НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 629.3.02

В работе [1] был представлен метод повышения быстроходности двухзвенной гусеничной машины (ДГМ) использующий управление углом складывания секций в вертикальной плоскости во время движения. Метод заключается в том, что во время движения ДГМ по неровностям местности, взаимное угловое положение секций принудительно изменяется таким образом, чтобы машина огибала неровности. В [1] было показано, что для ДГМ с симметричной подвеской секций, угол складывания секций должен определяться по формуле:

,                                   (1)

где f_1i, f_2i, f_ст1i, f_ст2i – текущие и статические хода подвесок опорных катков секций ДГМ, l_ш – расстояние от центра тяжести секции до шарнира узла сочленения, n – количество опорных катков по одному борту секции ДГМ. Применение данного закона управления должно привести к снижению вертикальных ускорений на месте механика-водителя и тем самым повысить плавность хода ДГМ по неровностям местности. В данной статье представлена оценка эффективности предложенного метода повышения быстроходности ДГМ.

Важнейшей характеристикой, определяющей эффективность ДГМ, как и любого другого транспортного средства, является скорость движения, которая оказывает значительное влияние на динамические нагрузки силовой цепи машины при заданных дорожно-грунтовых условиях.

Скорость движения ДГМ зависит от ее технических характеристик, внешних условий движения и квалификации водителя. Водитель в каждый момент времени стремится управлять машиной так, чтобы добиться максимальной скорости в данных условиях движения. Однако, несмотря на важную роль опыта водителя, в каждом конкретном случае существует верхняя не зависящая от водителя граница скорости, которая определяется техническими возможностями машины и внешними условиями движения. Эту скорость, являющуюся реальной скоростью машины в данных условиях при идеальном безошибочном управлении водителем, называют технической скоростью движения машины [2]. В данной работе оценка быстроходности ДГМ будет сводиться к определению средней технической скорости прямолинейного движения, ограниченной системой подрессоривания V_ср.т и коэффициента качества системы подрессоривания K_п, введенного в работе [3].

K_п = V_ср.п/ V_ср.т,

где V_ср.т – средняя техническая скорость по тяговым свойствам ДГМ.

Как показывает опыт эксплуатации быстроходных ДГМ, их скорости при прямолинейном движении по неровностям в основном ограничиваются качеством системы подрессоривания. При плохой системе подрессоривания, вследствие жестких ударов балансиров катков в упоры, возникают вертикальные ускорения (более 3,5g [3]), заставляющие водителя снижать скорость. При отсутствии таких ударов, называющихся «пробоями» подвески, вертикальные ускорения обычно находятся в допустимых пределах. Поэтому основной характеристикой, оценивающей влияние системы подрессоривания на среднюю скорость ДГМ, должна быть зависимость, отражающая возможность движения машины без «пробоев» подвески.

В качестве такой характеристики принимают скоростную характеристику системы подрессоривания – кривую, отражающую зависимость от скорости максимальной высоты неровностей, которые ДГМ может преодолевать без «пробоев» подвески при самых неблагоприятных условиях движения по неровностям с гармоническим профилем [3]. Форма и, главным образом, высота расположения скоростной характеристики в координатах h и V определяет степень влияния системы подрессоривания на среднюю скорость ДГМ. Иными словами, чем больше высота неровностей, которые ДГМ преодолевает без «пробоев» во всем диапазоне скоростей, тем меньше система подрессоривания влияет на снижение средней скорости.

Таким образом, для определения средней скорости сначала надо построить скоростную характеристику системы подрессоривания ДГМ. Необходимо отметить, что наиболее опасными длинами неровностей для ДГМ кроме длин неровностей кратных базе секций (L), являются длины неровностей кратные расстоянию между центрами тяжести секций (L₁) и кратные общей базе ДГМ (L₂) (рис. 1). Причем ДГМ может войти в резонанс по вертикальным колебаниям, по продольно-угловым колебаниям секций и по продольно-угловым колебаниям ДГМ как единого целого.

Рис. 1.  Геометрические параметры ходовой части ДГМ

Среднюю техническую скорость прямолинейного движения, ограниченную системой подрессоривания определим по уточненной формуле, предложенной в работе [4] на основе аналитического выражения, полученного авторами работы [3].

,            (2)

где V₀ – скорость ДГМ по достижению которой необходимо начинать учитывать ограничения по системе подресоривания (до этой скорости, скорость ДГМ определяется только тягово-сцепными свойствами); V₁ – скорость ДГМ на которой скоростная характеристика подвески имеет минимум; V_max – максимальная скорость движения ДГМ; h₀ – максимальная высота периодических неровностей, учитывающихся при решении задач плавности хода ДГМ; h₁ – максимальная высота периодических неровностей, которые ДГМ способна преодолевать во всем скоростном диапазоне; Ф_s(h₀), Ф_s(h₁) – вероятности встречи неровностей высотой менее или равной h₀ и h₁ соответственно.

Параметры, входящие в выражение (2) рекомендуется определять следующим образом: h₁ соответствует минимуму скоростной характеристики подвески; h₀ выбирается таким образом, чтобы вероятности встречи неровностей, высотой менее или равной h₀ для исследуемой трассы составляла Ф_s(h₀) = 0,98; V₀ = h₁V₁/h₀; V₁ подбирается так, чтобы гиперболическая огибающая охватывала всю скоростную характеристику; Ф_s(h₀), Ф_s(h₁) определяются функцией распределения вероятностей высот неровностей по пути. V_max определяется из тактико-технических характеристик ДГМ.

Функция распределения высот неровностей по пути хорошо аппроксимируется законом распределения Рэлея [2]:

                                                       (3)

где s_h – среднее квадратическое отклонение высот неровностей.

