На правах рукописи
КЛИМОВА Александра Сергеевна
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТРАНСМИССИЙ
ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА
ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ
БЛОКИРОВКИ ГИДРОТРАНСФОРМАТОРА
Специальность 05.05.03 – Колесные и гусеничные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ижевск – 2011
2
Работа выполнена на кафедре “Гусеничные
“Курганский государственный университет”.
машины”
Научный
руководитель:
доктор
технических наук,
профессор,
заслуженный машиностроитель РФ
Держанский Виктор Борисович
Официальные
оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Филькин Николай Михайлович (г. Ижевск)
ГОУ
ВПО
кандидат технических наук
Громовой Сергей Владимирович (г. Ижевск)
Ведущая
организация:
ОАО “Специальное конструкторское бюро
машиностроения” (г. Курган)
Защита состоится « 21 » июня в 15.00 на заседании диссертационного
совета Д 212.065.03 в Ижевском государственном техническом университете по
адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ. С авторефератом
можно ознакомиться на официальном сайте ИжГТУ: www.istu.ru
Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью
учреждения, просим направлять по адресу: 426069, г. Ижевск, ул.
Студенческая, 7, на имя ученого секретаря диссертационного совета
Д 212.065.03.
Автореферат разослан « 12 » мая 2011г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор
Ю.В. Турыгин
3
ОБЩАЯ ХРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ
В конструкциях многоцелевых гусеничных и колесных транспортных
машин специального назначения, эксплуатируемых в особо трудных условиях,
широко используются гидромеханические трансмиссии (ГМТ). Несмотря на
успехи в создании опытных образцов электромеханических, гибридных и
вариаторных
трансмиссий
гидромеханические
сохраняют
свою
конкурентоспособность. Поэтому в настоящее время для проектируемых и
модернизируемых машин рассматриваемого класса разрабатывают все более
совершенные конструкции ГМТ. В то же время эффективность машин,
оснащенных ГМТ, и надежность их функционирования ограничивается
долговечностью фрикционов блокировки гидротрансформатора (ГТК) из-за
высокой нагруженности. Анализ параметра потока отказов ГМТ показывает,
что частота разрушений фрикционных элементов блокировки ГТК находится на
втором месте после роликовых обгонных муфт реактора. Это объясняется тем,
что в характерных условиях эксплуатации многоцелевых транспортных машин
число блокировок ГТК в 1.7…2.1 раза превышает число переключений передач
и достигает 7.2…8.9 на км пути, при значении динамического момента до
2.7…3.5 раз выше расчетного. Высокая цикличность включения фрикциона
блокировки связана не только с числом переключений передач, но и
автоматических выключений-включений фрикциона при интенсивном
изменении сопротивления дороги, реализации различных режимов движения
машины. Снижение цикличности блокировок автоматизированной системой
приводит к существенному повышению вероятности тепловой перегрузки ГМТ
и расхода топлива.
Особенностью условий эксплуатации транспортных машин специального
назначения является интенсивное изменение сопротивления и широкий спектр
требуемых режимов движения, а также изменения технического состояния
элементов системы. Реализация высокой подвижности и эффективности машин
обеспечивается при надежности функционирования системы автоматического
управления. Вследствие указанных особенностей рассматриваемых машин
повышение долговечности элементов необходимо осуществить на основе
качественно нового подхода к созданию системы блокировки ГТК,
базирующегося на мониторинге и идентификации требуемых режимов
движения и технического состояния элементов.
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ состоит в повышении эксплуатационных
свойств трансмиссий транспортных машин специального назначения на основе
совершенствования управления процессом блокировки гидротрансформатора.
Для достижения цели в диссертации поставлены и решаются следующие
задачи:
1. Выполнение теоретического исследования динамики переходных
процессов механической системы «двигатель – трансмиссия – транспортная
машина» при блокировке гидротрансформатора.
4
2. Определение зависимости работы буксования и динамической
нагруженности узлов трансмиссии от законов управления механизмом
блокировки гидротрансформатора.
3. Проведение
экспериментального
исследования
динамики
механической системы «двигатель – трансмиссия – транспортная машина» в
процессе блокировки гидротрансформатора.
4. Синтез программы и создание функциональной схемы системы
автоматического управления блокировкой гидротрансформатора для
обеспечения минимального значения работы буксования и ограничения
коэффициента динамичности нагрузки.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
При построении расчетной схемы и математической модели
механической системы «двигатель – трансмиссия – транспортная машина» в
процессе блокировки ГТК применены методы теоретической и аналитической
механики, дифференциального и интегрального исчисления. Моделирование
нелинейной системы и анализ динамических процессов осуществлялся с
применением прикладных методов вычислительной математики.
Синтез адаптивного управления процессом блокировки ГТК
осуществлялся в соответствии с методами теории автоматического
регулирования.
