Том 14, № 4 (2020)
- Год: 2020
- Статей: 9
- URL: https://journals.rcsi.science/2074-0530/issue/view/3701
- DOI: https://doi.org/10.31992/2074-0530-2020-46-4
Весь выпуск
Статьи
Оценка показателей криволинейного движения автопоезда с помощью имитационного математического моделирования
Аннотация
Введение: широко распространенным подходом к перевозке крупногабаритных и тяжеловесных неделимых грузов по дорогам и местности является применение многоосных колесных транспортных комплексов, представляющих собой автопоезда. При этом в следствии значительных габаритных размеров одним из важнейших свойств таких машин является поворотливость, то есть возможность двигаться по траектории большой кривизны на ограниченной площади, что особенно актуально в зонах погрузки / разгрузки. Предмет исследования: в статье представлен подход к прогнозированию показателей криволинейного движения многоосных колесных автопоездов, основанный на применении метода математического моделирования динамики систем тел. Методология и методы: суть метода заключается в создании математической модели движения автопоезда, представленного системой твердых тел, которые объединены между собой кинематическими и силовыми связями. Разработанная в рамках исследования имитационная модель позволяет с высокой точностью учитывать особенности взаимодействия колесного движителя с опорной поверхностью, перераспределение нормальных реакций между опорноходовыми модулями, а также силовые факторы, возникающие в сцепном устройстве и обеспечивающие взаимодействие между тягачом и прицепным звеном. Математическое описание взаимодействия движителя с грунтом основывается на понятии об «эллипсе трения». С применением представленной модели проведена оценка поворотливости колесного автопоезда, оснащенного прицепным звеном с поворотными и неповоротными колесами. В качестве критерия оценки использовалась потребная ширина коридора по следам наружного (забегающего) и внутреннего (отстающего) колес. Для оценки целесообразности применения прицепного звена с полноуправляемыми колесами и, соответственно, усложнения конструкции машины дополнительно проведена оценка потребной мощности привода рулевого управления. Результаты и научная новизна: разработана математическая модель динамики автопоезда, позволяющая с высокой точностью прогнозировать показатели криволинейного движения колесных транспортных средств, а также оценивать потребную мощность привода рулевого управления. Практическая значимость: разработана математическая модель движения автопоезда, позволяющая проводить широкий круг испытаний по оценке не только показателей криволинейного движения, но и подвижности в целом колесных транспортных средств любой конфигурации.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(4):2-16
2-16
Повышение эффективности эксплуатации перистальтического насоса линейного типа
Аннотация
В работе проведено исследование влияния на работу перистальтического насоса линейного типа свойств материала его упругой трубки, алгоритма срабатывания выжимных элементов, а также наличия у входного и выходного сечений насоса неровностей в виде чередующихся конфузоров и внезапных расширений. Для исследования влияния перечисленных факторов была проведена серия численных экспериментов с использованием универсального программного обеспечения STAR-CCM+, в котором моделирование работы насоса выполнялось совместным расчетом течения жидкости и упругих деформаций его трубки. В результате проведенных численных экспериментов для ряда значений коэффициента Пуассона было установлено, что для получения наибольшей эффективности материал трубки насоса необходимо подбирать с как можно меньшим коэффициентом Пуассона. Исследование возможных алгоритмов срабатывания выжимных элементов насоса показало, что для получения наибольшего коэффициента полезного действия режим работы насоса следует выбирать в соответствии с конструкцией привода. Для привода, в котором энергия затрачивается только на перемещение выжимных элементов, предпочтителен режим, в котором первые выжимные элементы дольше удерживают трубку в сжатом состоянии, что обеспечивает большее значение подачи. Для привода, в котором энергия тратится на поддержание трубки в сжатом состоянии, предпочтителен режим, в котором задержка возвращения выжимного элемента в исходное состояние минимальна. В результате изучения влияния участков с неровностями было получено, что применение высоты и шага неровностей, при которых отношение сопротивлений этих участков при прямом и обратном течении оптимально, приводит к уменьшению подачи и давления насоса.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(4):17-26
17-26
К предварительному синтезу алгоритмов автоматического управления автомобильными бесступенчатыми передачами с гибкими звеньями
Аннотация
