спектрального разложения [5,7], руководствуясь следующим.
Известно, что при воздействии дискретного белого нормированного шума на дискретный линейный фильтр с передаточной функцией
K і z ) =
Az)
Ві z )
на выходе фильтра будет дискретный случайный процесс со спектральной плотностью, равной квадрату модуля передаточной функции:
AW
К>)
2
= A jz) A jz-1 ) B» B>-1 )
Kiz-1 )2
(5)
Полученные вероятностные характеристики необходимо реализовать при работе электрических двигателей вентилятора и насоса.
Синтез формирующего фильтра пульсаций частоты вращения
Для осуществления пульсаций сигнала необходимо получить дискретную передаточную функцию формирующего фильтра, позволяющую сформировать выходной случайный
где K*(z) и K(z ')- дискретная передаточная функция формирующего фильтра для операторов прямого и обратного сдвигов, соответственно;
A(z) (A (z_1)) ,B (z) (B (z1))- полиномы
числителя и знаменателя K*(z) (K(z_1)).
Входным сигналом формирующего фильтра является нормально распределенный дискретный белый шум f(in), то есть некоррелированная последовательность случайных чисел с математическим ожиданием Mf =0 и дисперсией о =1. Генерация белого шума f(n) производится программно с помощью датчика случайных чисел.
Пульсации сигнала реализуем в виде стационарного случайного сигнала с полосовым частотным спектром, нормированная корреляционная функция которого для непрерывного процесса описывается выражением [2]:
R(t) = e~a Т cos fir.
Выбор корреляционной функции данного вида делает возможным формировать пульсации в требуемой полосе частот, изменяя
параметры а и в .
Нормированная корреляционная функция дискретного процесса
R(n) = e~m cos J3n,
2
где а = аЛ^ в = вЛ^ Лt - интервал дискретизации по времени.
Спектральная плотность для дискретного случайного процесса является двусторонним дискретным преобразованием Лапласа от его корреляционной функции
Г(2) = ^ ВД«-“ = 1 ВД2" .
Для получения двустороннего дискретного преобразования Лапласа воспользуемся соотношением
F(z) = F+(z) + F + (z“*) - R(0) , (6)
где F + (z) = ^ R(n)zn - одностороннее
n=0
преобразование корреляционной функции. Тогда
F + (z) = ^ R(n)z" = ^ (e^an cos Pn)zn
По таблице z-преобразований [7] получим
F+(z) =
1 - ze a cos в
1- 2ze a cos P + z2 e 2a 1 - zy cos в
1 - 2zy cos в + z2 у2
; y = e
вид
F(z) = 1-zY cos в 22 +
22
1 - 2zy cos в + z y + 1 - z-1y cos в -1
1 - 2z-1y cos в + z-2 y 2
После приведения к общему знаменателю и приведения подобных членов получим:
F(z) =
= - z-1 [(1 - y 2 )y cos в-z(1-y 4) + z2 (1 - y 2) y cos в] , (1 - 2zy cos в + z2 y 2 )(1 - 2z-1 y cos в + z-2 y 2)
или после введения новых обозначений:
F (z) =
— z (A) + Axz + Aoz )
1 + B^z + B2 z
(7)
A 0 =(1 -y 2 )y cos в;
где A1 =-(1 -y4); .
B1 =-2y cos в; b2 =y2
Произведем факторизацию спектральной функции F(z) , то есть разобьем выражение в
правой части (7) на два сомножителя в соответствии с (5).
Знаменатель выражения (7) уже представляет собой произведение двух сомножителей: необходимо разложить на множители только числитель. Найдем корни числителя:
A1 ±д/A2 - 4A
2А„
z-
= v 0 ±4 v2 -1;
1+ Y 0 2ycosв
Так как уравнение А0 + + А0z2 = 0 яв-
ляется симметричным, то любой из его корней можно использовать в разложении,
1,2
Следовательно, спектральная функция F(z) в соответствии с выражением (6) принимает
например, v1. Тогда числитель можно представить в виде
— z (A 0 + A 1z + A 0 z ) =
A.
