Содержание к диссертации
Введение 6
Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ СИЛОВЫХ ПЕРЕДАЧ ТЯГОВЫХ
МАШИН 13
1.1 Специфика задач исследования и моделирования силовых установок и
передач 13
Общая характеристика силовых передач машин с большой тягой 13
Место фрикционного сцепления в силовой передаче 16
Направления исследований при конструировании силовых передач 19
Формальное описание привода фрикционного сцепления 22
Существующие подходы к моделированию и методы расчета параметров фрикционного сцепления 23
Анализ подходов к построению АСНИ силовых агрегатов механических систем 28
Обобщенная структура автоматизированных комплексов для исследования силовых передач 28
Существующие программные и аппаратные комплексы и их практическая направленность 35
1.4 Постановка задачи научного исследования 40
Выводы к главе 1 42
Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИССЛЕДОВАНИЯ
ФРИКЦИОННОГО СЦЕПЛЕНИЯ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ УСИЛИТЕЛЕМ И
АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МОДЕЛЕЙ 44
2.1 Структурная схема процесса исследования фрикционного сцепления с
гидравлическим усилителем 44
2.1.1 Процесс разработки фрикционного сцепления как объект автоматизации
2.1.2 Обобщенная схема исследования силовых передач 46
2.2 Синтез математической модели привода фрикционного сцепления 54
Методика составления математической модели привода сцепления с гидравлическим усилителем 54
Построение динамической схемы работы фрикционного сцепления 64
Факторы влияющие на работу фрикционного сцепления 68
2.3 Исследование влияния структуры гидравлического усилителя на процесс
моделирования работы сцепления 69
Классификация гидравлических усилителей и методов их расчета 69
Моделирование гидравлического усилителя как составляющего фрикционного сцепления 72
2.4 Алгоритм вычисления параметров фрикционного сцепления на основе
численных методов 74
Вычисляемые характеристики модели 75
Схема проведения вычислительного эксперимента 76
Оценка возможности применения имеющихся методов для проведения вычислительного эксперимента 78
Особенности модели проведения численного эксперимента 80
2.5 Средства для описания модели эксперимента 82
Основные принципы функционирования системы 82
Разработка синтаксических диаграмм языка описания моделей 83 Выводы к главе 2 . 89 Глава 3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ОСНОВНЫХ АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИВОДА СЦЕПЛЕНИЯ 91 3.1 Разработка функциональной структуры программного комплекса моделирования фрикционного сцепления 91
Выделение отдельных модулей в структуре автоматизированной системы 91
Назначение модулей в структуре 93
3.1.3 Механизм взаимодействия частей автоматизированной системы 95
3.2 Модуль обеспечения вычислительного эксперимента 97
Выбор структуры расчетных модулей 101
Механизм подключения расчетных модулей 102
3.3 Интерфейсная подсистема программного комплекса 105
Обеспечение стендовой составляющей автоматизированной системы 105
Оценка возможности проведения вычислительного эксперимента в распределенной вычислительной среде 106
Механизмы взаимодействия с пользователем 108
3.4 Информационное обеспечение функционирования автоматизированной
системы ПО
Структура информационной базы 110
Представление моделей в информационной базе 114
3.5 Средства составления заданий к автоматизированной системе 116
Формализация описания заданий 116
Обеспечение возможности проведения серии экспериментов 117 Выводы к главе 3 118 Глава 4. РАЗРАБОТКА ПРОТОТИПА АСНИ И ЕГО ИССЛЕДОВАНИЕ НА ПРИМЕРЕ ФРИКЦИОННОГО СЦЕПЛЕНИЯ ТРАКТОРА Т-130 120
Организация программных модулей автоматизированной системы 120
Разработка математических моделей для проведения численного эксперимента 121
Разработка методик расчета динамических нагрузок в приводе сцепления с гидравлическим усилителем 131
Применение автоматизированной системы для повышения эксплуатационных качеств сцепления 134
Оценка эффективности автоматизации исследования 137 Выводы к главе 4 139 Заключение 141 Список литературы 144
Приложение А. Схема работы «ФС — ГУП — тормозок» 156
Приложение Б. Схема работы «ФС — ГУУ — тормозок» 159
Приложение В. Схема работы «ФС — ГУК — тормозок» 165
Приложение Г. Фрагмент модуля численного решения методом Рунге-Кутта 4
степени 171
Введение к работе
В настоящее время для проведения научных исследований широко применяются различные средства автоматизации. Это позволяет существенно повысить их эффективность, снизить затраты на проведение исследований, исключить из результатов эксперимента несущественные данные, а также глубоко изучить непосредственно интересующие свойства объекта исследований. Как показано в работах И.Б. Гуревича, A.M. Домарацкого, В.М. Египко, В.М. Пономарева, Г.Ф. Филаретова, И.С. Константинова, И.В. Бизина и других, максимального эффекта от использования средств автоматизации можно достичь путём создания специализированных АСНИ (автоматизированных систем научных исследований).
