CC BY
59
КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ
УДК 629.1.02
В.Б. Держанский1, А.А. Волков1, И.А. Тараторкин2 1 Курганский государственный университет, 2Институт машиноведения УрО РАН, г. Екатеринбург
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ БЫСТРОХОДНОЙ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ
Аннотация. Работа посвящена повышению степени реализации потенциальных скоростных качеств быстроходных гусеничных машин, оснащенных системой управления поворота с дискретными свойствами. Эффективность достигается автоматизацией пропорционального управления тормозом поворота.
Ключевые слова: машина, подвижность, дискретные свойства, пропорциональное управление.
V.B. Derzhansky1, A.A. Volkov1, I.A. Taratorkin2 Kurgan State University,
2Institute of Engineering Science RAS (Ural Branch), Yekaterinburg
MOTION CONTROL SYSTEM OF A HIGHSPEED TRACKED VEHICLE
Abstract. The work considers the problem of increasing the rate of potential speed realization of the high-speed tracked vehicles. Efficiency is achieved by the automation of the proportional rotation brake control.
Keywords: machine, mobility, discrete properties, proportional control.
Одним из основных эксплуатационных свойств быстроходных гусеничных машин является подвижность, оцениваемая скоростными качествами. Повышение удельной мощности машин до 25 кВт/т, совершенствование трансмиссий, систем управления движением и информационного обеспечения способствует росту потенциальных скоростных качеств современных гусеничных машин. Однако реализация потенциальных скоростных качеств ограничивается рядом динамических явлений, характеризующих управляемость при прямолинейном движении и в процессе поворота. Это свойство характеризует все аспекты динамики системы «Человек - машина - внешняя среда» и оценивается динамическими, кинематическими и силовыми характеристиками.
Система управления современных гусеничных машин представляет собой совокупность механизма поворота и приводов управления, с помощью которых водитель осуществляет управление машиной. Например, система управления поворотом (СУП) машины массой 14 тонн содержит управляемый командным органом (штурвалом) гидрообъемный привод (ГОП), ведущий вал гидронасоса которого соединен с двигателем, а ведомый вал гидромотора - с валом дифференциального механизма поворота. На валу расположены шестерни, кинематически соединенные с солнечными шестернями суммирующего планетарного ряда одного борта БГМ через промежуточную шестерню, а второго борта - непосредственно [1].
Водитель, воздействуя посредством приводов управления на гидропривод, изменяет режим его работы и тем самым изменяет направление движения машины. При этом контроль за поведением машины осуществляет водитель. Для компенсации возникающих отклонений траектории водитель воздействует на органы управления, пытаясь реализовать требуемую траекторию движения с необходимой для безопасности точностью. Однако вследствие ограниченности психофизиологических свойств водителя, его утомляемости в процессе длительного движения принятые решения и реализуемое им управляющее воздействие характеризуется большим количеством ошибок. В этом состоит первый недостаток известной системы управления поворотом.
Другой недостаток состоит в том, что для достижения высоких динамических качеств при управлении поворотом необходима высокая установочная мощность ГОП. При существенных ограничениях по условиям компоновки и объемно-массовым параметрам установочная мощность гидрообъемной передачи системы управления поворотом ограничена. В связи с этим в системе управления поворотом вводится ряд конструктивных решений по созданию управляемых многопоточных приводов, обеспечивающих повышение динамических свойств и управляемости быстроходной гусеничной машины [2]. Например, в конструкции системы управления поворотом БМП Marder, HSWL-194 в дополнительном контуре используется гидромуфта с регулируемым наполнением. В конструкции системы управления поворотом БМП-3 для повышения динамических свойств при входе в поворот используется раздельное управление торможением гусеницы отстающего борта. В конструкции БМП Breadly (М2) управление поворотом осуществляется двумя бортовыми гидрообъемными передачами. Каждый из рассмотренных вариантов конструктивного решения создания управляемых многопоточных конструкций сдерживается рядом функциональных ограничений. Кроме того, суровые условия эксплуатации машин, ограниченная возможность организации сервисного обслуживания, недостаточная надежность электронных устройств и гидрообъемных передач, а также ограничение стоимости системы управления поворотом приводят к различным предложениям создать гораздо более простые механизмы поворота и системы управления. Эти системы имеют преимущества не только по вышеприведенным свойствам, но и по весовым и объемным показателям, простоте, стоимости, степени конструкторской и технологического совершенства элементов конструкции. К таким системам управления относятся механизмы поворота с дискретными свойствами - многорадиусные и планетарные, которыми оснащены модернизируемые машины [3].