где s_z – среднее квадратическое отклонение ординат микропрофиля пути от среднего значения; k – отношение математических ожиданий числа экстремумов к математическому ожиданию числа нулей случайной функции микропрофиля, приходящихся на единицу пути. Подробнее о вероятностных характеристиках микропрофиля пути изложено в [5].

По данным [2] среднее квадратическое отклонение ординат микропрофиля пути s_z для грунтовых дорог, наезженных гусеничными машинами находится в диапазоне то 0,1 до 0,2 м. Для s_z = 0,2м;  среднее квадратическое отклонение высот неровностей s_h = 0,231м. В этом случае за максимальную высоту периодических неровностей, учитывающихся при решении задач плавности хода необходимо принять h₀ » 0,65м., так как вероятности встречи неровностей, высотой менее или равной h₀ будет Ф_s(h₀) = 0,98. Такие неровности имеют большую длину и оказывают влияние на плавность хода длиннобазных однозвенных машин и ДГМ.

Для оценки эффективности метода повышения быстроходности ДГМ проведем сравнительный анализ быстроходности ДГМ с применением закона складывания звеньев в вертикальной плоскости и без него.

Рассмотрим перспективную ДГМ полной массы 60 т. с двухуровневой системой подрессоривания. На рис. 2 представлена упругая характеристика для каждого из уровней подвески. На рис. 3 представлена демпфирующая характеристика уровня низкой жесткости двухуровневой подвески. Выбору характеристик двухуровневых систем подрессоривания посвящены работы [6-10].

Рис. 2.  Упругая характеристика подвески:

1 – уровень высокой жесткости; 2 – уровень низкой жесткости

Рис. 3.  Демпфирующая характеристика уровня низкой жесткости двухуровневой подвески: 1 – прямой ход; 2 – обратный ход

С использованием имитационного математического моделирования были получены скоростные характеристики ДГМ по ускорению 3,5g на месте механика-водителя с управлением углом складывания в вертикальной плоскости и без него (рис. 4). Движение проводилось по длинам неровностей а₁ = 2L = 8,1м; а₂ = L₂ = 11,2м; а₃ = 2L₁ = 15м; а₄ = 2L₂ = 22,4м.

а

б

Рис. 4.  Скоростная характеристика по ускорению 3,5g на месте механика-водителя для ДГМ с управлением углом складывания секций (а) и без него (б): 1 – 4 - периодические неровности с длинами 2L=8,1м, L₂=11,2м, 2L₁=15м, 2L₂=22,4м соответственно; 5 - огибающая

При вычислении средних скоростей и коэффициентов качества системы подрессоривания считалось, что ДГМ оснащены мощными силовыми установками и их средние технические скорости по тяговым свойствам V_ср.т составляют 16,6 м/с (60 км/ч), а максимальные скорости V_max равняются 27 м/с (97,2 км/ч).

В таблицу занесены вычисленные значения средних скоростей, коэффициентов качества системы подрессоривания и параметров их определяющих.

Средние скорости прямолинейного движения V_ср.п, ограниченные системой подрессоривания и параметры их определяющие

Анализируя данные таблицы можно сделать вывод, что использование разработанного метода управления углом складывания секций ДГМ в вертикальной плоскости позволяет повысить среднюю скорость прямолинейного движения, ограниченную по системе подрессоривания, более чем на 75%. При этом коэффициент качества системы подрессоривания составляет 0,84, что соответствует уровню современных быстроходных гусеничных машин.

Список литературы

1. Котиев Г.О., Сарач Е.Б., Смирнов И.А. Повышение подвижности двухзвенной гусеничной машины управлением углом складывания секций в вертикальной плоскости во время движения [Электронный ресурс] // Электрон. журн. «Наука и образование: электронное научно-техническое издание», 2010 выпуск 1 ╧0420900025\0006 – Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/113356.html, свободный.

2. Савочкин В.А., Дмитриев А.А. Статистическая динамика транспортных и тяговых гусеничных машин. - М.: Машиностроение, 1993. - 320 с.

3. Дмитриев А. А., Чобиток В. А., Тельминов А. В. Теория и расчет нелинейных систем подрессоривания гусеничных машин. – М.: Машиностроение, 1976. – 207 с.

4. Котиев Г.О., Сарач Е.Б., Смирнов И.А. Метод определения средней скорости прямолинейного движения гусеничной машины на этапе проектирования [Электронный ресурс] // Электрон. журн. «Наука и образование: электронное научно-техническое издание», 2010 выпуск 4 ╧0420900025\0006 – Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/113356.html, свободный.

5. Сарач Е.Б. Методы преобразования статистических данных микропрофиля пути // Журнал ассоциации автомобильных инженеров. – 2010. – ╧ 2. – С. 53-56.

6. Сарач Е.Б. Метод выбора характеристик системы подрессоривания с нецелым числом степеней свободы для быстроходной гусеничной машины: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 150 с.

7. Сарач Е.Б. Определение соотношения жесткостей упругих элементов фрактальной двухуровневой системы подрессоривания быстроходной гусеничной машины // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. – 2010. – ╧ 1. – С. 102-108.

8. Сарач Е.Б., Котиев Г.О. Метод синтеза многоуровневых систем подрессоривания быстроходных гусеничных машин // Тракторы и сельхозмашины. – 2010. – ╧ 4. – С. 24-29.

9. Moreau X., Ostaloup A. Nouillant M. Comparison of LQ and CRONE methods for the design of suspension systems // 13^th IFAC World Congress. – San Francisco (USA), 1996. – P. 62 – 67.

10. Oustaloup A., Moreau X., Nouillant M. The CRONE suspension // Control Engineering Practice: Journal of the International Federation of Automatic Control. 1996. – Vol 4, ╧ 8. – P. 1101 – 1108.