Разработка АСНИ в определенной предметной области подразумевает системный подход как к объекту исследования, так и к самому процессу исследования, что позволяет легко формализовать стоящие перед исследователем задачи, а, следовательно, использовать для своих нужд средства вычислительной техники.
Задача исследования фрикционного сцепления рассматривается в работах М.А. Ефимова, Ю.Н. Рыжова, В.Е. Шевалье, В.М. Шарипова и других. К особенностям исследования привода фрикционного сцепления относятся большой объем получаемых данных, трудоёмкость обработки получаемых результатов, рассмотрение характера взаимосвязи с другими частями трансмиссии. При учете указанных факторов решаются задачи поиска подходящих структурных и функциональных решений, установления возможных границ воздействий среды для оценки эксплуатационных характеристик, формулирования рекомендаций по выбору материалов и комплектующих изделий, а также по технологическим аспектам изготовления. Однако не все отмеченные вопросы могут быть непосредственно разрешены на стендовых и полевых испытаниях по причинам отсутствия реального объекта-носителя, не заводского
изготовления, отсутствия требуемого количества испытываемых образцов, значительные временные и материальные затраты на проведение стендовых и полевых испытаний.
Для упрощения решения указанных задач используется специализированное программное обеспечение, а также экспериментальные установки. Однако, несмотря на наличие подобных средств, решаются лишь некоторые задачи автоматизации исследований. В зависимости от практической направленности исследований, упор делается на одну из следующих составляющих: моделирование физического процесса в приводе или же моделирование самого привода, разработка метода обработки или сбора экспериментальных данных, разработка экспериментального стенда. При этом возможность работы с целостным представлением фрикционного сцепления у исследователя отсутствует, что делает невозможным проведение исследований с различными конструкциями.
В связи с этим актуальным является разработка АСНИ привода сцепления, учитывающей особенности предметной области. Такая система должна позволять исследовать протекающие в приводе сцепления процессы, независимо от его конструкции. Реализация подобной АСНИ позволила бы снизить трудоёмкость проводимых операций, а также повысить эффективность исследований, за счет использования проверенных алгоритмов получения, обработки и выдачи экспериментальных данных.
Объектом исследования в данной работе является процесс исследования фрикционного сцепления тяговых машин.
В качестве предмета исследования рассматриваются методы и средства создания автоматизированных систем научных исследований фрикционного сцепления.
Цель диссертационной работы: повышение производительности исследований фрикционного сцепления путем использования автоматизированной системы, реализующей концепцию вычислительного эксперимента.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Изучение основных принципов, применяемых при моделировании фрикционного сцепления и его составляющих.
Разработка и исследование единого механизма описания привода фрикционного сцепления, обеспечивающего автоматизацию процесса исследования на разных уровнях детализации объекта.
Разработка структуры, алгоритмов и информационного обеспечения системы проведения вычислительных экспериментов, обеспечивающей возможность работы с различными блоками фрикционного сцепления.
Разработка средств проведения серии вычислительных экспериментов с использованием различных моделей, применяющихся при описании фрикционного сцепления.
Разработка прототипа системы автоматизации исследования фрикционного сцепления, использующего разработанные модели, методики и алгоритмы.
Научная новизна работы:
разработана математическая модель фрикционного сцепления в виде дерева с различными уровнями детализации узлов сцепления;
разработаны алгоритмы вычисления параметров фрикционного сцепления путем решения систем дифференциальных уравнений, поэтапно описывающих процесс работы сцепления с учетом уровня детализации предложенной модели;
разработан язык составления заданий и описания конструкции фрикционного сцепления с учетом имеющихся в модели взаимосвязей;
разработана структура автоматизированной системы исследования, фрикционного сцепления, использующей подключаемые расчетные модули для вычисления параметров моделей различных уровней детализации.
Практическая ценность работы заключается в:
1. построении прототипа автоматизированной системы исследования фрикционного сцепления тяговых машин, основанного на
структурированном подходе к моделированию привода, который позволил сократить время проведения исследований;
2. результатах использования прототипа АСНИ при исследовании конструкций сцепления трактора Т-130 с различными типами гидравлических усилителей, характеризующих не только конечный результат, но и динамику процессов работы сцепления при различных внешних воздействиях.