Сравнительные испытания гусеничных машин с различными системами управления поворотов показали, что при удельной мощности до 20 кВт/т в характерных условиях движения (деформируемый грунт) средняя скорость машин, оснащенных СУП с дискретными свойствами, не ниже, чем у машин с непрерывными свойствами СУП [2]. При движении по дорогам с мало деформируемым основанием (асфальт, бетон, мерзлый грунт), с ограниченными сцепными свойствами и интенсивным изменением кривизны, на тестовых трассах «змейка», «переставка» и «затяжной поворот» скоростные качества БГМ, оснащенных СУП с дискретными свойствами, ограничены и не превышают 36...38 км/ч. Это связано с невозможностью плавного регулирования кривизны траектории, углового ускорения, компенсации отклонения траектории. При
этом увеличивается интенсивность управляющей деятельность водителя, число включений СУП (подруливаний) на километр пути возрастает в 6...9 раз, достигая 96. В связи с этим компенсирующее управление водителя эффективно при скорости меньшей 36 км/ч.
Для гусеничных машин со ступенчатыми механизмами поворота, обеспечивающими дискретное регулирование направления движения, угловая скорость о претерпевает разрыв второго рода, а её производная является дельта-функцией g (t), т.е. по абсолютному значению она может изменяться в неограниченном интервале. Однако из экспериментальных данных следует, что в упруго-инерционной механической системе «движитель - трансмиссия», включающей сдающие фрикционные элементы, значение производной га изменяется непрерывно в конечных, хотя значительных пределах. Даже при ограниченном отклонение угловой скорости до 5 град/с с частотой 2,5 Гц (вследствие увода и колебательных процессов в силовом блоке) угловые ускорения достигают 32 град/с2, а при циклическом включении механизма на затяжных поворотах - до 74 град/с2. Дискретность характеристики с существенными нелинейностями системы управления ступенчатых механизмов поворота приводит к высокой цикличности включения механизма поворота из-за несовпадения траекторной кривизны с дорожной, ограничения скорости по условиям вписываемости, особенно на затяжных поворотах ограниченной кривизны. При движении на затяжных поворотах ограниченной кривизны кд < < кф кривизна траектории движения гусеничной машины не соответствует дорожной, число включений механизма поворота существенно превышает число поворотов дороги.
На основе результатов исследования динамики управляемого движения быстроходных гусеничных машин с дискретной системой управления поворотом обоснована необходимость автоматизации управления поворотом и сформулированы следующие функциональные требования к автоматизированной системе:
- сокращение запаздывания реакции на управляющее воздействие;
- исключение «быстрых» боковых ускорений, превышающих сцепные свойства грунта и не компенсируемых водителем из-за ограничений его психофизиологических возможностей как звена обратной связи за счет плавного регулирования кривизны траектории. При этом чувствительность к управляющему воздействию с ростом скорости поступательного движения должна снижаться, а увеличение подачи топлива должно выполнить функцию форсирующего управления.
Критерием эффективности автоматизированного управления является возможность поддержания максимально возможной скорости Vfl, обеспечивающей минимальную разность |Vm-Va| ^ min, при необходимой точности траектории и ограничении числа включений механизма поворота водителем. В работах А. М. Кауфмана точность траектории движения достигается импульсным управлением фрикционом блокировки механизма поворота.
Функциональная схема предлагаемой системы управления движением приведена на рисунке 1 (для одного борта), а изменение кинематических и силовых параметров в процессе управления поворотом БГМ - на рисунке 2. Система включает командный орган (штурвал) 1, планетарный механизм поворота (ПМП) каждого борта машины состоит из эпицикла 2, кинематически соединенного с выходным валом коробки передач, солнечной шестерни 3, водила 4, соединенного через бортовой редуктор 5 с ведущим колесом 6. ПМП также включает три
фрикционных элемента управления: блокировочный фрикцион 7, тормоз поворота 8 и тормоз остановочный 9, соответственно и три гидросерводвигателя управления фрикционом блокировки 10, тормозом поворота 11 и тормозом остановочным 12. Командный орган 1 кинематически соединен с датчиком 13 угла поворота штурвала, выход которого соединен с входом бортового компьютера 14, а через него с клапанной коробкой 15, с датчиком 16 угловой скорости поворота машины, установленным на ее корпусе. Клапанная коробка управления 15 гидравлически соединена с серводвигателями управления 10 фрикционом блокировки, 12 тормозом остановочным непосредственно, а с серводвигателем 11 управления тормозом поворота через пропорциональный клапан 17, управляемый бортовым компьютером 14. Со входом бортового компьютера 14 также соединены датчики оборотов двигателя 18, положение педали подачи топлива 19 и отклонение угловой скорости 16. Выход бортового компьютера соединен с механизмом управления переключения передач 20 и подачи топлива 21.
