К вопросу о построении математической модели движения объекта колесной бронетехники

УДК 623.437.093

К ВОПРОСУ О ПОСТРОЕНИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА КОЛЕСНОЙ БРОНЕТЕХНИКИ

Б.Б. Колосков, Н.Е. Стариков

Проведен анализ математической модели движения, используемой в тренажере вождения БТР-82А. Предложены рекомендации по совершенствованию частной математической модели силовой установки, входящей в состав математической модели движения тренажера вождения.

Ключевые слова: обучение, тренажер вождения БТР-82А, боевая подготовка, математические модели.

В настоящее время развитие вычислительной мощности современных электронно-вычислительных машин (ЭВМ) открывает возможности для получения улучшенных характеристик блока моделирования тренажера вождения посредством учета большего количества конструктивных параметров объекта колесной бронетехники при математическом описании процесса его движения. Система моделирования движения объекта является одной из основных составных частей тренажера вождения, от качества выполнения которой в значительной степени зависит адекватность математического моделирования тренажера. С помощью математической модели (ММ) движения БТР-82А, заложенной в алгоритмическое и программное обеспечение ЭВМ тренажера вождения БТР-82А (ТВК-59104-Д-Э), осуществляется реализация воздействий на обучаемого, которые возникают в результате движения объекта. Для этого в математическое обеспечение тренажера вводятся алгоритмы и программные средства решения задач динамики движения, моделирования систем автоматического управления различными блоками объекта, работы различных систем БТР-82А (силовая установка, трансмиссия и т.д.) и перемещения линии визирования в пространстве. В процессе обучения, выполняя упражнение по вождению, обучаемый воздействует на имитаторы органов управления БТР-82А, включающие в себя датчики сенсорной системы, измеряющие степень воздействия и результат переключения. БТР-82А совершает управляемые и неуправляемые движения, при этом управляемые движения происходят при управлении силовой установкой (регулируется скорость движения) и колесами с помощью рулевого колеса (управление направлением движения), а неуправляемые движения происходят в результате появления неровностей грунта [1].

Так, ММ движения, используемая в тренажере ТВК-59104-Д-Э, представляет собой математическое описание упругофрикционных связей, которые возникают при работе узлов и агрегатов БТР и его взаимодействии с грунтом. ММ движения БТР-82А состоит из следующих частных моделей (рисунке):

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 6

- модели силовой установки, включающая модель воздушной системы;

- модели трансмиссии;

- модели ходовой части [2].

Структура математической модели движения тренажера

ТВК-59104-Д-Э

В ходе анализа ММ движения при детальном рассмотрении модели силовой установки выявлены следующие недостатки:

- используется упрощенная модель силовой установки, в основу которой заложена кусочно-линейная аппроксимация (КЛА) индикаторного коэффициента полезного действия. Необходимо отметить, что при КЛА расчет усложняется тем, что при переходе от одного участка прямой к другой, для дифференциального уравнения с новыми значениями коэффициентов начальные условия и постоянные интегрирования определяются вновь, а кривая в промежутке между двумя известными значениями заменяется отрезком прямой линии. В результате использования КЛА при моделировании физических процессов увеличивается погрешность моделирования, т.к. при дифференцировании возможно появление недопустимых значений переменных при переходе от одного линейного участка к другому:

- тормозной момент двигателя внутреннего сгорания (ДВС) определяется как линейная зависимость, хотя момент носит явно квадратичную зависимость от частоты вращения коленчатого вала двигателя (КВД), вследствие трения между твердыми телами и жидкостью, тормозной момент ДВС от ротора передается к статору и стремится повернуть последний в направлении вращения;

- цикловая подача топлива определяется также при помощи КЛА, при этом не учитываются динамические характеристики всережимного регулятора;

- вводится искусственное ограничение частоты вращения КВД.

306

С учетом недостатков, которые, безусловно, увеличивают погрешность моделирования, для обеспечения адекватности тренажера вождения ТВК-59104-Д-Э необходимо обеспечить моделирование силовой установки, которая обеспечит реализацию индикаторных, тормозных и эффективных характеристик двигателя в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и масла двигателя, давления воздуха на впуске и вида топлива.

Силовая установка является динамической системой с моментом инерции и моментами сопротивления, развиваемыми внешней полезной нагрузкой и силами трения в подвижных частях установки.

Управление ДВС происходит путем изменения подачи топлива, что приводит к изменению крутящего момента на КВД. В результате изучения технических характеристик ДВС определены модули, наличие которых оказывает влияние на качество моделирования силовой установки:

- модуль вычисления индикаторного момента двигателя;

- модуль вычисления момента механических потерь двигателя;

- модуль вычисления эффективного момента двигателя;

- модуль вычисления углового ускорения КВД;

- интегратор [3].

Далее рассмотрим непосредственно модули вычисления индикаторного момента механических потерь и эффективного момента двигателя.