Положения, выносимые на защиту:
Математическая модель фрикционного сцепления, учитывающая конструктивные особенности с различными уровнями детализации.
Алгоритм вычисления параметров фрикционного сцепления, основанный на динамической схеме работы сцепления с обращением к моделям, описывающим входящие в привод компоненты.
Язык составления заданий и описания конструкции фрикционного сцепления.
Структура автоматизированной системы исследования фрикционного сцепления.
В первой главе анализируются подходы к автоматизации исследования фрикционного сцепления. В первую очередь выделяются подходы к процессу исследования конструкции фрикционного сцепления. Среди них особое место уделяется двум: традиционный анализ компонентов механического привода и системный подход к анализу конструкции сцепления. Подчеркивается, что оба метода обладают схожими рутинными повторяющимися операциями, которые могут быть положены в основу автоматизации исследований.
Подчеркивается, что наибольший эффект от автоматизации достигается в специальных программных комплексах — АСНИ. Исследуется их структура, а также возможности по проведению численных экспериментов с моделями фрикционного сцепления тяговых машин.
Также производится анализ существующих систем, позволяющих в
некоторой степени автоматизировать процесс исследования. В них выделяется отсутствие комплексного подхода к проведению исследований, из-за чего их применение в чистом виде для решения поставленной задачи не приемлемо.
Исходя из вышесказанного делается вывод о необходимости разработки АСНИ фрикционного сцепления тяговых машин.
Вторая глава посвящена разработке методики автоматизации исследований фрикционного сцепления тяговых машин.
Учитывая роль научных исследований в производственном процессе, а также основываясь на проведенном анализе подходов к исследованию привода фрикционного сцепления тяговых машин, строится обобщенная схема проведения эксперимента. В этой схеме выделяются ' блоки, подлежащие автоматизации, а также рассматриваются конкретные шаги, выполнение которых приведет к автоматизации выделенных блоков.
Среди шагов выделяются: разработка способа представления множества моделей, описывающих узлы фрикционного сцепления, их формальное представление, а также средства формального описания эксперимента.
Для решения этих задач: предлагается использование иерархической структуры математических моделей, отображающей существующие между ними взаимосвязи; разрабатывается формальный язык для представления структур моделей; разрабатывается подмножество данного языка для представления вычислительных заданий.
В третьей главе разрабатывается структура и алгоритмы функционирования автоматизированной системы научных исследований.
На основе выделенных функций автоматизированной системы строится её структура, определяются способы взаимодействия между отдельными подсистемами, разрабатываются конкретные программные интерфейсы.
Для хранения информации о проводимых вычислительных экспериментах в АСНИ фрикционного сцепления разрабатывается структура
информационной базы. Отличительной её особенностью является декомпозиция представления привода сцепления на отдельные составляющие.
Для максимальной эффективности организации человеко-машинного взаимодействия проводится разработка модели пользовательского интерфейса. В основе выделенных состояний лежит группировка возможных действий пользователя по обеспечению конкретной составляющей процесса исследования сцепления.
Отдельное внимание уделяется вычислительной подсистеме, имеющей многоуровневую структуру. В её основе лежит концепция подключаемых расчетных модулей, реализующих конкретные методы расчета выбранных моделей. Реализуется следующий принцип: каждое вычислительное задание рассматривается планировщиком обособленно, исходя из чего формируется диспетчер, взаимодействующий с вызванными расчетными модулями. Специфицируется интерфейс модулей, благодаря чему они могут разрабатываться в различных средах.
В четвертой главе рассмотрена реализация прототипа автоматизированной системы и его применение для исследования влияния типа используемого усилителя на динамику работы привода фрикционного сцепления.
Для ^ проведения численного эксперимента подготовлена математическая модель многодискового привода сцепления трактора Т-130. В качестве критерия проведения исследований выбран коэффициент динамичности, показывающий отношение действующих в приводе сил в момент его покоя и при динамических процессах (включения и выключения). Для определения ударных нагрузок применена методика оценки кинетической энергии движущихся масс.
Проведенные эксперименты позволили установить оптимальность использования привода следящего действия комбинированного типа, поскольку он удовлетворяет двум критериям: минимальной нагрузке на
ведомые диски привода и минимальной нагрузке на оператора при осуществлении им управляющих воздействий.
На основе проведенных исследований осуществлена оценка эффективности автоматизации. Основным показателем для сравнения выбрано затрачиваемое исследователем время на реализацию эксперимента.
Получаемые экспериментальные данные позволяют судить о корректности реализованных методов и алгоритмов.