Вариаторы различных принципов действия и конструкций в настоящее время представляют интерес в качестве компонентов автоматических трансмиссий наземных транспортных и тяговых машин. При этом одним из наиболее востребованных типов вариаторов являются вариаторы, построенные на базе бесступенчатых передач с гибкими звеньями. К основным причинам, обусловившим применение таких вариаторов в трансмиссиях ряда современных легковых автомобилей, следует отнести, с одной стороны, появление конструкций гибких звеньев, обладающих высокой долговечностью, а с другой - широкое внедрение в системы автоматического управления бесступенчатыми передачами программируемых электронных устройств. Прямым следствием последнего обстоятельства стала потребность в углублённых изысканиях, направленных на синтез таких алгоритмов управления, которые позволили бы в полной мере использовать свойственные бесступенчатым передачам с гибкими звеньями преимущества и минимизировать эксплуатационные следствия их органичных недостатков. В рамках настоящей статьи предпринимается попытка, исходя из цели обеспечения автомобилем наилучших тягово-скоростных свойств, решить задачу синтеза алгоритма в предварительной форме. Наличие таковой позволит, задавшись из каких-либо соображений основными параметрами бесступенчатой передачи, осуществить разработку аппаратной части системы автоматического управления ею. В свою очередь это даст возможность произвести синтез уточнённого алгоритма, учитывающего динамику системы, погрешности измерителей и устройств преобразования сигналов, а также прочие влияющие на рабочие процессы факторы. При рассмотрении описанной задачи были учтены различные варианты геометрии контактных поверхностей звеньев бесступенчатой передачи и сформированы соответствующие математические аппараты. Результаты расчётов, полученные посредством реализующей эти аппараты компьютерной программы, выборочно приведены в материалах статьи.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(4):27-40
27-40
Уменьшение колееобразования широкозахватных дождевальных машин
Аннотация
В процессе полива при движении дождевальных машин по полю колесами ходовых опор создается колея. С увеличением числа проходов растет и глубина колеи. В конце поливного сезона она может достигать 0,3-0,45 м, приводить к буксованию колес и избыточному поливу. Интенсивность процесса колееобразования и снижения сцепных свойств ходовых систем дождевальных машин еще в большей степени увеличивается при наличии свободной, не впитавшейся воды, вызывающей образование стока по колее. Наибольшая глубина колеи к концу сезона у последних тележек возникает за счет увеличения интенсивности полива и диаметра капель дождевателей, расположенных в конце трубопровода. Выбор ходовых систем должен производиться с учетом характеристик орошаемых поверхностей, рациональных соотношений длин пролетов, диаметров трубопроводов. Целью исследования является повышение проходимости и уменьшение колееобразования широкозахватных дождевальных машин. В статье представлены теоретические зависимости для определения глубины и ширины колеи для двухколесных и трехколесных ходовых тележек ширикозахватных дождевальных машин. Полевые исследования проводились на дождевальных машинах «Кубань-ЛК1М» (Каскад) и «КАСКАД». В статье представлена зависимость глубины колеи от номера опорной тележки при несущей способности почвы 110-125 кПа. Проведенные исследования позволили определить ориентировочные зоны применения колесных систем в зависимости от несущей способности почвы. Анализ данных показывает, что на почвах повышенной прочности дождевальные машины целесообразно оборудовать узкими пневмоколесами. На почвах с низкой несущей способностью и значительными поливными нормами от 600 м3/га - широкопрофильными пневматическими шинами 18-24; 23-26, 21.3-24 для ДМ «Кубань-ЛК1», «Кубань-ЛК1М» (КАСКАД), «КАСКАД» с шириной профиля 0,30-0,54 м, в том числе установкой более широкопрофильных шин в концевой части машин. Кроме того, в условиях пониженной прочности почв возможно применение на дождевальных машинах шин с меньшими значениями ширины профиля, нежели рекомендуемые, но для уменьшенных величин длин пролетов или уменьшенного диаметра водопроводящего трубопровода.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(4):41-49
41-49
Модель динамики колесной машины для комплекса натурно-математического моделирования
Аннотация
Введение. Применение метода натурно-математического моделирования в реальном времени открывает широкие возможности, связанные с анализом режимов работы системы «человек-машина-местность», а также по исследованию нагруженности узлов и агрегатов транспортных средств. Существующие исследовательские комплексы натурно-математического моделирования пригодны для получения большинства показателей, обычно определяемых натурными испытаниями. Разница состоит в возможности полностью контролировать ход виртуальных заездов, записи любых параметров движения транспортного средства, учета «человеческого фактора», а также полной безопасности эксперимента. Цель исследования. Целью настоящей работы является создание математической модели динамики колесной машины, пригодной для применения в подобном комплексе натурно-математического моделирования и оценки нагруженности агрегатов трансмиссии в условиях, приближенных к реальной эксплуатации. Методология и методы. Предлагаемая модель основана на существующей модели динамики колесной машины, разработанной в МГТУ им. Н.