НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 629.3.02

МГТУ имени Н.Э. Баумана.

sarach@yandex.ru

Для решения транспортной проблемы в районах с тяжелыми дорожными условиями (при освоении районов богатых сырьевыми ресурсами, обслуживания газо- и нефтепроводов, линий электропередачи, решении задач, связанных с ликвидацией чрезвычайных ситуаций), как в нашей стране, так и за рубежом все чаще используются сочлененные двухзвенные гусеничные машины (ДГМ) (рис.1), которые обладают рядом свойств, обеспечивающих им преимущество, перед обычными гусеничными машинами (ГМ).

Рис 1.  Двухзвенный гусеничный транспортер семейства «Витязь» ДТ-10П

Большинство этих свойств связано с особым способом поворота ДГМ путем принудительного регулирования направления скоростей элементов движителя, изменением их взаимного положения. Кроме этого, возможность обеспечения высоких тягово-сцепных показателей, лучшие характеристики профильной проходимости за счет принудительного складывания секций в вертикальной плоскости, хорошая приспосабливаемость секций к рельефу местности в поперечной плоскости и, как следствие, более равномерное распределение вертикальных нагрузок по длине опорной поверхности, все это в комплексе позволяет считать ДГМ наилучшим по проходимости среди колесных и одиночных гусеничных транспортных средств.

В настоящее время максимальные скорости отечественных ДГМ, как правило, не превышают 30 – 40 км/ч. Однако вследствие расширения их областей применения наметилась тенденция увеличения скорости движения.

Как известно, максимальная скорость движения ограничивается условиями движения и техническими характеристиками машины. Ограничения, главным образом зависящие от дорожных условий, делятся на две группы: ограничения по силе тяги и, так называемые, прямые ограничения [1]. В связи с тем, что ДГМ, по сравнению с однозвенной ГМ, имеет больший объем корпуса, в котором можно разместить силовую установку необходимой мощности, ряд ограничений первой группы можно не рассматривать. Вторая группа объединяет в себе ограничения скорости, определяемые кинематическими характеристиками трансмиссии, управляемостью и проходимостью машины, а также плавностью хода. Данная статья посвящена вопросам быстроходности ДГМ, связанным с плавностью хода.

В работах, посвященных плавности хода ДГМ авторы отмечают, что их колебательный процесс зависит не только от системы подрессоривания отдельных секций, но и от упругой и демпфирующей связи в узле сочленения. Например, в работах по плавности хода ДГМ, проведенных в ВолгГТУ и в 21НИИИ МО РФ [2, 3], о роли межсекционного демпфирования ДГМ говорится, что по влиянию на колебания по углу складывания секций, межсекционный демпфер работает как бы параллельно с амортизаторами подвесок секций и оказывает значительно большее влияние на плавность хода машины.

С этими выводами нельзя не согласиться. Конечно, межсекционный демпфер удобнее и эффективнее использовать для повышения плавности хода ДГМ, если демпфирования в подвеске недостаточно или амортизаторы просто отсутствуют (транспортеры семейства «Витязь»). Но экспериментальные исследования показывают, что на больших скоростях и длинных неровностях, когда двухзвенная машина входит в резонанс по продольно-угловым колебаниям как одно целое, межсекционное демпфирование малоэффективно.

На рис. 2 представлены скоростные характеристики системы подрессоривания ДГМ по предельным ускорениям 3,5g на месте водителя, полученные с помощью имитационной математической модели. Характеристики соответствуют резонансам по продольно-угловым колебаниям, возникающим на длинах неровностей равным двум расстояниям между центрами тяжести секций (14м, кривые 1, 2, 6) и полной базе машины (11м, кривые 3, 4, 5). В этих режимах ДГМ движется как одно целое, и межсекционный демпфер не дает повышение высоты проходной периодической неровности (кривые 5 и 6) в отличии от демпфирования в системе подрессоривания (кривые 1 и 3). Кроме того, отсутствие демпфирования на прямом ходе подвески не позволяет водителю заранее определить опасность возникновения пробоя, и не допустить движения с резонансной скоростью.

Рис. 2.  Скоростная характеристика ДГМ по 3,5g на месте водителя

1, 2, 6 – длина неровностей 14м;    3, 4, 5 – длина неровностей 11м;

1, 3, – демпфирование в системе подрессоривания;   5, 6 – демпфирование в узле сочленения; 2, 4 – без демпфирования

В [4] предлагается повышать плавность хода ДГМ за счет применения активного гармонического воздействия в узле сочленения. По предлагаемому закону управления, для минимизации амплитуд продольно-угловых колебаний секций, гармоническое воздействие в узле сочленения должно иметь вдвое меньший фазовый сдвиг, чем фазовый сдвиг воздействия на заднюю секцию относительно передней:

 где n=0, 1, 2,…

Например, если воздействия со стороны дороги на вторую секцию ДГМ отстает от воздействия на первую секцию на половину периода неровности (y_у = p), тогда, для минимизации продольно-угловых перемещений секций, гармоническое воздействие в узле сочленения должно отставать от воздействия на первую секцию на четверть периода (y_a= p/2).