При обработке экспериментальных данных применялись методы
математической статистики и автоматизированной обработки данных с
использованием прикладных программных пакетов MathCAD и PowerGraph.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны
расчетная
схема
и
математическая
модель,
отличающиеся тем, что позволяют имитировать работу системы “двигатель –
трансмиссия – транспортная машина” при параллельной работе
гидротрансформатора и фрикциона блокировки, а также исследовать поведение
системы в зависимости от начальных условий и характера временной функции
нарастания управляющего давления, определяемого по сигналу обратной связи.
2. Получены новые экспериментальные данные о динамических
процессах, протекающих в системе “двигатель – трансмиссия – транспортная
машина” при блокировке гидротрансформатора.
3. Синтезирована программа, разработана функциональная схема
системы автоматического управления блокировкой гидротрансформатора и
алгоритм ее работы, отличающиеся тем, что адаптивное управление
блокировкой ГТК осуществляется в зависимости от результатов мониторинга,
идентификации требуемых режимов движения машины и ее технического
состояния.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
1. Установлена область оптимального управления блокировкой ГТК,
обеспечивающая минимум работы буксования элементов при ограничении
динамического момента.
5
2. Разработан пакет программ, который позволяет исследовать
динамику системы “двигатель – трансмиссия – транспортная машина” при
вариации начальных условий и временной функции управляющего давления.
3. Обоснована необходимость мониторинга и идентификации
требуемых режимов движения, таких как поворот гусеничных машин и
стабилизация их траекторий движения, исключение резонансных режимов в
дотрансформаторной зоне и фрикционных элементах переключения передач,
движении на спусках, в экстремальной и фатальной ситуации, осуществление
пуска двигателя буксиром и других.
4. Синтезирована программа управления процессом блокировки
гидротрансформатора, позволяющая обеспечить минимум целевой функции на
основе результатов мониторинга и идентификации требуемых режимов
движения.
5. Реализация
оптимального
управления,
базирующегося
на
результатах выполненных теоретических и экспериментальных исследований,
позволяет снизить работу буксования фрикциона блокировки ГТК от 20 до
45%, при уменьшении коэффициента динамического момента в 1.5 раза, что
создает предпосылки обеспечения требуемой долговечности элементов
фрикциона блокировки.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
1. Расчетная схема и математическая модель, отличающиеся тем, что
позволяют имитировать работу системы “двигатель – трансмиссия –
транспортная машина” при параллельной работе гидротрансформатора и
фрикциона блокировки, исследовать поведение системы в зависимости от
начальных условий и характера временной функции нарастания управляющего
давления, определяемого по сигналу обратной связи.
2. Новые
зависимости
интегральных
характеристик
процесса
блокировки гидротрансформатора, полученные на основе результатов
теоретических и экспериментальных исследований динамических процессов,
протекающих в системе “двигатель – трансмиссия – транспортная машина”.
3. Программа, функциональная схема системы автоматического
управления блокировкой гидротрансформатора и алгоритм ее работы,
отличающиеся тем, что адаптивное управление блокировкой ГТК
осуществляется в зависимости от результатов мониторинга и идентификации
требуемых режимов движения машины, технического состояния.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ
Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены
в двух отчетах о НИР и трех актах, переданных ОАО "СКБМ" (г. Курган), ООО
НИИ "МЕХМАШ" и ООО "Стратегия", Завод нестандартного оборудования
(ЗНО). Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе
при подготовке студентов по специальности 190202 Курганского
государственного университета.
6
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные положения и материалы работы докладывались и обсуждались
на 4 научно-технических конференциях, в том числе на Межвузовской
конференции “Молодые ученые – транспорту-2007” – Екатеринбург: УрГУПС,
2007 г.; Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов
“Будущее машиностроения России” – Москва, МГТУ им. Баумана, 2008 г.;
Международной научно-технической конференции “Состояние и перспективы
транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения” - Пермь, ПГТУ,
2009 г; Международной научно-практической конференции “Актуальные
вопросы современной науки и практики” – Курган: Курганский институт
железнодорожного транспорта, 2011г. В полном объеме работа обсуждалась на
объединенных семинарах Курганского государственного университета и
Ижевского государственного технического университета в 2011 г.
ПУБЛИКАЦИИ
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ (из них 3 - в
изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных научных
результатов).
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных
результатов работы и выводов, списка литературы из 85 наименований. Работа
содержит 135 страниц машинного текста, включая 62 рисунка, 8 таблиц, и
приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы. Дана краткая
характеристика состояния проблемы, поставлена цель и задачи исследования,
сформулированы научная новизна и практическая ценность результатов,
приведены основные положения, которые выносятся на защиту.
В первом разделе (Состояние вопроса и обоснование задач
исследования) приводятся анализ проблемы снижения динамической и
тепловой нагруженности ГМТ в процессе блокировки гидротрансформатора,
расчетных схем и моделей динамических систем, обоснование необходимости
оптимального управления процессом блокировки, критический обзор
автоматических систем управления блокировкой и реализуемых программ
управления, предлагаемый подход решения проблемы.
Динамическая нагруженность фрикциона блокировки во многом
определяется программой автоматического управления этим процессом.
