ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ ДВИЖИТЕЛЕЙ БЫСТРОХОДНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН НА ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЙ

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК

№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)

УДК 629.1.0

А.А. АБЫЗОВ, к.т.н., доц.,

И.Я. БЕРЕЗИН, д.т.н., проф.,

В.Н. БОНДАРЬ, к.т.н., проф.

Челябинск, Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ),

НИИ Автотракторной техники

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ ДВИЖИТЕЛЕЙ БЫСТРОХОДНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН НА ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЙ

Как показывает опыт массовой эксплуатации, до 40% от общего числа отказов быстроходных гусеничных машин (БГМ) приходится на их ходовую часть, что объясняется высоким уровнем эксплуатационной нагруженности узлов и деталей при движении в условиях бездорожья. Разработку методов исследования динамики движения БГМ осуществляют научные коллективы МГТУ им. Баумана, академии БТВ, НИИТРАНСМАШа, МАМИ, МАДИ и др. [1- 6]. Разработанные ими прикладная теория и инженерные методы широко используются для обеспечения плавности хода и создания регулируемых систем подрессоривания, оценки эффективности различных типов силовых установок, разработки систем автоматического управления движением БГМ и др.

Современное состояние вычислительной техники и соответствующих программных средств позволяют развить названные направления в область прогнозирования эксплуатационной нагруженности и обеспечения прочностной надежности ответственных элементов ходовых систем БГМ. Постановка такой задачи предусматривает последовательное выполнение следующих этапов (рис.1):

- описание многофакторного случайного воз действия внешней среды на ходовую систему и рабочие органы;

- компьютерное моделирование процесса движения проектируемой машины, определение статистических характеристик силового и кинематического взаимодействия элементов конструкции;

- исследование полей напряженно- деформированного состояния и определение процессов изменения напряжений в наиболее нагруженных зонах ответственных деталей;

- моделирование процессов формирования усталостных, износовых и других видов отказов с учетом случайного характера нагружения и рассеяния прочностных свойств;

- определение количественных характеристик надежности, таких как функция вероятностей безотказной работы, средняя наработка до отказа, гамма-процентный ресурс и др.;

- корректировка исходных данных проекта по динамическим и прочностным свойствам изделия с целью обеспечения требуемых показателей надежности.

При компьютерной реализации метода многопараметрическое воздействие среды целесообразно задавать в виде формализованного представления типовых условий эксплуатации. Для этого удобно использовать картографическое описание местности известных испытательных станций и полигонов, используемых для проведения определительных и контрольно- сдаточных испытаний машин различного назначения. Описание трассы позволяет задать совокупность факторов внешнего воздействия, в частности, двумерное поле микропрофиля местности, дорожную кривизну, макропрофиль трассы, характеристики грунта, параметры, описывающие условия наблюдения и оценивания факторов внешней среды человеком- оператором и др. Таким образом, комплекс названных исследований представляет собой инженерный метод имитационного моделирования испытаний (ИМИ).

Одним из важнейших элементов рассматриваемой методики является математическая модель гусеничной машины, описывающая динамику системы «человек- машина- среда». При этом рассматривается связанная нелинейной система с учетом реальных характеристик упругих и демпфирующих элементов подвески и гусеничных лент, характеристики двигателя, работы фрикционных элементов трансмиссии и др. В связи с существенной нелинейностью системы интегрирование уравнений движения осуществляется численно, с помощью специально разработанного пакета программ. Полученные в результате расчета процессы изменения силовых и кинематических параметров, а также скорость и траектория движения являются результатом заданного случайного внешнего воздействия и управляющих воздействий со стороны водителя. Подробное описание модели, а также результаты тестовых расчетов и их сопоставление с экспериментальным данными приведены в [7].

В связи с тем, что при движении по трассе машина значительное время находится в состоянии поворота [1], когда существенно возрастают динамические нагрузки на подвеску и силовую установку, модель описывает как прямолинейное, так и криволинейное движение. При моделировании криволинейного движения одной из сложных задач является расчет сил, действующих на опорную поверхность гусеницы. Использованное в предложенной модели описание этих сил является развитием подходов [2-6] и основано на экспериментально обоснованном допущении о том, что взаимодействие с грунтом происходит на «активных» участках, находящихся в окрестности опорных катков машины. При этом распределенную по длине гусеницы нагрузку можно заменить сосредоточенными силами, действующими на активных участках.

Отличительной особенностью рассматриваемой модели является использование конечно-элементного моделирования процесса взаимодействия трака гусеницы с грунтом с помощью пакета программ LS-DYNA [8]. Использование метода конечных элементов позволяет применять модель трака, подробно описывающую форму его опорной поверхности и грунтозацепов. Используемая модель грунта отображает все основные процессы, происходящие при его деформировании (уплотнение, разрушение и т.д.) с учетом реальных характеристик. В качестве примера рассмотрим некоторые результаты, полученные для трака БМП-2. В одной серии тестовых расчетов трак нагружался вертикальной силой Nm и после погружения сдвигался в плоскости грунта при постоянной Nm (рис. 2). Получены зависимости полной сдвигающей нагрузки (F), а также ее продольной (Fпр) и боковой (Fб) составляющих от соответствующих перемещений Δ, Δnр и Dб. В качестве примера на рис.3 приведены зависимости Fб(Δб) при сдвиге трака в поперечном направлении для различных значений Nm. Эти результаты демонстрируют увеличение Fб при увеличении Nm. Аналогичные результаты получены для различных грунтов, а также для траков с различной формой опорной поверхности и высотой грунтозацепов.

