Стабилизация прямолинейного движения транспортной машины при волновых процессах в гусеницах

3 Держанский, В. Б. Прогнозирование динамической нагруженности

гидромеханических трансмиссий транспортных машин [Текст]: монография /В. Б. Держанский, И. А. Тараторкин.-Екатеринбург : УрО РАН, 2010. - 176 с.

4 Проектирование трансмиссий автомобиля [Текст]/ под ред.

А. И. Гришкевича.- М. : Машиностроение, 1983. - 263 с.

5 Derzhanskii Viktor, Taratorkin Igor, Taratorkin Alexandr. Decrease in

Dynamic Loading of Transmission Elements of the Vehicle // Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress, Volume 10: Chassis Systems and Integration Technology. Beijing, 27 - 30 ноября, 2012.: Institute of Technology Press, Beijing - 2012, p. 495504.

6 Теория колебаний [Текст]: учеб. для вузов / под общ. ред.

К. С. Колесникова. - 2-е изд., стереотип. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.- Т. 4.- 272 с., ил.(Сер. Механика в техническом университете).

7 Пановко, Я. Г. Введение в теорию механических колебаний [Текст]:

учебное пособие /Я.Г. Пановко. - 2-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. -272с.

8 Тимошенко, Янг Д.Х. Колебания в инженерном деле ¡Текст]/

Янг Д. Х. Тимошенко, У. Уивер.-М.: Машиностроение, 1985. - 435 c.

9 Басов, К. А. ANSYS. Справочник пользователя [Текст]/ К. А. Басов,

Д. А. Мовчан. - М.: ДМК-Пресс, 2011.- 640 с.

10 Патент на полезную модель № RU 122171 U1 от 20.11.2012

«Стенд для определения спектра собственных частот металлокерамических дисков гидромеханических трансмиссий». Авторы: Держанский В. Б., Тараторкин И. А., Тараторкин А. И., Гизатуллин Ю. Н.

11 Зальцерман, И.М. Фрикционные муфты и тормоза гусеничных

машин [Текст]/И. М. Зальцерман, Д. М. Каменский, А. Д.Онопко. - М.: Машиностроение, 1965. - С. 151.

УДК 629.113

В.Б. Держанский, С.Н. Маринин Курганский государственный университет И.А. Тараторкин

Институт машиноведения УрО РАН, г. Екатеринбург

СТАБИЛИЗАЦИЯ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ ПРИ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССАХ В ГУСЕНИЦАХ

Аннотация. В статье приводится анализ неисследованной ранее взаимосвязи поперечных волновых процессов в гусеницах с колебаниями корпуса машины относительно вертикальной оси, дестабилизирующих траекторию движения. Приведена схема и математическая модель плоскопараллельного движения гусеничной машины с асимметричной характеристикой упругости движителя. Возмущения механической системы формируются поперечными колебаниями свободных ветвей гусениц. На основе исследования динамики ветвей гусениц установлены основные закономерности, позволяющие обосновать направление стабилизации волновых процессов в гусеницах, соответственно и траекторию движения машины.

Ключевые слова: устойчивость, движение, гусеница, быстроходная машина, колебания.

V.B. Derzhanskii, S.N. Marinin Kurgan State University, I.F. Taratorkin

Institute of Engineering Science UB RAS, Ekaterinburg

STABILIZATION OF LINEAR MOTION OF TRACKED VEHICLES WITH WAVE PROCESSES IN CATTERPILLAR TRACKS

Abstract. This article provides the analysis of an

unexplored interrelation of cross wave processes in caterpillars with vehicle body fluctuations about the vertical axis, which destabilizes the motion trajectory. The scheme and mathematical model of plane-parallel motion of the tracked vehicle with the asymmetric characteristic of track mover elasticity. Mechanical system indignations are formed by cross oscillations of the unloaded caterpillar track run. On the basis of researching the dynamics of caterpillar track run, the main consistent patterns allowing for defining the direction of wave processes stabilization in caterpillars, as well as the motion trajectory of the vehicle, are determined.