Большинство
существующих
программ
управления
блокировкой
гидротрансформатора определяют лишь условия необходимости блокировкиразблокировки. Реализация различных режимов движения транспортных
машин специального назначения, таких как поворот гусеничных машин и
стабилизация их траекторий движения, исключение резонансных режимов в
дотрансформаторной зоне и фрикционных элементах переключения передач,
движении на спусках, в экстремальной и фатальной ситуации, осуществление
пуска двигателя буксиром и других требует существенной адаптации
7
программы управления. Кроме того, в процессе эксплуатации существенно
изменяются температурный режим и техническое состояние элементов.
Необходимые зависимости интегральных критериев качества процесса
блокировки определяются на основе имитационного моделирования динамики
системы по математической модели. Вопросам построения расчетных схем и
математических моделей механических систем “двигатель – трансмиссия –
транспортная машина” и исследованию нагруженности ГМТ рассматриваемого
класса машин посвящены работы В.Б. Альгина, Г.С. Белоутова, С.Е. Бурцева,
Ф.Р. Геккера, О.И. Гируцкого, А.И. Гришкевича, Ю.К. Есеновского-Лашкова,
В.А. Иванова, Г.О. Котиева, И.П. Ксеневича, П.П. Лукина, А.А. Полунгяна,
О.С. Руктешель, В.П. Тарасика, И.Н. Успенского, И.С. Цитовича, В.М.
Шарипова, Ю.И. Чередниченко и многих других специалистов БНУ (БПИ),
ВНИИТРАНСМАШ, ИжГТУ, МАМИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, НАМИ, НАТИ,
ОИМ НАН Белоруссии, ОВА ВС РФ и многие другие.
В анализируемых работах сформулированы основные подходы к
моделированию механических систем. Рассмотренные модели позволяют
исследовать процесс буксования фрикционных элементов (без учета свойств
гидротрансформатора) или динамику системы с разблокированным
гидротрансформатором. Однако динамика системы с гидротрансформатором в
процессе его блокировки проведенным анализом не установлена, что и
определяет необходимость составления более точной расчетной схемы и
проведения соответствующего исследования.
Переходные режимы работы ГТК описываются уравнением движения
насосного и турбинного колес, а также уравнением связи. Последнее наиболее
точно определяется движением рабочей жидкости в полостях ГТК дифференциальным уравнением баланса энергии. В работах Ю.Н. Лаптева, В.И.
Лапидуса, А.Н. Нарбута и др. показано, что при колебательном характере
изменения моментов и угловых скоростей на валах насосного и турбинного
колес в диапазоне угловых ускорений до 900 с-2 можно с достаточной
точностью использовать статические характеристики ГТК, а связь насосного и
турбинного колес описать уравнением кинематической связи.
В процессе управления блокировкой момент трения фрикциона является
суммой двух составляющих: номинальной и вариативной, и зависит от p(t ) искомой временной функции давления. Современное аппаратное и
программное
обеспечение
в
отличие
от
релейного
управления
(электромагнитом) позволяет достаточно точно реализовать требуемый закон
p(t ) .
Коэффициент трения зависит от многих параметров конструкции
фрикциона блокировки и режима его работы, а именно от относительной
скорости скольжения ведущих и ведомых дисков, удельного давления,
температуры и износа дисков. В дисковых фрикционах блокировки,
работающих в масле, коэффициент трения зависит от параметров,
определяющих
критерий
Зоммерфельда,
установленного
для
гидродинамических подшипников. Для материалов пар трения, используемых в
8
конструкции фрикционов блокировки “сталь 65Г – металлокерамика МК5”,
работающих в масле ТЗСП-8 в рабочем диапазоне температуры 80-100оС
нелинейную зависимость коэффициента трения от относительной угловой
скорости можно принимать в соответствии с экспериментальными данными
Криулина А.В. и др.
Стандартизованная методика расчета фрикционных узлов трансмиссий
заключается в определении следующих параметров при заданных условиях
процесса: коэффициента запаса в буксующем и включенном состоянии
фрикционного узла. Особое внимание уделяется оценке долговечности по
износу дисков трения; температурному расчету дисков трения;
формоизменению дисков трения в процессе эксплуатации (коробление и
усадка); необходимому удельному расходу масла для смазки дисков трения;
моменту сопротивления и потерям мощности в разомкнутом фрикционном
узле, работающем в масле. Подавляющее большинство существующих
рекомендаций по выбору параметров конструкции фрикционных узлов
проектируемых трансмиссий базируются на данной методике расчета, однако,
задача управления процессом, обеспечивающая минимум работы буксования,
не ставится.
В работах С.В. Абдулова, И.П. Ксеневича, В.П. Тарасика, В.Ф. Ягубова и
др. показано, что интенсивное нарастание момента трения вызывает
существенные динамические нагрузки в трансмиссии. Плавное включение
фрикциона снижает динамическую нагруженность, однако приводит к росту
работы буксования во фрикционе. Можно предположить, что такой же характер
наблюдается и во фрикционе блокировки ГТК. Таким образом, задача поиска
управления является противоречивой и требует оптимального решения и
проведения дополнительных исследований.