Полученный закон управления был проверен на имитационной математической модели движения ДГМ. Частота, амплитуда и фаза воздействий на секции ДГМ со стороны грунта, а также параметры воздействия в узле сочленения, определялись непосредственно по высотам и длинам неровностей грунта и скорости машины. Результаты математического моделирования показали, что использование данного алгоритма дает положительный результат, как на линейных, так и на нелинейных моделях, учитывающих нелинейность характеристик системы подрессоривания и неудерживающие связи катков с опорным основанием.

На рис. 3. представлены скоростные характеристики системы подрессоривания ДГМ по предельным ускорениям 3,5g на месте водителя, полученные с помощью имитационного математического моделирования движения машины по неровностям длинной равной двум расстояниям между центрами тяжести секций (14м). Кривая 2 соответствует движению ДГМ без управления в узле сочленения, а кривая 1 с управлением по закону, предложенному в [4]. Из графиков видно, что при применении данного закона управления углом складывания секций, высота периодических неровностей, преодолеваемых ДГМ возрастает на 30%. Однако с увеличением скорости управление не дает желаемого результата вследствие возникновения «пробоев» подвески – жестких ударов балансиров в ограничители хода, так как при этом продольно-угловые колебания секций существенно отличаются от гармонических. Кроме того, в реальных условиях движения, открытым остается вопрос, как определить частоту, амплитуду и фазу воздействий на секции ДГМ со стороны грунта. Непосредственно эти величины определить невозможно, поэтому возникла задача выработать закон управления эквивалентный полученному закону, но использующий параметры колебаний секций, которые можно измерить.

Рис. 3.  Скоростная характеристика ДГМ по ускорению 3,5g на месте механика-водителя при движении по неровностям длинной 14м: 1 – с управлением в узле сочленения; 2 – без управления

В ходе имитационного математического моделирования было выявлено, что, при использовании выше описанного закона управления углом складывания секций ДГМ, шарнир узла сочленения, перемещаясь в вертикальной плоскости, повторяет профиль грунта, находящегося под ним (рис. 4). Поэтому, новый алгоритм управления углом складывания секций должен обеспечить движение ДГМ таким образом, чтобы шарнир узла сочленения также перемещался эквивалентно неровностям, то есть огибал их (рис. 5).

Рис. 4. Траектория центра шарнира (1) и координата грунта под ним (2) при имитационном моделировании движения ДГМ по гармоническому профилю с управлением углом складывания секций

Рис. 5. Схема движения ДГМ

Допустим, что углы j₁ и j₂ малые углы, тогда хода подвесок опорных катков секций ДГМ:

,

где z_c1, z_c2 – координаты центров тяжести секций, y_1i, y_2i – координаты грунта под катками секций, f_ст1i, f_ст2i – статические хода подвесок секций.

Координаты центров тяжести секций можно выразить через координаты шарнира:

                 ,

тогда хода подвесок секций найдем по формулам:

                                                        (1)

.

Рассмотрим вариант, когда количество катков по одному борту секций одинаково и равно n. Просуммируем хода подвесок обоих секций.

Допустим, что  и подвески симметричны относительно центра тяжести секций ; , тогда, учитывая что , можно записать:

      (2)

Если шарнир узла сочленения будет перемещаться по траектории огибающей неровности, то можно записать , где y_ш – координата грунта под шарниром.

В случае, если опорное основание ровное и у ДГМ отсутствует дифферент, то есть  и j = 0, из (1) следует, что с точностью до константы . Если же основание неровное, для реализации алгоритма, с точностью до константы будем стремиться к следующему равенству для двух симметричных секций ДГМ:

,                                                                                       (3)

то есть усредним высоты неровностей под опорными катками секций.

Тогда, чтобы , , где (из (2) и (3))

.                                                  (4)

a^* - определяется средним динамическим ходом катков по двум секциям. Ход катка легко можно измерить, так что управлять по этому параметру вполне возможно.

Таким образом, применение данного закона управления углом складывания звеньев позволит достичь высоких показателей плавности хода ДГМ.

Список литературы

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

2. Колмаков В.И., Котельников В.Н. О влиянии угловой упруго-демпфирую-щей связи секции на колебания двухсекционной сочлененной машин.– Рукопись представлена Волгоградским политехническим институтом. Деп. в НИИавтопроме, ╧ Д379. – 14 с.

3. Игнатенко И.Я., Кольцов В.И., Тюренков А.И. Влияние гидроцилиндра вертикального складывания на плавность хода сочлененной гусеничной машины / Научно-технический сборник в/ч 63539. – 1975. –╧2. –С. 12-17.

4. Котиев Г.О., Сарач Е.Б.. Влияние гармонического воздействия в узле сочленения на плавность хода двухзвенной гусеничной машины / Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение» . – 2008. – Спец. выпуск. – С. 136-144.