Работает предлагаемая система следующим образом. При скорости до 36 км/ч управление поворотом осуществляется водителем, при больших значениях скорости траектория движения корректируется предлагаемой системой. В процессе прямолинейного движения БГМ угол поворота штурвала 1 равен нулю. При этом фрикцион блокировки 7 включен, а тормоза поворота 8 и остановочный 9 выключены. Эпициклические шестерни 2 ПМП обоих бортов заблокированы, а солнечные шестерни 3 и все элементы ПМП вращаются как единое целое. Заданная угловая скорость сэ3 равна нулю. При возникновении увода быстро движующейся машины или угловых колебаний корпуса вокруг вертикальной оси величина отклонения угловой скорости Дс измеряется датчиком угловой скорости 16. Это значение вводится в бортовой компьютер 14, который вырабатывает сигнал компенсирующего управления. При этом клапанная коробка 15 включает магистраль управления серводвигателя 10 блокировочного фрикциона 7 на слив выключая его, включает через пропорциональный клапан 17 серводвигатель 11 в режим притормаживания тормоза поворота 8 забегающего борта машины на время до компенсации увода или стабилизации прямолинейного движения (Дс = 0).
Для поворота машины водитель с упреждением поворачивает штурвал 1. При этом в серводвигателе 10 управления блокировочным фрикционом ПМП отстающего борта клапанная коробка 15 включает магистраль на слив, выключая фрикцион, включает через пропорциональный клапан 17 тормоз поворота 8, снижая скорость вращения солнечной шестерни 3, что приводит к снижению скорости вращения ведущего колеса отстающего борта, и гусеничная машина входит в поворот. Для сокращения времени запаздывания реакции на изменение управления бортовой компьютер 14 в соответствии с программой управления формирует форсирующие силовое воздействие. Оно представляет собой импульс давления рабочей жидкости в серводвигателе 11 тормоза поворота 8 (рисунок 2), создающий форсирующее силовое воздействие, подобно перерегулированию, создаваемому высококвалифицированным водителем. Импульс поворачивающего момента преодолевает инерционную составляющую сопротивления поворота, действующую в течение некоторого времени. Импульс момента формируется системой управления и направлен в сторону изменения направления действия поворачивающего момента. При движении по трассе с периодическим изменением направления кривизны форсирующий импульс начи-
40
ВЕСТНИК КГУ, 2015. № 3
нает действовать в момент времени, когда (а'шт ^ 0) длительность действия импульса определяется по фазовой частотной характеристики системы управления поворотом.
Рисунок 1
■ Функциональная схема системы управления движением
' БФ
Вход в поворот ШижЕние 6 повороте Выход из поворота
\
\ /
1 /
/
f V
f
В дальнейшем при движении с постоянной угловой скоростью пропорциональный клапан 17 поддерживает давление в серводвигателе 11 по графику рисунка 2. При отклонении угловой скорости от заданной Аш = шз — Шф сигнал обратной связи подается в бортовой компьютер 14, который подает команду на пропорциональный клапан 17 на соответствующее изменение давления в серводвигателе 11 тормоза поворота 8 (и механизма управления 21 подачи топлива для её уменьшения) и угловой скорости поворота машины. При выходе из поворота машины система выключает тормоз поворота 8, а затем включает блокировочный фрикцион 7.
Эффективность
Таким образом, предлагаемая система управления движением БГМ позволяет автоматически компенсировать увод быстродвижущейся машины и стабилизации траектории при прямолинейном движении. При управлении поворотом машины представляется возможным повысить быстродействие системы управления поворотом и сократить фазовое отставание реакции на управляющее воздействие. Пропорциональное управление тормозом поворота позволяет бесступенчато изменять угловую скорость поворота машины от нуля до СО- на каждой передаче и кривизну траектории. Это сокращает цикличность включения системы управления поворотом и угловых ускорений, нарушающих устойчивость движения машины.
Рисунок 2 - Изменение кинематических и силовых параметров в процессе управления поворотом
ВЫВОДЫ
Предлагаемая системы позволяет повысить устойчивость и управляемость движения машины, степень реализации потенциальных скоростных свойств машины, снизить уровень требования к квалификации водителя и его утомляемости.
Список литературы
1 Бурцев С. Е. Основы применения гидрообъемных вариаторов
танковых трансмиссий. Киев : Киевское ВТИУ, 1983. 200 с.
2 Держанский В. Б., Тараторкин И. А. Прогнозирование динамической
нагруженности гидромеханических трансмиссий транспортных машин. Екатеринбург : УрО РАН, 2010. 176 с.
3 Савочкин В. А., Дмитриев А. А. Статистическая динамика
транспортных и тяговых машин. М.: Машиностроение, 1993. 320 с.
УДК 629.1.02
В.Б. Держанский1, А.А. Волков1, А.И. Тараторкин2, И.А. Тараторкин3
1Курганский государственный университет, 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, 3Институт машиноведения УрО РАН, г. Екатеринбург
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ПРИВОДОВ ВОДОМЕТОВ АМФИБИЙНЫХ МАШИН
Аннотация. В работе приведены результаты экспериментального исследования динамической нагруженнос-ти привода водомета амфибийной машины. Обосновывается гипотеза об ограничении долговечности элементов конструкции привода вследствие возникновения вынужденных колебаний и параметрических резонансов в системе, содержащей пространственные карданные передачи. Обосновываются пути решения данной проблемы.