Требуемые математические зависимости интегральных параметров
процесса блокировки от начальной относительной скорости, длительности
процесса и временной функции давления необходимо установить при
исследовании динамики системы. В связи с тем, что модель системы строится с
определенными допущениями, в процессе экспериментальных исследований
необходимо определить их корректность и адекватность модели, а так же
идентифицировать параметры процесса.
При изменении состояния или режимов функционирования фрикционных
устройств необходима коррекция управляющих воздействий, направленная на
снижение влияния этих изменений на качественные показатели работы
трансмиссии, но эта задача является многопараметрической. Учет большого
количества параметров повышает контролируемость и диагностируемость
объекта и возможность повышения качества процессов управления, однако
приводит к увеличению количества датчиков, повышению требований к
системе сбора и обработки информации, усложнению алгоритмов
функционирования системы управления. В связи с этим систему
информационного обеспечения необходимо разделить: при диагностике и
контроле технического состояния использовать максимум информации, а для
управления переходными процессами обходиться минимумом, т.е. управление
9
должно осуществляться в условиях недостаточности информации об объекте
управления, его технического состояния и условиях функционирования. В
работах Тарасика В.П., конструкциях ведущих фирм-производителей
автоматических трансмиссий, таких как «Zahnrad Fabric», «Mercedes Benz»
(Германия), «Toyota», «Nissan» (Япония), «General Motors», «Allison» (США)
показано, что эффективным параметром оценки технического состояния и
длительности процесса буксования целесообразно принять относительную
скорость элементов в процессе буксования фрикциона. Это позволяет
ограничить работу буксования регулированием давления p(t ) . В процессе
синхронизации элементов величина давления должна быть достаточной для
преодоления приведенного момента сопротивления, а по окончании буксования
давление доводится до рабочего уровня.
С использованием современного аппаратного и программного
обеспечения представляется возможным реализовать адаптивное управление
блокировкой на основе мониторинга требуемых режимов движения,
приведенных выше, а также технического состояния элементов системы
управления. На основе приведенного анализа в работе обоснованы и решены
задачи, приведенные выше.
Во втором разделе (Теоретическое исследование динамической
системы «двигатель – трансмиссия – транспортная машина» в процессе
блокировки
гидротрансформатора)
приводится
расчетная
схема
механической системы “двигатель – трансмиссия – транспортная машина”,
математическая модель, результаты моделирования и их анализ.
Для проведения теоретического исследования динамики переходных
процессов механической системы “двигатель – трансмиссия – транспортная
машина” при блокировке гидротрансформатора разрабатывается расчетная
схема (рис.1) и соответствующая ей математическая модель.
Трансмиссия как подсистема переменной структуры наряду с
инерционными массами включает насосное, турбинное колеса и реактор
гидротрансформатора, между которыми существует гидродинамическая связь.
Кроме того, параллельно ГТК введен управляемый фрикционный элемент.
Математическая модель представлена в виде системы пяти линеаризованных
дифференциальных уравнений (1).
На расчетной схеме упруго-диссипативная связь двигателя с насосным
колесом формирует так называемую дотрансформаторную зону, которая
характеризуется при определенных частотах вращения вала двигателя
резонансными режимами. На основе проведенных исследований сделан выбор
параметров этой связи, при которой резонансные режимы выводятся за
пределы рабочего диапазона мажорных частот двигателя. Динамические
характеристики двигателя, гидротрансформатора и момента трения
моделируются
соответствующей
нелинейной
системой
уравнений.
Интегрирование системы осуществляется в программном пакете MathCAD при
варьировании начальной относительной угловой скорости 0 и временной
функции управляемого давления p(t ) , определяющих момент трения M тр .
10
Рис. 1 - Расчетная схема системы “двигатель – трансмиссия –
транспортная машина”
 J10  F( , )  M d ,
 J   F( , )  M ( )  R  M ( sign( ))    0,
H
Н
тр
 2 2

 J 34  C 2( 4   6 )  M T ( Н , i ГТ , i ГТ )  R  M тр ( sign( ))    0,
 
 J 4 6  C 2( 6   4 )  С3( 6  8 )  0,
 J 58  С3(8   6 )  М С  0.
(1)
В системе приняты следующие обозначения:
J1 , J 2 , J 3 , J 4 , J 5 - приведенные моменты инерции вращающихся частей
двигателя; насосного колеса ГТК; турбинного колеса ГТК и коробки передач;
главной передачи и дифференциала; машины соответственно;
 i - угловые перемещения сосредоточенных масс;
F( , ) - упругий момент, являющийся функцией угла закрутки вала  и
направления скорости относительного перемещения  , учитывающий
нелинейность “сухого” трения гасителя колебаний;
C1 , C2 , C3 - приведенные жесткости входного вала коробки передач,
карданного вала и полуосей ведущих мостов соответственно;
M d , M С - моменты, создаваемые двигателем и сопротивлением движению
гусеничной машины;
M тр ( sign( )) - нелинейная функция момента трения во фрикционе
механизма блокировки ГТК;
11
M H ( Н ) , M T ( Н , i ГТ , iГТ ) - моменты на насосном и турбинном колесах
ГТК;
1 :  Н  Т  
1 :  Н  Т  0
, R
- дискретные функции 
0 :  Н  Т  
0 :  Н  Т  0
индикаторы состояния фрикциона блокировки.