= P(z - V1)(z-1 - V1); P = —0
v1
Таким образом, дискретная передаточная функция формирующего фильтра для реализации случайного процесса с корреляционной
функцией R(t) = e~aT cosв~т имеет вид:
_1ч a0 + a1z
K ( z-1) =
b0 + b1z + b2 z
где а0 = -у1Л/р; а =^[р; Ь = Д; Ь2 = В2.
Для реализации в микроконтроллере случайного сигнала с полосовым частотным спектром представим формирующий фильтр рекуррентной зависимостью
S(n) = а0S(n) + а 1S(n -1) -
- b1~ (n -1) - b 2 S (n - 2)
(8)
где £ - входной и выходной сигналы формирующего фильтра, соответственно;
n=-w
n=-w
V1,2 =
v 0 =
n=0
n=o
2
2
а0, а1з Ь2 - параметры формирующего
фильтра, зависящие от а и в .
Таким образом, реализация алгоритма полосового фильтра в соответствии с выражением (8) позволяет осуществить пульсирующее течение теплоносителей в контуре охлаждения ДВС.
Заключение
Получены основные вероятностные характеристики системы управления электроприводом, реализующей пульсирующее течение теплоносителей в контуре охлаждения ДВС, оснащенного электроприводами насоса и вентилятора.
Применение предлагаемого метода позволит увеличить эффект охлаждения ДВС в экстремальных условиях, тем самым повысив надежность эксплуатации автомобиля.
Библиографический список
1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. М.:Наука, 1986. 736с.
2. Деев А. Г., Четошников В. И. Некоторые вопросы к теории теплоотдачи при неустановив-шемся режиме работы двигателя. //Вестник Алтайского государственного аграрного университета №5 (67), 2010.-с.74-77.
3. Денисов В. П., Матяш И. И., Мироничева О. О. Управление системой охлаждения двигателей внутреннего сгорания на основе нечеткого логического вывода.//Вестник СибАДИ №3(25)/2012.-с.11-18.
4. Беляков В. Е. Перспективные системы управления электроприводами.//Вестник СибАДИ №4(10)/2008. с.74-80.
5. Крутов В. И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1989. 416с.
6. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления.:- М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. 832 с.
INCREASE OF THE AUTOMOBILE MAINTENANCE RELIABILITY BY CONTROL OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE COOLING SYSTEM
V. P. Denisov, A. P. Dombrovsky ,
О. O.Mironicheva
In this article have been considered the possibility of increasing of the automobile performance reliability in extreme conditions of operation; for example, locate in traffic congestion and high ambient temperature. The new method of removal of the internal combustion engine overheat by realization of a mode pulsing change coolant speed in cooling system is offered.
Денисов Владимир Петрович, д.т.н., доцент, зав. Каф. Электротехника и автотракторное электрооборудование, СибАДИ, основное направление научных исследований: управление в технических и экономических системах на основе интеллектуальных технологий, общее количество публикаций более 70, e-mail:
vpdenisov@mail333. com.
Домбровский Андрей Петрович, аспирант, СибАДИ основное направление научных исследований - автоматизированное проектирование системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, общее количество публикаций 4,e-mail: [email protected]
Мироничева Ольга Олеговна, аспирант, СибАДИ основное направление научных исследований - автоматизированное проектирование системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, общее количество публикаций 4,е- mail: olga. mironicheva@mail. ru
УДК 621.9.048:621.92
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ
Д. Н. Коротаев, Б. Ш. Алимбаева
Аннотация. В работе методом SWOT проанализированы сильные, слабые стороны метода электроискрового легирования, перспективы развития и опасности, сопровождающие данную технологию. Выявлены пути увеличения толщины формируемого покрытия на изношенных стальных поверхностях деталей автомобилей. Экспериментальными исследованиями установлено, что применение электродов на основе карбида вольфрама и карбида титана с добавками компонентов, образующих
