Предложения по совершенствованию математической модели движения объекта бронетанковой техники

УДК 623.437.093

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА БРОНЕТАНКОВОЙ ТЕХНИКИ

Б.Б. Колосков, Н.Е. Стариков

Рассмотрен вопрос адекватности моделирования в тренажерах вождения объектов бронетанковой техники. Рассмотрены компоненты адекватности моделей тренажера вождения объекта бронетанковой техники, представлены предложения по совершенствованию математической модели движения объекта бронетанковой техники.

Ключевые слова: тренажер вождения, адекватность моделирования, математическая модель, объект бронетанковой техники.

Повышение квалификации механика-водителя, который управляет тем или иным объектом бронетанковой техники (БТТ) в современных условиях, требует совершенствования методических и технических средств профессионального отбора и подготовки личного состава, используемых в Вооруженных силах Российской Федерации. Одним из наиболее эффективных средств формирования и развития знаний и профессиональных навыков, необходимых механику-водителю в реальных условиях деятельности, являются тренажеры.

Проблему обучения в современной технологии профессиональной подготовки механиков-водителей можно разделить на две относительно независимые задачи. Первая - технологическая, заключающаяся в создании требуемого уровня подобия имитации тренажера при приемлемых затратах на его изготовление и эксплуатацию. Вторая - учебно-методическая, рассматривающая вопрос эффективного применения тренажера как средства обучения [1]. Отдельно остановимся на первой - технологической проблеме обучения.

В современных тренажерах вождения колесных объектов БТТ (бронетранспортеры БТР-80(А), БТР-82(А) и др.) имитация условий работы механика-водителя осуществляется на основе использования копии рабочего места, интерьер которого максимально приближен к интерьеру реального объекта. Динамика и логика функционирования его подсистем моделируется вычислительным устройством, что позволяет имитировать весь процесс деятельности механика-водителя в требуемом объеме и производить выработку у человека необходимых навыков по управлению как объектом БТТ в целом, так и его подсистемами. Таким образом, в тренажере вождения колесных объектов БТТ реализуются интерьерные и математические модели технической и физической сущности эргатической системы «объект БТТ-среда-механик-водитель», а также все необходимые взаимосвязи в этой системе.

Для оценки соответствия тренажера объекту БТТ зачастую используется понятие «адекватность», которое также применяется к задачам и методам математического и имитационного моделирования, используемым в тренажерах вождения.

Можно выделить следующие основные компоненты адекватности моделирования в тренажерах [2]:

- адекватность учебных целей и условий;

- информационная адекватность (адекватность информационных потоков);

- динамическая адекватность (адекватность математического моделирования);

- эргономическая адекватность;

- эксплуатационно-экономическая адекватность.

Отдельно остановимся на динамической адекватности (адекватности математического моделирования). В тренажере вождения схема взаимодействия механика-водителя с объектом БТТ как объектом управления и внешней средой, включающая решение различных задач, должна совпадать со схемой взаимодействия механика-водителя с реальным объектом БТТ и внешней средой, однако из-за несоблюдения каких-либо условий адекватности, могут иметь место определенные, иногда существенные отличия. Эти отличия могут сказаться на каждом этапе алгоритма деятельности механика-водителя, а, следовательно, и на качестве приобретаемых им навыков. Одним из важнейших условий динамической адекватности является точность воспроизведения параметров процессов, от реализации которой напрямую зависит эффективность тренажера и его дидактическая ценность.

Таким образом, добиться повышения эффективности тренажеров вождения колесных объектов БТТ можно с помощью развития и совершенствования математической модели движения колесных объектов БТТ, за счет повышения ее адекватности, а именно снижения значительного количества ограничений.

Для примера рассмотрим математическую модель движения БТР-82А, которая используется в современных тренажерах вождения БТР-82А [3]. Основу модели движения БТР-82А составляет математическое описание упруго-фрикционных связей, имеющих место при работе узлов и агрегатов БТР-82А и его взаимодействии с грунтом. При этом изменение структуры связей определяется положением органов управления так же, как и в реальном объекте, что обеспечивает реализацию необходимых переходных процессов.

Математическая модель движения БТР-82А состоит из следующих частных моделей:

- модели силовой установки;

- модели трансмиссии с системой гидроуправления;

- модели колесного движителя с подвеской;

- модели движения по суше;

- модели движения на плаву.

Схема модели силовой установки БТР-82А представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема силовой установки БТР-82А: Wd - частота вращения вала двигателя; Рт - давление масла двигателя; Мп - крутящий момент, приведенный от двигателя

к масляному насосу; М^ - крутящий момент, приведенный от двигателя к генератору; - напряжение бортовой сети; 1Ьб - ток, потребляемый от генератора различными потребителями; Тм - температура масла двигателя после системы охлаждения

Для повышения адекватности математической модели движения тренажера вождения БТР-82А целесообразно повысить степень детализации вышеперечисленных моделей [4]. Так, модель силовой установки (дизельного двигателя), которая реализует индикаторные, тормозные и эффективные характеристики двигателя в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и масла двигателя будет представлять собой комплекс следующих частных моделей:

- модели системы питания топливом, которая обеспечивает подготовку двигателя к пуску и текущий расход топлива в зависимости от режима работы двигателя (частоты вращения вала двигателя и цикловой подачи топлива) с определением текущего количества топлива в баках;

- модели системы пуска двигателя, которая реализует пуск двигателя от электрического стартера с учетом влияния на пуск температуры охлаждающей жидкости и масла, а также уровня заряда аккумуляторов;