Разработанная расчетная схема и соответствующая ей математическая
модель позволяют имитировать систему “двигатель – трансмиссия –
транспортная машина” в процессе блокировки гидротрансформатора и
исследовать ее поведение в зависимости от различных начальных условий.
Отличие модели заключается в том, что учтены параллельность работы
гидротрансформатора и фрикциона блокировки. Характер временной функции
нарастания управляющего давления определяется по сигналу обратной связи, а
коэффициент трения является нелинейной функцией.
В результате имитационного моделирования для каждой передачи
рассчитываются временные функции угловых скоростей ведущих и ведомых
частей в процессе блокировки фрикциона, а также динамический момент.
Фрагмент результатов моделирования при движении автомобиля на V передаче
приведен на рис.2.
Рис. 2 - Фрагмент результатов компьютерного моделирования процесса
блокировки гидротрансформатора на V передаче
По результатам моделирования определяются длительность процесса
буксования t б , коэффициент динамичности k d и работа буксования Lб и
устанавливаются зависимости интегрального критерия качества процесса
блокировки и функциональных ограничений. Из установленных зависимостей
следует, что параметры функционирования определяются степенью начальной
асинхронности угловой скорости вращения ведущих и ведомых частей
фрикциона блокировки, длительностью процесса синхронизации, а также
временной функцией давления управления включением фрикциона.
На рис. 3 и 4 представлены расчетные зависимости работы буксования и
коэффициента динамичности нагрузки от двух параметров: относительной
скорости и длительности процесса.
12
Рис. 3 - Расчетные зависимости работы буксования и коэффициента
динамичности нагрузки от параметров управления на передачах III, IV, V
Рис. 4 - Расчетные зависимости работы буксования и коэффициента
динамичности нагрузки от параметров управления на пятой передаче
При выполнении имитационного моделирования принят ряд допущений,
оценку корректности которых необходимо произвести. При адекватности
модели реальному процессу установленные зависимости могут быть основой
синтеза оптимального управления блокировкой гидротрансформатора.
В третьем разделе (Экспериментальное исследование динамической
нагруженности гидромеханической трансмиссии транспортной машины в
процессе блокировки гидротрансформатора) приводятся цели и задачи
экспериментального исследования, основные результаты и их анализ.
Объектом экспериментального исследования является фрикцион
блокировки
трансформатора
ГТК-XV-380,
в
составе
опытной
гидромеханической трансмиссии транспортной машины.
13
Цель экспериментального исследования заключается в определении
адекватности математической модели динамики механической системы
реальному процессу, а также идентификация параметров динамического
процесса блокировки.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Установление
силовых
и
кинематических
параметров,
определяющих начальные условия процесса блокировки гидротрансформатора.
2. Определение динамической нагруженности элементов трансмиссии в
процессе блокировки гидротрансформатора.
3. Идентификация параметров динамического процесса (функции
давления p(t ) , коэффициента динамичности k d , длительности блокировки t б и
работы буксования Lб ).
В процессе экспериментального исследования трансмиссии измерялись и
регистрировались следующие параметры:
- крутящий момент на карданном валу, соединяющем трансмиссию с
раздающим редуктором Мвв;
- частота вращения вала двигателя nд и выходного вала ГМТ nвв;
- давление в бустере фрикциона блокировки ГТК Фгт.
Измерение параметров осуществлялось с помощью комплекса бортовой
измерительной аппаратуры на базе ноутбука GETAC, разработанного на
кафедре гусеничных машин Курганского государственного университета И.А.
Тараторкиным. Комплекс включает в себя датчики: тензометрические для
измерения моментов, оборотов валов ИС445, виброускорений элементов АНС014-02, давления, а также радиоканал для передачи информации с
вращающихся датчиков.
Изменение кинематических и силовых параметров при трогании с места
и разгоне машины с I по VI передачам приведены на осциллограмме (рис. 5).
Сводные данные основных параметров, определяющих начальные условия, а
также динамическую нагруженность трансмиссии в процессе блокировки
гидротрансформатора приведены в таблице 1. Из фрагмента осциллограммы и
таблицы следует, что процесс движения транспортной машины характеризуется
высокой динамической нагруженностью элементов трансмиссии, особенно при
переходных процессах блокировки гидротрансформатора. Максимальное
значение момента на выходном валу трансмиссии наблюдается при блокировке
гидротрансформатора на пятой передаче, и составляет 3000 Нм ( k d  3 ).
