Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).
12
1.1. Анализ колебательных процессов при создании систем информационной поддержки управления качеством специализированных колесных транспортных средств
1.2. Обзор существующих теорий возникновения паразитных колебательных процессов при движении специализированных колесных транспортных средств 17
1.2.1 Основные теории возникновения паразитных автоколебаний 17
1.2.2. Методы борьбы с паразитными колебаниями и стабилизации движения СТС 21
1.3. Математические модели и расчётные методы анализа динамики специализированных
колесных транспортных средств 26
1.4. Выбор направления и задач исследования. 38
Глава 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ДВИЖЕНИИ
ПОЛНОПРИВОДНЫХ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ. 41
2.1. Обоснование и выбор базовых методов моделирования
2.2 Анализ влияния мощности двигателя на возможность возбуждения автоколебаний в ходовой части машины 53
2.3 Математическая модель подсистемы «двигатель-трансмиссия» при поступательном движении СТС 59
2.4 Математическая модель вертикальных и угловых колебаний в продольной плоскости
при движении СТС 63
2.4.1 Модель формирования функций моментов сцепления ведущих колёс с опорной поверхностью 67
2.4.2 Модель формирования нагрузки 70
Глава 3 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ДВИЖЕНИИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 75
3.1. Алгоритм функционирования комплексной математической модели колебательных процессов при движении СТС 75
3.3 Экспериментальное исследование колебательных процессов в динамической
системе опытного образца специализированного транспортного средства S4
3.3.1 Методика экспериментальных исследований 84
3.3.2. Экспериментальные исследования влияния некоторых конструктивных факторов на автоколебательные процессы.
3.4 Верификация и определение адекватности предложенных моделей.
3.5 Статистическое моделирование влияния факторов на склонность СТС к возбуждению колебаний 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 107
ЛИТЕРАТУРА 111
ПРИЛОЖЕНИЯ 121
- Анализ колебательных процессов при создании систем информационной поддержки управления качеством специализированных колесных транспортных средств
- Обоснование и выбор базовых методов моделирования
- Алгоритм функционирования комплексной математической модели колебательных процессов при движении СТС
Введение к работе
Актуальность темы
Разрабатываемые перспективные специализированные транспортные средства (СТС) (в частности, для применения МЧС при устранении последствий чрезвычайных ситуаций и природных и техногенных катастроф) имеют повышенные рабочие скорости и энергонасыщенность. Это влечет за собой ужесточение нагрузок, воспринимаемых узлами машин с одновременным усложнением динамических процессов, происходящих в различных их системах. Поэтому создание новых типов машин с одновременным соблюдением возрастающих требований надежности и эргономики невозможно без дальнейшего исследования и комплексного моделирования динамики машин, разработки новых методов; и алгоритмов ее анализа, применения современных информационных средств и технологий.
Все большее распространение получают полноприводиые СТС с колесами одинакового размера. Машины данной конструкции в сильной степени склонны к самовозбуждению автоколебательных процессов в динамической системе «трансмиссия-подвеска». Наиболее ярким и нежелательным образом это явление сказывается при работе на режимах высоких нагрузок (имеет место значительное возрастание (до 2,8 g) уровня низкочастотных виброускорений на рабочем месте оператора, динамических нагрузок в силовом приводе, активизация смежных процессов: потеря скорости, рост
буксования и т.п.). СТС, имеющие повышенную склонность к самовозбуждению автоколебании, обладают худшими показателями плавности хода, динамической нагруженностп трансмиссии, производительности, экономичности и т.п. Поэтому уменьшение склонности СТС к самовозбуждению автоколебаний должно способствовать повышению их производительности, надежности и эксплуатационных характеристик. Главным направление совершенствования техники в данном направлении является принятие соответствующих технических решений па стадии проектирования и использования современных автоматизированных систем стабилизации движения и управления СТС. Решение поставленных задач невозможно без системы моделирования динамических процессов при движении СТС, в частности колебательных процессов в различных их подсистемах и узлах. Это, в свою очередь, требует создания и развития соответствующих математических моделей, проведения вычислительных и натурных экспериментов. В настоящее время этот вопрос исследован недостаточно и при проектировании СТС с одинаковыми колесами принимаются не всегда оптимальные с этой точки зрения конструктивные и технические решения.