Э. Баумана. В рамках модели динамика транспортного средства описывается как плоское движение твердого тела в горизонтальной плоскости. Для определения нормальных реакций опорной поверхности применяется принцип возможных перемещений. Взаимодействие колеса с грунтом в плоскости опорного основания описывается при помощи подхода, основанного на представлении об эллипсе трения. Для обеспечения возможности водителю-оператору комплекса натурно-математического моделирования управлять виртуальным транспортным средством в режиме реального времени математическая модель дополнена системой управления, осуществляющей связь между параметром управления, задаваемым водителем путем нажатия на педали акселератора и тормоза, и управляющими воздействиями агрегатов трансмиссии машины, такими как электромашина, двигатель внутреннего сгорания, гидродинамический ретардер, а также рабочей тормозной системой. В статье представлена блок-схема разработанного алгоритма управления, а также проведена апробация работы системы в комплексе натурно-математического моделирования. Результаты и научная новизна. Разработана математическая модель динамики колесной машины, открывающая широкие возможности по исследованию режимов работы системы «водитель-машина-среда» в режиме реального времени с применением комплекса натурно-математического моделирования. Практическая значимость. Разработана математическая модель динамки колесной машины, которая дополнена алгоритмом системы распределения тяговых/тормозных моментов между узлами трансмиссии, осуществляющим связь между нажатием водителя на педали акселератора/тормоза и параметрами управления каждого из агрегатов.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(4):50-64
50-64
Объемный гидропривод с последовательным подключением исполнительных гидродвигателей
Аннотация
Целью предлагаемой работы являются теоретическое и экспериментальное исследования работоспособности одноканального гидропривода с последовательным подключением исполнительных гидроцилиндров и разработка рекомендаций по прогнозированию их характеристик. Авторами статьи выполнен комплекс экспериментальных исследований и получены численные кинематические, скоростные и силовые характеристики одноканального гидропривода с пятью последовательно включенными гидроцилиндрами. Показано, что характер кинематической связи определяется дифференциальностью гидроцилиндров. Скорость выдвижения поршня отдельного гидроцилиндра определяется его порядковым номером в цепочке гидроцилиндров, при этом наибольшую скорость движения поршня развивает первый гидроцилиндр. Относительная неравномерность движения поршней по сравнению со скоростью движения поршня первого гидроцилиндра определяется дифференциальностью гидроцилиндра, при этом наибольшей неравномерностью обладает гидропривод с дифференциальностью D = 2. В работе показано, что подбором дифференциальности гидроцилиндров, их шаговым расположением и смещением расположения дна гидроцилиндра можно реализовать сложные формы суммарной траектории точек крепления штоков гидроцилиндров. В гидростатическом (силовом) гидроприводе в штоковых полостях гидроцилиндров, в зависимости от порядкового номера гидроцилиндра, усилия на его штоке и дифференциальности, устанавливаются разные уровни давления, а наименьшее давление будет в поршневой полости последнего по счету гидроцилиндра. У равномерно нагруженных гидроцилиндров давление в поршневых полостях зависит только от номера гидроцилиндра и его дифференциальности. В гидроприводе с гидроцилиндрами равной мощности последний по счету гидроцилиндр будет развивать наибольшее усилие при наименьшей скорости движения поршня. Кроме того, в работе также показано, что воспроизводимость позиций ненагруженных штоков гидроцилиндров равной дифференциальности не ниже 1%. В результате проведенных экспериментальных исследований разработана методика проектирования объемного гтдропривода с последовательным включением исполнительных гидроцилиндров, которая может быть использована для решения задач гидрофикации машиностроительного производства (гибочные прессы, листовая штамповка), в судостроении (корабельные стапели), в гибких производственных системах, промышленной и складской логистике.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(4):65-75
65-75
Результаты проведения полевых исследований трактора класса тяги 1,4 с упруго-демпфирующим механизмом в силовом приводе
Аннотация
Темой данной статьи является анализ результатов проведения полевых исследований трактора с упруго-демпфирующим механизмом в силовом приводе и его эксплуатационная оценка эффективности в сравнении с серийным трактором. Предметом исследования является трактор с упруго-демпфирующим механизмом в силовом приводе в составе пахотного агрегата с навесным плугом. Целью данной работы является детальный анализ влияния параметров упруго-демпфирующего механизма на показатели работы трактора с плугом. Проведение подобных исследований позволяет получить новые экспериментальные данные работы упруго-демпфирующего механизма установленного в силовой привод трактора при агрегатировании с плугом. Контрольные опыты проводились на одном поле во время летнего и осеннего периодов одного года. Эталонным при проведении сравнительных опытов являлся тот же трактор, но с заблокированным упруго-демпфирующим механизмом (для краткости, мы назвали