Из анализа результатов экспериментальных исследований следует, что
начальными условиями блокировки ГТК принята частота вращения вала
двигателя nд . На всех передачах начало блокировки ГТК происходило в
диапазоне nd  2000  100 об/мин. Однако, частота вращения турбины nt в
начале блокировки, как и передаточное отношение ГТК i ГТ практически не
учитывается. Значения этих параметров находятся в пределах от i ГТ  0.72 на
шестой передаче до i ГТ  0.91 на третьей. Соответственно, относительная
скорость вращения насосного и турбинного колес также не принимается во
14
внимание. Ее минимальное значение на третьей передаче составляет 180 об/мин
на III передаче, а максимальное равно 500 об/мин на VI передаче. Кроме того,
не учитывается время буксования t б . Его минимальное значение равно 0.13 с.
на III передаче, а максимальное 0.26 с. на VI передаче. Это предопределяет
высокую динамическую нагруженность трансмиссии (максимальный
коэффициент динамичности k d  3 ) и работу буксования фрикционных
элементов.
Рис. 5 – Фрагмент осциллограммы изменения кинематических и силовых
параметров ГМТ при разгоне транспортного средства
Таблица 1 – Экспериментальные значения основных кинематических и силовых
параметров
Условия блокировки ГТК
№
передачи
I
II
III
IV
V
VI
Обороты
двигателя
n д , об/мин
Обороты
турбинного
колеса ГТ
nt , об/мин
Максимальный Коэффициент
момент M max , динамичности
kд
Нм
Длительность
блокировки,
t б ,с
ГТК не блокируется
2080
2100
2000
1850
1900
1900
1550
1350
2250
2800
3000
2250
1.68
2.36
3.00
3.00
0.13
0.11
0.20
0.26
Адекватность результатов моделирования по экспериментальным
данным определялась по виду функциональной зависимости  H (t ) и T (t ) ,
длительности процесса буксования t б , величинам коэффициента динамичности
момента kд и работы буксования Lб . Анализ сходимости результатов
15
экспериментального и теоретического исследований показал, что ошибка
моделирования по работе буксования составляет 3-16%, большее значение
соответствует третьей передаче, меньшее – шестой. По коэффициенту
динамичности момента – максимальная ошибка 16% на шестой передаче,
минимальная 3% на пятой. Приведенные значения отклонений являются вполне
допустимыми при исследовании динамических систем.
По результатам экспериментальных исследований можно сделать
выводы:
1. Реальные переходные процессы блокировки гидротрансформатора
совпадают с результатами компьютерного моделирования. Расхождения
результатов эксперимента и компьютерного моделирования составляют 3-16%,
что свидетельствует об адекватности математической модели, а также
корректности принятых допущений.
2. При переходных процессах
блокировки гидротрансформатора
элементы
гидромеханической
трансмиссии
испытывают
высокую
динамическую нагруженность. Максимальное значение коэффициента
динамичности k d  3 наблюдается при блокировке гидротрансформатора на V
и VI передачах.
3. Для снижения динамической нагруженности, требуется:
- выбор начальных условий блокировки гидротрансформатора;
- выбор закона управления давлением во фрикционе блокировки
гидротрансформатора.
В четвертом разделе (Обобщение результатов теоретического и
экспериментального исследований) приводится формирование и обоснование
области
оптимального
управления
процессом
блокировки
как
многопараметрической функции работы буксования и коэффициента
динамичности нагрузки, функциональная схема автоматизированной системы
управления блокировкой ГТК и блок-схема алгоритма ее работы.
На
основе
выполненных
исследований в работе поставлена и
решена
задача
оптимального
управления процессом блокировки
ГТК.
Задача
формулируется
следующим образом: определить
начальные условия  и временную
функцию давления p(t ) в бустере
фрикционного
элемента,
обеспечивающие минимум работы
буксования
при
выполнении
ограничений M d (t )  [ M d ] , tб  [t ] ,
Рис.6 - Определение области
 ГТ > [ ГТ ]
(КПД
ГТК),
оптимального управления
определяющие
уровень
блокировкой ГТК
тепловыделения, расход топлива,
16
скоростные и динамические свойства машины.
Таблица 2 - Эффективность управления блокировкой ГТК
Параметр оценки
Коэффициент
динамичности
kd
Работа
буксования, Lб ,
кДж
Номер передачи
III
IV
V
VI
Эксперимент
1.68
2.30
3.0
3.00
Результат моделирования
1.40
2.00
3.0
3.50
Предлагаемое управление
1.30
1.90
2.0
2.20
Эксперимент
2.20
2.20
3.6
4.15
Результат моделирования
2.50
2.30
3.3
4.10
Предлагаемое управление
2.40
2.15
1.8
3.30
Таким
образом,
при
оптимальном
управлении
блокировкой
гидротрансформатора может быть достигнуто снижение работы буксования
фрикциона блокировки ГТК от 20 до 45%, при ограничении коэффициента
динамического момента не выше 2.2 (в 1.4 – 1.5 раза меньше).