Index Terms: stability, motion, caterpillar, high-speed vehicle, oscillations.

Введение

В результате проведенных исследований динамики управляемого движения быстроходных гусеничных машин с использованием высокоразрешающего комплекса информационной измерительной аппаратуры установлена не исследованная ранее взаимосвязь поперечных волновых процессов в гусеницах с угловыми колебаниями корпуса машины, дестабилизирующих траекторию движения [2]. В связи с этим для определения путей стабилизации траектории движения, обоснования направления совершенствования элементов движителя, алгоритмов гашения поперечных волновых процессов системой управления натяжением гусениц необходимо исследовать динамические процессы, возникающие при движении машины. Решение этой задачи базируется на изучении основных закономерностей волновых процессов, их зависимости от параметров конструкции движителя и режимов движения машины.

Цель работы состоит в изучении динамики движения быстроходной гусеничной машины с асимметричной характеристикой упругости движителя при действии возмущений, формируемых поперечными волновыми процессами в гусеницах, и в обосновании алгоритмов их гашения.

Новизна работы состоит в установлении закономерностей колебаний корпуса машины, вызванных поперечными волновыми процессами в гусенице и определении путей стабилизации.

Теоретическое исследование движения машины при асимметричной характеристике упругости движителя

Рассматриваемые колебания корпуса машины исследуются на основе математической модели, построенной в соответствии с предложенной расчетной схемой (рисунок 1 ). Ее особенность состоит в учете асимметричности линейной податливости, соответственно и жесткости, гусениц отдельных бортов. После действия возмущения происходит отклонение траектории движения, и водитель создает соответствующее компенсирующее управление, и машина входит в поворот. Сила тяги на гусенице отстающего борта переходит в режим торможения. При этом длина рабочей ветви гусеницы отстающего борта возрастает в 6 ... 7 раз (рисунок 2). Таким образом, при повороте машины рабочая ветвь гусеницы отстающего борта составляет с1, а забегающего с2 (с1<с2). Различие жесткости элементов механической системы может возбуждать автоколебания, а при периодически изменяемой жесткости и колебания параметрические [1]. В расчетной схеме (рисунок 1) принято, что машина движется плоскопараллельно в горизонтальной плоскости как твердое тело постоянной массы в неподвижных декартовых координатах X^Y^ Начало подвижной системы координат совмещено с центром масс C, направление осей X, Y соответствует осям симметрии машины.

Асимметричность упругости гусениц приводит к до-

полнительному развороту корпуса машины относительно центра упругости К. Поперечная координата центра упругости определяется по уравнению:

А В

Ь0 =

Мх Д/,

+1

где В - ширина колеи; Д/1 - упругая деформация рабочей ветви отстающего борта; Д/2 - упругая деформация рабочей ветви забегающего борта.

При колебаниях корпуса машины центр поворота при асимметричности упругости изменяется по закону прямоугольного синуса или гармонического косинуса. Поперечная координата центра поворота относительно середины

В1 = п Ы 1 + Ь( 1 ^ отстающего борта составляет п ~ и->£>\ 1 ~т-

П ,5В

где

ОД =

|Ь0 cos(юПt)-приизменении по гармоническому закону [b0sign(юПt) - приизменении по закону прямоугольного синуса ( рисунок 2).

Рисунок 1 - Расчётная схема движения быстроходной гусеничной машины при асимметричной упругости рабочих ветвей гусениц

Г

0.5В

\ / V /

\ / \ /

То

а также действие центробежных сил. При изменении сил на ведущих колесах в процессе входа в поворот возрастание момента на турбине гидротрансформатора приводит к деформации кинематической цепи на угол. Значение угла можно рассматривать как сумму составляющих угловой деформации соединительных валов трансмиссии, ветвей гусениц и элементов системы подрессоривания при повороте корпуса вокруг поперечной оси.