Синтез структуры математических моделей машины получил широкое распространение в теории машин и освещен в работах В.Д. Апиловича, И.Б. Барского, И.П. Ксеневича, А.Н. Кожуханце-ва, Г.М. Кутькова, В.З. Ломакина, В.М.Семенова, Г.А. Смирнова, А.С. Солонского, В.П. Тараснка, В.А. Тарасюка, Я.Е, Фаробина,
А.А. Хачатурова, И.С. Цитовича и других ученых. Однако для применения в разрабатываемых конструкциях СТС и системах их стабилизации и управления требуются дальнейшие исследования по уточнению моделей и их развитию для конкретных условий эксплуатации СТС.
Цель данной работы: Поэтому целью настоящей работы является комплексное моделирование колебательных процессов при движении специализированных колесных транспортных средств, позволяющее разработать алгоритмические и программные средства для информационного обеспечения систем их автоматизированного проектирования, управления движением и стабилизации.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:
исследованы причины и условия возникновения автоколебаний в ходовой системе и трансмиссии полиоприводных СТС с колесами одинакового размера, проанализированы имеющиеся теории и модели этих явлений;
проведен теоретический анализ влияния мощности двигателя на возможность возбуждения автоколебаний в ходовой части машины;
определена структура и состав комплексной модели колебательных процессов при движении СТС, ее ограничения и условия практического применения для машин разных классов;
разработаны основные компоненты комплексной модели,
в частности:
математическая модель подсистемы «двигатель-трансмиссия» при поступательном движении СТС, модель вертикальных и угловых колебании в продольной плоскости при движении СТС;
проведение серии вычислительных и натурных экспериментов для проверки адекватности полученных математических моделей, определения іїх практической применимости;
на основе полученных моделей разработано соответствующее алгоритмическое и программное обеспечение, которое внедрено в системы информационного обеспечения процессов проектирования СТС и автоматизированных систем управления ими.
Объектом исследования являются колебательные процессы, возникающие в подсистемах и узлах специализированных колесных транспортных средств при их движении и эксплуатации.
Предметом исследования является комплексное моделирование и экспериментальная проверка моделей описания паразитных колебательных процессов при движении специализированных колесных транспортных средств.
Методическая и теоретическая база исследования* Общей методической основой выполнения исследований явился системный подход к изучению процессов. В процессе исследований были
использованы фундаментальные положения системного анализа, теории математического и имитационного моделирования, исследования динамических систем. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы вычислительной математики.
Научная новизна работы состоит в следующем:
исследованы причины и условия возникновения автоколебаний в ходовой системе и трансмиссии полноприводных СТС с колесами одинакового размера, проанализированы имеющиеся теории и модели этих явлений;
обоснованы структура и состав комплексной модели колебательных процессов при движении СТС, определены ее ограничения и условия практического применения для машин разных классов;
разработаны основные компоненты комплексной модели, в частности:
- математическая модель подсистемы «двигатель-трансмиссия» при поступательном движении СТС, модель вертикальных и угловых колебаний в продольной плоскости при движении СТС, учитывающие основные конструктивные параметры машин, их компонентов и возможные процессы буксования колес;
проведен теоретический анализ влияния мощности двига
теля на возможность возбуждения автоколебаний в ходо-
вой части машины и серия вычислительных и натурных экспериментов для проверки адекватности полученных математических моделей, их уточнения и определения рациональных условий их практической применимости в САПР и автоматизированных системах стабилизации движения СТС; установлено, что при снижении значения декремента колебании с 0,1-0.2 до 0 мощность, затрачиваемая на генерацию колебаний в ходовой части, снижается на 7-Ю кВт. Относительное повышение тягового КПД при этом может составлять до 20. Практическая ценность работы заключается в том, на основе предложенных в диссертации моделей был разработан комплекс алгоритмического и программного обеспечения, набор базовых библиотек для САПР СТС, их компонентов и устройств автоматизации их движения и стабилизации. Полученные результаты моделирования и вычислительных экспериментов нашли практическое применение при проектировании ряда специальных автоматизированных систем стабилизации движения СТС в реальных условиях эксплуатации.