Для реализации полученных результатов разработана функциональная
схема автоматизированной системы управления блокировкой ГТК.
Предлагаемая система содержит двигатель с E-gas, управляемой первым
микропроцессором, автоматизированную гидромеханическую трансмиссию с
фрикционами управления блокировкой гидротрансформатора, золотниковую
коробку с пропорционально регулируемыми электромагнитными клапанами
(соленоидами), управляемые вторым микропроцессором, датчики скорости
движения, частоты вращения двигателя, давления и температуры масла,
соединенные со входом обоих контроллеров, а также сенсоров положения и
перемещения органов управления движением машины (  пт ,  шт ,  т ),
избиратель программ движения. Данная система отличается тем, что в нее
дополнительно введен блок мониторинга и идентификации требуемого режима
движения, со входом которого соединены сенсоры положения и перемещения
органов управления движением машины (  пт ,  шт ,  т ) и избиратель
программ движения, а выход блока соединен с первым и со вторым
контроллерами.
Особенность алгоритма работы предлагаемой системы состоит в том, что
адаптивное управление блокировкой ГТК осуществляется в зависимости от
результатов мониторинга и идентификации требуемых режимов движения
машины и технического состояния.
Блокировка ГТК в процессе переключения передач осуществляется по
условию синхронизации вращения насосного и турбинных колес бл0 . При
этом управление давлением серводвигателя фрикциона блокировки
осуществляется по сигналу обратной связи. При движении машины на высших
передачах с ограниченным ускорением и сопротивлением дороги процесс
переключения передач может быть выполнен без разблокировки ГТК. Если
ГТК разблокирован в процессе переключения передач, то, вследствие свойств
17
ГТК, блокировка осуществляется при ограничении значения момента на
турбине. Момент может быть существенно уменьшен при синхронизации колес
ГТК и, более того, стать отрицательным при обгоне турбиной насосного колеса.
Для исключения дестабилизации кривизны траектории движения гусеничной
машины в процессе поворота (вход в спираль) блокировка ГТК, как и
переключение передач вниз осуществляется как в экстремальных условиях.
При фатальной ситуации (уменьшение уровня масла в гидросистеме
управления или повышение его температуры, недовключение фрикциона
блокировки) осуществляется экстренное включение блокировки и отключение
системы смазки и охлаждения трансмиссии. В случае выхода значений
температуры за пределы диапазонов, на которые разделена область
эксплуатационных значений (рекомендуемый, допустимый, предельный и
аварийный), режим движения ( VМ ,  Д ) выбирают из условия защиты силового
блока от критических режимов работы. В условиях, когда температура
охлаждающей жидкости 120 o C  tож  30 o C в течение 5 секунд и температура
масла в системе смазки двигателя 110 o C  tССД  40 o C в течение 3 секунд,
управление осуществляется в зависимости от значения параметров. Если оно
приближается к зоне высших предельных значений (например, tож  120 o C ),
то информация вводится в базу данных, открываются жалюзи, увеличивается
частота вращения вентилятора. Если через 5 секунд температура не снижается,
то происходит переключение на низшую передачу, увеличивается частота
вращения вала двигателя, а нагрузка на двигатель уменьшается. Если позволяет
температура масла в гидромеханической трансмиссии, то можно
разблокировать гидротрансформатор. Если значение температуры ниже
предельной, то предусматривается запрет на включение передач, кроме I, II и
ЗХ, закрываются жалюзи, выключается вентилятор, разблокируется ГТК, а при
температуре воздуха ниже -20 включается подогреватель.
В процессе стабилизации траектории движения машины (при ошибочном
превышении водителем допустимой скорости) по условиям входа и движения в
повороте ГТК разблокируется, а давление подпитки переключается на
гидрозамедлитель. Введение гидрозамедлителя с электромагнитным клапаном
управления заполнением и опорожнением ГТК придает быстроходной
гусеничной машине новые свойства: возможность торможения машины
позволяет тормозить гусеничную машину, сохраняя возможность управления
поворотом.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ
1. На основе проведенного исследования в данной работе обоснована и
решена задача повышения эксплуатационных свойств трансмиссии
транспортной машины специального назначения на основе совершенствования
управления процессом блокировки гидротрансформатора.
2. При решении этой задачи теоретическим и экспериментальным
исследованием процесса блокировки получены новые зависимости работы
18
буксования фрикциона, коэффициента динамичности момента в процессе
блокировки от начального значения относительной скорости и длительности
процесса.
3. Обоснован выбор начальных условий и временной функции
управляющего давления в бустере фрикциона, определяемого по сигналу
обратной связи, обеспечивающих минимум принятого критерия оптимальности
– работы буксования в процессе блокировки. В качестве функциональных
ограничений приняты значения динамического момента и потерь мощности,
определяющих уровень тепловыделений, топливную экономичность,
скоростные и динамические свойства машин, оснащенных ГМТ, а также
исключающих резонансные режимы во фрикционах трансмиссии.