\ \ А/

\\\ / 3

\ \

5_у 1

Р,

ТСВ

О

Р

ТР

1 - в режиме тяги (забегающий борт); 2,3 - в режиме торможения (отстающий борт), формируемой соответственно податливостью РМШ и провисанием на поддерживающих катках; 4,5 - при учете жесткости подвески

Рисунок 3 - Зависимость упругой деформации рабочих ветвей гусениц от силы

При определенных допущениях, когда боковое ускорение корпуса ограничено, уравнение угловых колебаний можно привести к виду

JЛ+-£ ОД 2 +0,5^

У1-1 J 7«Л; ,Сг

(

1 -

V

М

0,5В

Л

Ф = Мп ,

7

Рисунок 2 - Изменение поперечной координаты центра поворота машины

В действительности при учете провисания верхних ветвей гусениц на поддерживающих катках характеристика упругости является нелинейной (график 3 на рисунке 3).

Поэтому в начальный момент создания компенсирующего управляющего воздействия рабочей ветвью отстающего борта становится длинная ветвь (от первого опорного катка до ведущего колеса), в которой число траков в 7 раз больше, соответственно ее податливость возрастает (график 2 на рисунке 3). В связи с этим асимметричность характеристики упругости движителя возрастает на величину упругой деформации. На значение упругости существенно влияет жесткость системы подрессоривания,

где ^пр- соответственно момент инерции

машины вокруг вертикальной оси, коэффициент сопротивления уводу /-ой пары опорных катков, продольная координата /-ой оси опорных катков и приведенная жесткость движителя. Функция поворачивающего момента МП в дифференциальном уравнении движения машины (1) можно

представить в виде МпВ'(Р2 -Р1) + 2В'ТВ . Первое слагаемое определяется управляющим воздействием, а второе - волновыми процессами в свободных ветвях гусеницы.

д

2 (

дх

2

ЕЛ

я2 ^ д г

дх

2

д 2 г

д 4 г

где р - плотность материала гусеницы; ЕЛ - приведенная изгибная жесткость гусеницы; Ра- площади сечения гусеницы; - момент инерции трака относительно оси шарнира.

В соответствии с принципом суперпозиции и разложением в ряд Фурье решением дифференциального уравнения волнового процесса является сумма гармоник ряда Фурье (л). Перемещение элементов гусеницы определя-

ется главной - первой гармоникой ряда Фурье (п=1). Параметры собственных колебаний ветви одного пролёта длиной I определяются по уравнению

z(x, t ) = si

sin-

n -п-x

l

Azn • sinaent

где A - амплитуда, определяемая начальными ус-

ловиями;

ав

частота

процесса,

п

EJ

а

= —,----, 1 +

l

m„

Тв  l2 п2  EJ

(mn - погонная масса гусе-

ницы, ТВ - растягивающая сила в свободной ветви).

Основными параметрами, характеризующими решение являются частота поперечных колебаний ювп и скорость распространения волн г1^ = ;пк- Скорость распространения поперечных волн определяет наиболее опасный резонансный режим движения = при котором происходит раскачивание свободной ветви, ее отрыв от поддерживающих катков и последующие удары.

Собственная частота аеп, соответственно и скорость распространения волн, изменяется в процессе движения из-за флуктуации растягивающих сил ТВ, действующих в обводе в процессе движения. С ростом силы натяжения собственная частота возрастает, что может быть положено в основу создания системы стабилизации волновых процессов и исключения резонансов. Кроме того, резонансный режим возможен при совпадении собственной частоты с частотой возмущений, определяемых ниже. Для исследования вынужденных колебаний необходимо определить функции возмущающего действия, которые приводятся ниже. Действительная нагрузка в контакте с поддерживающим катком носит случайный характер и изменяется в широких пределах.