Апробация результатов работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на: НТК «Применение ИПИ технологии в производстве», Москва, 2005, НТК «Гагаринские чтения», 2005, 2006, 5-ой Всероссийской научно-практической конференции «Управление ка-
чеством» Москва, 2006, Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве», Орел, 2006, «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии», Тула, 2006, научных семинарах кафедры: «Управление качеством и сертификация» МАТИ.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертации внедрены на ОАО «Научно-исследовательский кон-структорско-технологический институт тракторных и комбайновых двигателей», (НИКТИД) г, Владимир, а также в учебном процессе кафедры «Управление качеством и сертификация» МАТИ — РГТУ им. К.Э, Циолковского, о чем имеются соответствующие акты внедрения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, а также списка литературы и приложений. Работа изложена на 126 страницах печатного текста и содержит 16 рис., 6 таблиц и список литературы из 104 наименований..
Публикации. По материалам и результатам диссертации опубликованы 8 научных трудов (5 статей, 3 докладов и тезисов докладов на различных научных конференциях) обшим объемом 2.2 п.л.
class1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).
class1
Анализ колебательных процессов при создании систем информационной поддержки управления качеством специализированных колесных транспортных средств
Актуальность создания комплексных систем информационной поддержки процессов конструирования, производства, контроля и испытаний в области машиностроения вообще и, в частности, в сфере специализированного транспортного машиностроения и их интеграции в системы менеджмента качества в настоящее время несомненна [1-4]. Базовой основой подобной интеграции являются современные системы информационной поддержки процессов автоматизации проектирования и управления объектами, принятия решений. Системность информационной интеграции состоит в том, что все автоматизированные системы, применяемые на различных стадиях жизненного цикла изделий, оперируют не с традиционными документами, а с формализованными информационными моделями, описывающими изделие, технологии его производства, использования и утилизации. Эти модели существуют в интегрированной информационной среде в специфической форме информационных объектов. Место этих объектов в виде базы моделей в общей структуре системы проектирования, производства, эксплуатации и утилизации продукции показано на рис 1.1 [5]. Как видно из рисунка база моделей является фундаментом информационного обеспечения процессов создания и использования специализированных колесных транспортных машин. В практике разработки и создания специализированных колесных транспортных средств все большее признание получают полноприводные машины с колесами одинакового размера. Такая схема позволяет получить ряд преимуществ, в первую очередь это повышенные тягово-сцепные качества и проходимость машины, более широкие возможности для использования на ней фронтального и комбинированного способов агрегатирования. При всех преимуществах данной компоновочной схемы, такие машины в значительное мере склонны к самовозбуждению автоколебательных процессов в динамической системе "трансмиссия-подвеска". Наиболее ярким и нежелательным образом это явление сказывается при работе на режимах максимальных тяговых нагрузок. В этом случае имеет место значительное возрастание (до 2,5 g ) уровней низкочастотных виброускорений на рабочем месте оператора, динамических нагрузок в силовом приводе, активизация смежных процессов (увеличение буксования, потеря поступательной скорости и т.п.). Машины, имеющие повышенную склонность к самовозбуждению автоколебаний, работающие с ординарными эксплуатационными тяговыми нагрузками имеют худшие показатели плавности хода, динамической нагруженности трансмиссии, производительности и экономичности и т.п., нежели аналогичные по компоновке машины, не имеющие таковой. Аналогичные эффекты ранее наблюдались и для тракторной техники [6,7]. В этом случае наличие колебательных процессов объясняло склонность тракторов к появлению состояния их движения, называемому в литературе "галопированием" [8,9]. В данном случае под галопированием понимались интенсивные низкочастотные вертикальные и вертикально-угловые в продольной плоскости колебания остова трактора с возрастающей амплитудой, наблюдаемые в основном на режимах максимальных тяговых нагрузок.
class2 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ДВИЖЕНИИ
ПОЛНОПРИВОДНЫХ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ. class2
Обоснование и выбор базовых методов моделирования
Методологической основой разработки комплексной системы моделей колебательных процессов при движении СТС и ее компонентов явились известные базовые и прикладные теории, основные принципы построения и научные подходы, а также стратегии разработки, внедрения и поддержки комплексной системы математических моделей, алгоритмов и программных средств (рис 2.1). Рассмотрим некоторые из них более подробно. Базовыми теориями являются общая теория управления и математического моделирования. Обе неоднократно излагалась [73, 74], поэтому подробнее нами не рассматриваются.
Из прикладных теорий основными можно считать общую теорию автомобиля и трактора, колебаний, устойчивости и, в перспективе, теорию нечетких логик.