его «серийным»). Обработка результатов осуществлялась на персональном компьютере с использованием пакета программ. Для анализа энергоэффективности использовалась условная классификация вариабельности выборки на основе коэффициента вариации. Для изучения числовых данных по буксованию был проведен спектральный анализ. Показатели энергетической оценки свидетельствуют, что агрегат с упруго-демпфирующим механизмом в силовом приводе трактора имеет лучшие показатели (скорость движения, производительность и погектарный расход топлива), чем аналогичный с более жесткой трансмиссией. Упруго-демпфирующий механизм создает более благоприятные условия для формирования характера нагрузки узлов при неустановившихся и установившихся режимах движения. Статистический анализ числовых данных по буксованию показал, что применение механизма позволяет снизить математическое ожидание буксования. Анализ спектральных характеристик свидетельствует о том, что упруго-демпфирующий механизм поглощает частоты, являясь фильтром при агрегатировании с различными орудиями. Все это указывает на существенные улучшения характеристик агрегата при применении упруго-демпфирующего механизма.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(4):76-87
76-87
Исследование взаимосвязи между теоретическим и фактическим радиусами поворота гусеничной машины с помощью математического моделирования
Аннотация
Введение. Определение потребной силы тяги и мощности, необходимой гусеничной машине в повороте базируется на аналитических зависимостях, приводимых в классических литературных источниках. При этом зависимость теоретического и фактического радиуса поворота обычно описывается недостаточно точно. Предмет исследования. В настоящей статье производилось исследование зависимости теоретического и фактического радиуса поворота и влияния на неё параметров ходовой части гусеничной машины, характеристик опорного основания и режима движения. Методология и методы. Исследование проводилось с использованием специально разработанной модели стационарного поворота ГМ, отличающейся учетом перераспределения нормальных реакций и реализацией, позволяющей быстро проводить многофакторные эксперименты. Поворот ГМ в модели описывается как плоское движение твердого тела. Взаимодействие движителя с опорным основанием осуществляется через так называемые активные участки гусеницы. В отличие от классических подходов модель позволяет исследовать поворот ГМ при скорости, близкой к критической по заносу. Результаты и научная новизна. В процессе вычислительных экспериментов варьировались параметры ходовой части ГМ, свойства опорного основания, а также скорость движения и фактический радиус поворота. Было выяснено что классические зависимости фактического и теоретического радиуса поворота нуждаются в уточнении при движении на скорости, близкой к критической по заносу, при этом вид зависимости определяется высотой центра масс ГМ. Практическая значимость. Указанные особенности должны быть учтены как при оценке быстроходности машины и определении необходимой тяговооруженности, так и при проведении работ по разработке систем активной безопасности гусеничных машин.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(4):88-100
88-100
Оптимизация конструкции и экспериментальное исследование напряжённо-деформированного состояния балансира задней подвески вездеходного транспортного средства
Аннотация
Снижение снаряжённой массы колёсных машин давно является одним из приоритетных направлений работы автомобильных инженеров, так как за счёт этого можно значительно улучшить эксплуатационные свойства колёсной машины: улучшить динамику, проходимость, снизить расход топлива и выбросы вредных веществ. Значительная доля снаряжённой массы автомобиля приходится на высоконагруженные детали несущей системы, трансмиссии и подвески. Поэтому создание облегчённых высоконагруженных деталей даст весомый вклад в снижение снаряженной массы автомобиля в целом. В статье описано применение метода топологической оптимизации на базе конечно-элементного моделирования при проектировании высоконагруженных деталей шасси автомобиля. Показан пример синтеза силовой схемы балансира задней подвески вездеходного транспортного средства с описанием расчётной модели, нагрузочных режимов и интерпретацией полученных результатов. Задача оптимизации решалась с использованием конечно-элементной модели переменной плотности. В качестве целевой функции использовалась минимизация потенциальной энергии деформации, в качестве ограничения - целевой объём в долях от исходного пространства проектирования. Приведен сравнительный анализ полученной конструкции с конструкциями-аналогами. Описана постановка и результаты экспериментального изучения напряжённо-деформированного состояния оптимизированного балансира. В результате оптимизации удалось добиться снижения массы балансира до 49% по сравнению с конструкцией - аналогом с сохранением требуемой прочности. Экспериментальная проверка несущей способности балансира показала необходимость белее тщательного проведения поверочных расчётов оптимизированных деталей, в том числе с учётом погрешностей изготовления и сборки.
Известия МГТУ “МАМИ“. 2020;14(4):101-104
101-104