Как известно, индикаторный момент ДВС изменяется пропорционально работе газов за цикл, так как работа сил инерции за каждый оборот КВД равна нулю, т.е. зависит от цикловой подачи топлива (ЦПТ) gц и частоты вращения КВД, в соответствии с [3] индикаторный момент двигателя М определяется по формуле

М = хк (- 0.03 Ж/+12 Ж+2454) hg, где М{ - индикаторный момента двигателя; хк - параметр, определяющий включение топливного крана, значения: 0 - закрыт, 1 - открыт; -частота вращения КВД, мин-1; hg - параметр, определяющий положение педали подачи топлива.

Уменьшение индикаторной мощности ДВС обусловлено механическими потерями, которые складываются из потери мощности на трение (нарушении нормальной работы смазочной системы и системы охлаждения, ухудшении технического состояния двигателя), потери мощности на совершение насосных ходов поршнем (насосные потери), потери мощности на привод вспомогательных механизмов (масляный и топливный насосы, генератор и т.д.) и гидравлических потерь мощности (преодоление сопротивления движению деталей кривошипно-шатунного механизма в картерном пространстве). При этом потери мощности на трение составляют большую часть всех механических потерь [4] и увеличиваются с ростом нагрузки на двигатель с увеличением частоты вращения КВД.

Момент механических потерь двигателя Мтх определяется по формуле

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 6 Мш = - 0,015 Ж/+1,5 ,

где Mmt - момент механических потерь двигателя; - частота вращения КВД, мин-1.

Эффективный крутящий момент двигателя характеризует полезно используемую работу двигателя, снимаемую с его вала. Он, так же, как и индикаторный, зависит от ЦПТ и и частоты вращения КВД. Значение каждого из эффективных показателей определяется значением соответствующего индикаторного показателя и механическим КПД.

Вычисление эффективного момента двигателя Ме определяется по формуле

Ме = М + Мт,

где Ме - эффективный момент двигателя; М - индикаторный момент двигателя; Мт1 - момент механических потерь двигателя.

При этом угловое ускорение КВД определяется по формуле аЖа = (Ша) (Мр + Ме - Мс), где - угловое ускорение КВД, производная по времени от переменной рад/с ; Jd - суммарный момент инерции вращающихся частей, приведенных к КВД, кг- м2; Мр - пусковой момент от блока моделирования пускового устройства; Ме - эффективный момент двигателя; Мзс - момент на ведущем валу сцепления.

С помощью интегратора осуществляется интегрирование переменной по времени, в результате чего на выходе этого интегратора формируется переменная определяющая частоту вращения КВД.

В результате внедрения усовершенствованной математической модели силовой установки математическое обеспечение тренажера вождения ТВК-59104-Д-Э позволит воспроизводить переходные процессы ДВС, в том числе учитывать индикаторные, тормозные и эффективные характеристики ДВС.

Таким образом, использование усовершенствованной ММ движения тренажера вождения БТР-82А позволяет повысить комплексную адекватность тренажера реальному объекту [5], а применение такого тренажера для проведения занятий, несомненно, повысит качество подготовки механиков-водителей БТР-82А, в ходе которой приобретаются первоначальные навыки вождения.

Список литературы

1. Курочкин С. А. Обеспечение подобия подвижным наземным объектам при создании измерительно-информационной и управляющей систем тренажеров: дис. ... канд. техн. наук. Тула, 2004. 54 с.

2. Тренажер вождения БТР-82А и его модификаций динамический компьютерный ТВК-59104-Д-Э: руководство по эксплуатации. Тула: ОАО «Тренажерные системы», 2015. 55 с.

3. Патент на полезную модель РФ № 157662. Устройство для моделирования движения колесной машины / Б.Б. Колосков и др. МПК G09В 9/00. Опубликовано 10.12.2015. Бюлл. № 34.

4. Испытания двигателей внутреннего сгорания / Б.С. Стефанов-ский [и др.]. М.: Машиностроение, 1972. 58 с.

5. Колосков Б.Б., Лискин В.М. К вопросу адекватности моделирования в тренажерах вождения объектов бронетанковой техники // Труды Второй международной научно-практической конференции. СПб.: Межрегиональная эргономическая ассоциация, 2016. 237 с.

Колосков Борис Борисович, нач. отдела, koloskov haimail.ru, Россия, Тула, АО «Тренажерные системы»,

Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., starikov taiiamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ON THE QUESTION OF THE CONSTRUCTION OF THE MATHEMATICAL MODEL OF THE MOTION OF THE OBJECT OF WHEELED ARMORED VEHICLES

B.B. Koloskov, N.E. Starikov

An analysis of the mathematical model of motion used in the BTR-82A driving simulator is conducted. The recommendations on improvement of private mathematical model of the power plant, which is part of the mathematical model of the motion driving simulator are proposed.

Key words: training, BTR-82A driving simulator, comhat training, mathematical

models.

Koloskov Boris Borisovich, head of departments, kolosko v h aimail. ru, Russia, Tula, JSC «Training systems»

Starikov Nikolay Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, stari-kov taiiamail.ru, Russia, Tula, Tula State University