Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Повышение эксплуатационных свойств трансмиссий транспортных машин специального назначения на основе совершенствования управления процессом блокировки гидротрансформатора
Общая характеристика 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.
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.
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.
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, 2011 г. 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
гидротрансформатор трансмиссия буксование управление
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 блокировки-разблокировки. 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 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.