4. Минимум работы буксования достигается при степени асинхронности
вращения насосного и турбинного колес, в диапазоне 10…40 рад/с и i ГТ  0.95 .
На этапе синхронизации временная характеристика давления управления
должна быть двухступенчатой. Величина давления на этом этапе должна быть
достаточной для обеспечения замедления насосного колеса и преодоления
момента сопротивления с учетом номера включенной передачи.
5. Реализация предложенных закономерностей требует соответствующего
программного и аппаратного обеспечения. Уровень фильтрации применяемого
масла не ниже 12 класса чистоты и стабильной вязкостно-температурной
характеристики, индекс вязкости не менее 140.
6.
Проведенные
экспериментальные
исследования
опытной
гидромеханической трансмиссии автомобиля многоцелевого назначения и
статистическая обработка показывает:
- начало процесса блокировки осуществлялось без учета относительной
скорости вращения насосного и турбинного колес ГТК. Это предопределило
высокую динамическую нагруженность ( k д  3 ) и работу буксования.
- экспериментальные результаты отличаются от данных имитационного
моделирования по работе буксования 3…16%, а по коэффициенту
динамичности 3…14 %. Это подтверждает адекватность разработанных
математических моделей, отражающих процессы, протекающие во фрикционе
при блокировке ГТК.
7. Разработана функциональная схема автоматизированного управления
блокировкой, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введен блок
мониторинга и идентификации требуемых режимов движения машины.
8. Предложен алгоритм работы системы, отличающийся тем, что
адаптивное управление блокировкой ГТК осуществляется в зависимости от
результатов мониторинга и идентификации требуемых режимов движения
машины и технического состояния системы. Это позволяет сократить число
нерациональных
процессов
включения-выключения
блокировки
гидротрансформатора.
9. Реализация оптимального управления, базирующегося на результатах
выполненных теоретических и экспериментальных исследований, позволяет
снизить работу буксования фрикциона блокировки ГТК от 20 до 45%, при
19
уменьшении коэффициента динамического момента в 1.5 раза. Предложенное
управление позволяет снизить общую динамическую нагруженность
трансмиссии в процессе эксплуатации машин и повысить долговечность
элементов конструкции.
ПО ТЕМЕ ДИССЕРТИЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ
ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ:
В изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных научных
результатов:
1. Держанский В.Б., Тараторкин И.А., Климова А.С. Прогнозирование
резонансных режимов в гидромеханической трансмиссии транспортной
машины // Вестник ЮУрГУ, серия Машиностроение вып. 11. – №10 [110]. –
2008. – С. 30-35
2. Климова А.С. Проблема снижения динамической и вибрационной
нагруженности гидромеханических трансмиссий транспортных машин //
Вестник 14(2) МАНЭБ. – Санкт-Петербург, 2009. – С. 66-69
3. Климова А.С. Синтез программы управления блокировкой
гидротрансформатора // Вестник Академии военных наук. – №2 (35). – 2011. –
С. 146-153
Другие публикации:
4. Тараторкин И.А., Климова А.С., Кротов И.А. Прогнозирование
динамической нагруженности гидромеханической трансмиссии транспортных
машин
с
элементами,
обладающими
существенно
нелинейными
диссипативными свойствами // Молодые ученые – транспорту-2007: Сборник
научных трудов, посв. 170-летию российских железных дорог. – Екатеринбург:
УрГУПС. - 2007. - С. 154-166
5. Тараторкин И.А., Климова А.С. Управляемость транспортной
гусеничной машины с нелинейной системой управления поворотом // Сборник
трудов всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. – М.:
МГТУ им. Баумана, 2008. – С. 253-254.
6. Климова А.С. Алгоритм решения дифференциальных уравнений с
существенно нелинейной правой частью // Сборник научных трудов аспирантов
и соискателей КГУ. - вып. XI. – Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2009. –
С.12-13
7. Держанский, В.Б., Тараторкин И.А., Климова А.С. Снижение
динамической нагруженности фрикциона блокировки гидротрансформатора
ГМТ ТМ // Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности
дорожного движения.
Материалы международной научно-технической
конференции. Пермь, Изд-во Пермского ун-та, 2009 (16-18 апреля 2009 г.) –
С.313-320
8. Держанский В.Б., Тараторкин И.А., Климова А.С. Проблема
автоматического управления блокировкой гидротрансформатора // Вестник
16(3) МАНЭБ. – Санкт-Петербург, 2011.
20
Научное издание
Климова Александра Сергеевна
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТРАНСМИССИЙ
ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БЛОКИРОВКИ
ГИДРОТРАНСФОРМАТОРА
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати
Формат 60  84 1/16
Заказ
Усл. печ. л. 1,0
Тираж 100 экз.
Редакционно-издательский центр КГУ
640669, г. Курган, ул. Гоголя 25.
Курганский государственный университет
Бумага тип. №1
Уч. – изд. л.1,0
Бесплатно
Скачать

На правах рукописи КЛИМОВА Александра Сергеевна ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТРАНСМИССИЙ