Автореферат: Повышение эксплуатационных свойств трансмиссий транспортных машин специального назначения на основе совершенствования управления процессом блокировки гидротрансформатора

Рис. 5. Фрагмент осциллограммы изменения кинематических и силовых параметров ГМТ при разгоне транспортного средства

Таблица 1. Экспериментальные значения основных кинематических и силовых параметров

Адекватность результатов моделирования по экспериментальным данным определялась по виду функциональной зависимости и , длительности процесса буксования , величинам коэффициента динамичности момента и работы буксования . Анализ сходимости результатов 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 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.

Рис. 6. Определение области оптимального управления блокировкой ГТК

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 в бустере фрикционного элемента, обеспечивающие минимум работы буксования при выполнении ограничений , , > (КПД ГТК), определяющие уровень тепловыделения, расход топлива, скоростные и динамические свойства машины.

Таблица 2. Эффективность управления блокировкой ГТК

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 (,,), 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 (,,) 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 . 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 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 () выбирают из условия защиты силового блока от критических режимов работы. В условиях, когда температура охлаждающей жидкости в течение 5 секунд и температура масла в системе смазки двигателя в течение 3 секунд, управление осуществляется в зависимости от значения параметров. Если оно приближается к зоне высших предельных значений (например, ), 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 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 . 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 () 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 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 диссертации опубликованы следующие основные работы

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

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.