При движении машины с большой скоростью по ровной дороге, когда ускорение продольно-угловых ф и вертикальных % колебаний корпуса ограничено, основные возмущения формируются силой взаимодействия свободных ветвей гусеницы с поддерживающими катками (РПК), а также флуктуацией периодически изменяющихся растягивающих сил, действующих в гусеничном обводе. Для исследования возмущающего движения в расчётной схеме свободной ветви необходимо отразить действие указанных возмущений. При равномерном движении машины по ровной дороге, когда нет отрыва ветвей от поддерживающих катков, можно принять, что при встрече элементов гибкой гусеницы с обрезиненной беговой дорожкой, движущейся со скоростью V, происходит охватыва-ние поддерживающего катка гусеницей по поверхности шины на участке у пк. При этом в процессе перекатывания гусеницы по поддерживающему катку радиуса г в те-

чение времени

t

0

постоянная сила Pn

щих катков от силы растяжения

= 2Tcos

Но-

минальное значение угла охвата уш = -je, однако в

процессе колебания ветви реальное значение является

переменным. При отрыве гусеницы взаимодействие яв-

Ч t = 1'

ляется импульсным. Через время te = ^ происходит

встреча со следующим поддерживающим катком. В дальнейшем этот процесс периодически повторяется с пери-

_ l

одом te = v (1=1) (рисунок 4). При кинематическом и силовом возмущении функция возмущения Q(t) = Р^-удовлетворяет условиям Дирихле, т.е. она ограничена," имеет разрывы первого рода и конечное число экстремумов на конечном интервале. В этом случае функцию Q(t) можно представить рядом Фурье в амплитудной форме:

Для рассматриваемой расчетной схемы

Qn = sin

(mra;.

г

-Tïfl

n 2™

= nP,P = —,

= arctg N<1,3

Рисунок 4 - Расчётная схема гусеничного обвода

В работах [1;3], посвященных исследованию динамики систем с распределенными параметрами, в частности упругих стержней, показано, что при использовании метода разделения переменных задача исследования вынужденных колебаний сводится к решению обычных дифференциальных уравнений второго порядка. При этом уравнение обобщенной силы дополняется сомножителем

;:';: ; —— . Дифференциальное уравнение свободных колебаний упругой ветви при учете неупругого сопротивления у - коэффициент внутреннего трения, гистерезисных потерь в РМШ, можно представить в форме

,

тп

а возмущенное движение с

= /пкГпк / V в контакте действует Принимая, что при упругом взаимодействии ветви гусеницы с поддерживающим катком кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию упругой деформации (в процессе изменения траектории - при переходе с параболы на окружность). В связи с этим силу в контакте можно рассматривать как единичную функцию которая определяется реакцией поддерживаю/ Гпк \ г -

учетом установленного значения обобщающей силы принимает форму

(z + 2 sz+ Wgnz) =

-(TJ

mn

Решением неоднородного дифференциального уравнения является сумма собственного и частного решений. Вследствие действия различных неупругих сопротивлений свободные колебания постепенно затухают, практическое значение имеют только установившиеся вынужденные колебания с частотой действия внешней силы:

,

где Ап- коэффициент динамичности

Л =11_

ЯГУр' *

уп - фаза реакции

Анализ результатов расчетов показывает, что механическая система проявляет свойства фильтра. Она пропускает без искажения гармоники с частотами, много меньшие собственных частот поперечных колебаний юВп , усиливает гармоники с частотами близкими к резонансным, и не пропускает гармоники с частотами много большими собственных.

Волновые процессы движения свободной ветви гусеницы зафиксированы скоростной камерой (рисунок 5). Из экспериментальных данных следует, что действительный процесс колебаний носит сложный характер. Бегущая волна формируется как ведущим, так и направляющим колесами. Причем формирующиеся волны могут двигаться навстречу друг другу. Длина волны в отдельных случаях может составлять от 0,5 до двух длин пролета между поддерживающими катками и изменяется случайным образом в зависимости от продольно-угловых колебаний корпуса.