На рис. 4 приведены результаты расчетов для случая, когда трак, внедренный в грунт, двигали по прямой, направленной под углом 60° к продольной оси трака (зависимость Δ пр (Δ б) на рисунке). Анализ зависимости Fпр (Fб) свидетельствует, что суммарная нагрузка, действующая на трак, направлена под некоторым углом к направлению перемещения, причем этот угол зависит от перемещения.

Путем обработки результатов конечноэлементных расчетов получены аппроксимирующие выражения, связывающие продольную и боковую силы с вертикальной нагрузкой и перемещением трака. В дальнейшем эти зависимости используются в модели гусеничной машины для описания продольного проскальзывания опорной ветви и сил сопротивления повороту.

На динамику транспортной машины значительно влияет изменяющаяся скорость движения, которая в условиях эксплуатации на необустроенной местности варьируется в широком диапазоне значений. В связи с этим для адекватного описания динамических процессов необходимо задавать скорость движения по местности в виде функции пути, зависящей от технических характеристик машины и ряда ограничений. В основу предлагаемого подхода положено представление о том, что благодаря управляющим воздействиям человека- оператора на трансмиссию и двигатель осуществляется варьирование скорости движения транспортной машины так, что функция изменения скорости приводится в соответствие с дорожной ситуацией при условии минимума времени, затрачиваемого на преодоление характерных участков местности. Система ограничений скорости включает ограничения по пиковому значению и по величине среднеквадратического отклонения вертикального ускорения на месте водителя; ограничение по заносу машины при прохождении криволинейных участков трассы; ограничение по тяговой динамике; ограничение, связанное с возможностью осуществления операций наблюдения и оценивания дорожной ситуации в процессе движения. Функция изменения скорости машины по пути определяется из условия минимизации функций предельных скоростей по перечисленным видам ограничений. В математическую модель гусеничной машины включена подсистема, формирующая управляющие воздействия на трансмиссию машины на основе предложенного алгоритма; при этом учитываются случайные ошибки, допускаемые водителем [9].

Предложенная методика имитационного моделирования испытаний использована для решения ряда практических задач, в частности, для выбора характеристик амортизаторов подвески, для оценки эффективности управляемой системы подрессоривания [10], расчетной оценки ресурса различных вариантов конструкции тяжелонагруженных деталей ходовой части быстроходных гусеничных машин [11, 12] и др.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Никитин А.О. Избранные труды. -М.: МАДИ, 1993, 116 с.

3. Красненьков В.И., Харитонов С.А., Шумилин А.В. Математическая модель криволинейного движения транспортной гусеничной машины по деформируемому основанию//Известия ВУЗов-Машиностроение, №11- 1989 г. С. 94- 99.

4. Шумилин А.В. Математическая модель криволинейного движения транспортной гусеничной машины по деформируемому основанию// Тракторы и сельскохозяйственные машины, №5-1993 г. С. 8-11.

5. Котиев Г.О. Прогнозирование эксплуатационных свойств систем подрессоривания ВГМ. Автореферат дисс... д.т.н. М.: МГТУ, 2000, 32 с.

6. Серебренный В.В., Котиев Г.О., Рубцов И.В. и др. Исследование характеристик криволинейного движения мобильного робототехнического комплекса//.- Мехатроника, №4, 2002.- с.25- 31.

7. Березин И.Я., Абызов А.А. Моделирование процесса эксплуатации при имитационных ресурсных испытаниях мобильной техники. // Техника и технологии строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Сб.науч.тр. / М.: МАДИ (ТУ), 2000. -С. 56-74.

8. Абызов А.А., Березин И.Я. Моделирование процесса взаимодействия опорной поверхности гусеницы с грунтом при криволинейном движении быстроходной машины// «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» Пермь: ПГТУ, 2008, С. 13-18.

9. Абызов А.А., Березин И.Я. Моделирование процесса корректирования скорости и траектории движения быстроходной гусеничной машины по местности в соответствии с изменяющимися дорожными условиями /Сб. материалов Всероссийской научн.- техн. конф. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2003.-С.153-156.

10. Абызов А. А., Березин И. Я., Жебелев -К. С. Исследование динамики быстроходной гусеничной машины с управляемой системой подрессоривания // Вестник КГУ.- Серия «Технические науки».- Вып. 2- Курган,: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2005. - С. 207-209.

11. Абызов А.А., Березин И.Я., Бывальцев В.И. и др. Применение методики имитационных ресурсных испытаний для оценки ресурса тяжелонагруженных элементов движителя быстроходных гусеничных машин /Инженерная защита окружающей среды в транспортно- дорожном комплексе: Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). М., 2002.- С.143-154.

12. Абызов А.А., Березин И.Я., Садаков О.С. Применение метода имитационного моделирования испытаний к расчету ресурса ходовой части транспортных машин/ Вестник ЮУрГУ, сер. Машиностроение, вып.8, 2006,№11, с. 122- 129.