Основным научным подходом является системный. Методологический смысл системного подхода заключается в рассмотрении объектов как систем. При этом главной задачей исследования является не выяснение причинно-следственных зависимостей, а управление процессом функционирования системы и оптимизация выходных характеристик [91]. Применение такого подхода наиболее эффективно при решении задач экстраполяции, оптимизации, исследования устойчивости и качества регулирования в колебательных и следящих системах и т.п.
Комплексный подход включает в себя организационные, экономические и психологические аспекты при выборе системы. Он определяет необходимость в комплексной оценке всех методов оценки эффективности системы и соответствующих инвестиций. Рассматривает систему в долгосрочной перспективе, предполагает ее постоянное развитие, трансформацию и модернизацию согласно новым требованиям. Предполагает комплексное изучение накопленных знаний в соответствующей области
Синергетический подход учитывает эффекты взаимодействия различных подсистем и частных моделей, их взаимное влияние и синергетический эффект, обусловленный качественным улучшением процессов проектирования СТС и их элементов, а также возможности комплексной автоматизации процессов управления их движением и его стабилизации.
Интегрированный подход дает возможность найти новые к преимущества для предприятия, обусловленные созданием и внедрением системы моделирования и соответствующих программных комплексов, а также совершенствованием общей системы применения САПР и принципов CALS стандартов и технологий.
Структурный подход позволяет структурировать отдельные задачи и процессы проектирования и технологии на предприятии и соответствующие им функционально организационные формы.
Нормативный подход заключается в установлении нормативов по всем формам подготовки документации и ее соответствия стандартам качества и требованиям CALS стандартов, условиям комплексности, эффективности, обоснованности.
Функциональный подход заключается в том, что данные, необходимые для оценки эффективности функционирования системы моделирования и ее информационной на стадии разработки, рассматриваются как совокупность функций, которые должны быть выполнены.
Алгоритм функционирования комплексной математической модели колебательных процессов при движении СТС
Разработанные модели отдельных поведения подсистем СТС при движении (гл. 2) служат основой для построения комплексной математическая модель колебательных процессов в динамической системе машины. Изложенные выше (гл. 2) модели различных колебательных процессов при движении СТС в различных условиях их эксплуатации могут служить компонентами общей комплексной модели, используемой в системах автоматизированного проектирования и/или управления СТС. Структура такой комплексной модели показана на рис. 3.1. Она составлена путем синтеза блоков, моделирующих локальные динамические процессы в элементах СТС в процессе их движения. Принципы структурного построения с модели базируется на основе общей теории автомобиля и трактора [2,3], поэтому подробное их рассмотрение не проводится. Более подробно рассматриваются лишь принципиальные моменты, относящиеся к учету специфики решаемой задачи. При исследовании динамики системы учитываются следующие характеристики внешней среды: тип и состояние опорной поверхности, определяющие сцепные качества движителей, микропрофиль пути, значение квазистатической составляющей силы тягового сопротивления орудия.
Рассмотрим вначале подсистему "двигатель-трансмиссия". В ней формируются текущие значения крутящего момента двигателя, моделируются крутильные колебания и вращательное движение инерционных масс силового привода. Выходными параметрами подсистемы являются мгновенные угловые скорости ведущих колёс переднего о 2 и заднего (о з мостов. Их значения передаются в блок, вычисляющий функции моментов сцепления передних и задних колес с грунтом, где сравниваясь с угловой скоростью массы, моделирующей поступательное движение машины. При этом со 4 служат основой для вычисления буксования. По найденному значению коэффициента буксования на основании экспериментальной зависимости удельной силы тяги, которая в виде опорной кривой вводится в числе прочих исходных данных, определяется безразмерный масштабный коэффициент, характеризующий изменение момента сцепления в функции буксования движителей. Помимо угловых скоростей, в блок формирования функций моментов сцепления подается информация о текущих значениях динамических радиусов колес rkl, rk2 и вертикальных нагрузках, приходящихся на передний (PNi) и задний (PN2) мосты машины. Выходами блока являются мгновенные значения моментов сцепления движителей СТС с грунтом Мк] и Мк2. которые подаются в подсистемы, моделирующие трансмиссию и весь агрегат в поступательном движении, а также в блок, описывающий вертикальные и угловые колебания в продольной плоскости машины в форме воздействия со стороны трансмиссии.