Рисунок 5 - Волновой процесс в свободной ветви гусеницы

В соответствии с решением дифференциального уравнения распространения поперечных волн z(x,t) можно определить переменную растягивающую силу в гусе-

Г

где КГ - линейная жесткость свободной ветви; лПР -число ее пролетов.

Если приближенное уравнение первой гармоники представить в виде

, то значение растягивающей силы равно:

.

При известном значении растягивающей силы, действующей в свободной ветви, представляется возможным анализировать дифференциальное уравнение (1).

Результаты экспериментального исследования

Анализ экспериментальных данных показывает, что при прямолинейном движении колебательные процессы происходят при движении машины со скоростями гораздо ниже допустимых по условиям устойчивости, определенным по известным критериям. Фрагмент осциллограмм с регистрацией отклонений угловой скорости поворота машины и компенсирующего управления водителя приведен на рисунке 6, из которого видно, что компенсирующему управляющему воздействию (отклонению штурвала) со-

ответствует реакция сложной формы со смещением. Смещение соответствует управляющему воздействию

П (ашт )' а колебания угловой скорости относительно смещения - частоте поперечных волновых процессов (около одного Герца или 6,3 рад/сек). При возвращении штурвала в режим прямолинейного движения (ашт = 0) колебания угловой скорости поворота машины происходят с той же частотой в противофазе, но со смещением, вызванным асимметричностью упругой характеристики движителя.

Таким образом, длиннопериодические асинхронные поперечные колебания ветвей гусениц дестабилизируют устойчивость прямолинейного движения машины, приводят к колебаниям корпуса вокруг вертикальной оси в диапазоне 0,9...1,2 Гц.

Рисунок 6 - Фрагмент осциллограммы, характеризующей колебательные процессы корпуса гусеничной машины при прямолинейном движении

Основные направления стабилизации поперечных колебаний

Для гашения поперечных волновых процессов необходимо дополнительно увеличить растягивающие силы ТБ в гусеницах гидравлической системой управления натяжением. Для этого в систему необходимо дополнительно включить блок мониторинга и идентификации возникновения поперечных волн. Для этого соответствующий сигнал подается на управление газогидравлического аккумулятора для его соединения с силовыми цилиндрами механизма натяжения гусеницы. При этом модулятор давления настраивается на частоту соответствующую частоте поперечных волновых процессов.

Снижение асимметричности характеристики упругости движителя может быть обеспечено дополнительным натяжением гусеницы отстающего борта силой, равной 0,50 ... 0,82 силы веса машины с быстродействием 0,42 ... 0,85 с, что требует соответствующей мощности гидросистемы (сокращение деформации ветви отстающего борта определяется в соотвествии с графиками 2,3 на рисунке 3). Следует отметить, что в известных конструкциях размещение в корпусе мощной гидроситемы из-за плотной компоновки агрегатов машины затруднено. Для машин, оснащенных гидроприводами системы управления поворотом, для обеспечения требуемого быстродействия натяжения гусеницы отстающего борта предлагается использовать энергию рабочей жидкости насоса гидропривода, создаваемую при входе машины в поворот (давление в гидроприводе современных машин достигает 35 ... 60 МПа), что обеспечивает дополнительное натяжение гусеницы отстающего борта с необходимым быстродействием. Дополнительный расход рабочей жидкости из гидропривода может привести к уменьшению динамических свойств машины при входе в пово-

рот и снижению скоростных качеств. В связи с этим мощность гидропривода системы управления поворотом с отводом части жидкости механизма автоматического натяжения гусениц должна быть повышенной.

Выводы

1 При движении транспортной машины с большой скоростью по дорогам с малодеформируемым основанием длиннопериодические поперечные волновые процессы в ветвях гусениц приводят к колебаниям корпуса машины вокруг вертикальной оси с частотой 0,9 ... 1,2 Гц, что дестабилизирует траекторию движения.

2 Обоснована и разработана зависимость частот собственных и вынужденных поперечных волновых процессов в ветвях гусениц от параметров конструкции движителя.

3 Установлено, что поперечные волновые процессы в гусеницах могут быть стабилизированы регулированием и модуляцией силы натяжения гусениц.

4 Асимметричность характеристики упругости движителя, периодический характер ее изменения создают предпосылки параметрических колебаний корпуса. Сокращение асимметричности достигается дополнительным натяжением гусеницы отстающего борта силой равной 0,50 ... 0,82 силы веса машины с быстродействием 0,42 ... 0,85 с.

Список литературы

1 Теория колебаний [Текст]/под. ред. К. С. Колесникова.- М. : МГТУ

им. Н.Э. Баумана, 2003. - 272 с.

2 Платонов, В. Ф. Динамика и надежность гусеничного

движителя[Текст]/ В. Ф. Платонов. - М. : Машиностроение, 1973. - 232 с.

3 Тимошенко, С. П. Колебания в инженерном деле [Текст] /

С. П. Тимошенко.- М.: Наука, 1967.

4 Держанский, В. Б. Ограничение подвижности быстроходных

гусеничных машин при флуктуации боковых сил [Текст]/ В. Б. Держанский, И. А. Такаторкин // Тракторы и сельхозмашины.- 2011.- № 6.- С. 14-18.

УДК 543.422.3-74

Е.П. Выхованец, Л.В. Мосталыгина ФГБОУ ВПО «Курганский государственный университет» Ю.С. Русаков

ФГБУ СЭУ ФПС ИПЛ по Курганской области

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ АВТОМОБИЛЯ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ

Аннотация. Проведен сравнительный анализ ИК-спектров различных эксплуатационных жидкостей автомобиля: моторные, трансмиссионные масла, охлаждающие жидкости с целью идентификации жидкостей в районе пожаров.

Ключевые слова: ИК-спектроскопия, инициаторы горения, органические соединения, эксплуатационные жидкости автомобиля.

E.P. Vykhovanets, L.V. Mostalygina Kurgan State University

STUDY FLUIDS CAR IR SPECTROSCOPY

Annotation. The paper compares various vehicle fluids, such as motor oils, gear oils, coolants and other means of IR spectroscopy.

Index Terms: IR spectroscopy, the initiators of burning oil, organic compounds, Fluids car fire.

Введение

Моторные масла и другие технические жидкости автомобиля являются смесями компонентов, получаемых различными технологическими процессами. Они могут содержать сотни углеводородов различного строения, в различных соотношениях. Эксплуатационные жидкости автомобиля часто являются объектом исследования в практике пожарно-технической экспертизы. При подобных исследованиях перед экспертом стоят не только диагностические задачи (установление наличия жидкости в пробе), но и более значимые - идентификационные, предполагающие установление групповой принадлежности и типа жидкости. Несмотря на обилие аналитических методов, решение идентификационной задачи и установление типа эксплуатационной жидкости автомобиля представляет определённую сложность, так как эксплуатационные жидкости являются продуктами тяжелых нефтяных фракций с температурами кипения компонентов выше 200оС. В состав масел входят алканы нормального и изостроения с числом атомов углерода от пятнадцати до тридцати; полициклические ароматические углеводороды, содержание которых в отработанных и выгоревших маслах резко увеличивается.

С точки зрения методических особенностей анализ инфракрасных спектров поглощения позволяет выявить функциональный состав веществ в исследуемой пробе. Определенным структурным группам и связям молекул соответствуют характеристические полосы поглощения, выявляющиеся при соответствующих частотах инфракрасного спектра. Именно в ИК-области спектра находятся основные гармоники колебательных спектров углеводородов, входящих в состав эксплуатационных жидкостей. ИК-спектр вещества можно назвать его уникальной характеристикой, по которой можно проводить идентификацию вещества. Метод ИК-спектро-скопии требует малого количества исследуемого вещества,