- модели системы смазки двигателя, которая моделирует работу системы смазки от маслозакачивающего насоса с приводом от дизельного двигателя. При этом моделируются расход и давление масла двигателя в зависимости от частоты вращения вала двигателя, параметров масла, определяемых его вязкостью, типом масла и его температурой;

- модели системы охлаждения двигателя и предпускового подогревателя, которая реализует передачу тепла, от сгораемого в двигателе топлива, через металл двигателя охлаждающей жидкости в зависимости от режима работы двигателя, температуры окружающей среды, скорости циркуляции жидкости, скорости воздуха от обдува вентилятора, положения жалюзи и работы системы термостатического регулирования;

- модели воздушной системы, которая реализует работу компрессора и перепускного клапана при этом определяются текущий расход воздуха и его давление при воздушном пуске двигателя и при заполнении системы от компрессора, а также значение момента, потребляемого компрессором от двигателя;

- модели системы электрооборудования, которая, в свою очередь, состоит из моделей стартера генератора, реле регулятора, аккумуляторной батареи (АКБ) и элементов коммутации. Данная модель позволяет вычислять в режиме пуска текущие значения пускового момента, приведенного к валу двигателя, пускового тока стартера, разряжающего АКБ, степень ее разряда по значению ЭДС и плотности электролита. В генераторном режиме определяются текущие значения момента нагрузки на двигатель от генератора, напряжение на его выходе в зависимости от частоты вращения вала двигателя и подключенной нагрузке, кроме того в этом режиме определяются текущие значения тока заряда и степень заряженности АКБ.

Схема модели трансмиссии с системой гидроуправления БТР-82А представлена на рис. 2.

В свою очередь, модель трансмиссии с системой гидроуправления будет представлять собой комплекс следующих частных моделей:

- модели сцепления, которая обеспечивает передачу силового потока от двигателя к коробке передач и наоборот;

- модели коробки передач, которая реализует ступенчатую трансформацию частоты вращения и момента, передаваемых через сцепление к раздаточной коробке передач;

- модели раздаточной коробки передач, которая обеспечивает включение пониженной передачи, работу межосевого дифференциала с его блокировкой между 3-й и 4-й осью, постоянную передачу крутящего момента к карданным валам 3-й и 4-й оси, подключение карданных валов 1-й и 2-й оси;

- модели карданных передач, которая обеспечивает передачу крутящего момента от каждого из четырех выходов раздаточной коробки к межколесным дифференциалам каждой оси;

- модели межколесных дифференциалов каждой оси, которая моделирует распределение крутящих моментов и частот вращения между колесами с учетом передаточных чисел главной передачи и колесных редукторов, а также блокировку межколесных дифференциалов;

- работа тормозов моделируется с помощью механического воздействия на соответствующие фрикционные элементы (тормозные колодки).

Педаль тормоза Рукоятка противоскатного устройства Рычаг ручного тормоза Рычаг включения передних мостов и блокировки дифференциала Рычаг переключения передач РК Рычаг переключения передач Педаль сцепления Гидрораспределитель

--

Главные тормозные

цилиндры с пневмоусилителями

Рис. 2. Схема модели трансмиссии с системой гидроуправления БТР-82А: ПК - правое колесо; ЛК - левое колесо; КП - коробка передач; РК - раздаточная коробка; МО диф - межосевой

дифференциал

Исходя из того, что в математической модели движения тренажера вождения БТР-82А используются достаточно обобщенные математические модели узлов и блоков БТР-82А, повышение степени детализации частных математических моделей узлов и блоков однозначно приведет к повышению адекватности математической модели движения БТР-82А.

Система моделирования движения колесного объекта БТТ является одной из основных составных частей тренажера вождения объекта БТТ, от качества выполнения которой в значительной степени зависит адекватность математического моделирования тренажера. В результате реализации предложений по совершенствованию математической модели движения тренажера вождения БТР-82А математическая модель движения адекватно отображает реальные процессы, позволяющие воспроизводить акустические шумы всех агрегатов и узлов силовой установки, обеспечивать реальные показания приборов, сигнальных лампочек и табло, реальные переходные процессы, возникающие в трансмиссии БТР-82А при его управлении.

Список литературы

1. Сергеев С.Ф., Захаревич М.А., Соколов В.Н. Проблема подобия в тренажерах // Российский научный журнал. 2011. № 6 (25). С. 102.

2. Колосков Б.Б., Лискин В.М. К вопросу адекватности моделирования в тренажерах вождения объектов бронетанковой техники // Труды Второй Международной научно-практической конференции. Россия, Санкт-Петербург, Межрегиональная эргономическая ассоциация, ФГАОУ ДПО «ПЭИПК», Северная звезда. 2016. С. 237.

3. Тренажер вождения БТР-82 А и его модификаций компьютерный динамический ТВК-59104-Д: техническое описание. Тула, ОАО «Тренажерные системы», 2012. С. 9 - 11.

4. Патент на полезную модель РФ № 157662. Устройство для моделирования движения колесной машины / Б.Б. Колосков [и др.] МПК 009В 9/00. Опубл. 10.12.2015. Бюлл. № 34.

Колосков Борис Борисович, начальник отдела, koloskov hamail.ru, Россия, Тула, ОАО «Тренажерные системы»,

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

THE PROPOSALS FOR IMPROVEMENT MATHEMATICAL MODEL OF MOTION OF ARMORED VEHICLES

B.B. Koloskov, N.E. Starikov

The question of the adequacy of the modeling in driving simulators of armored vehicles was considered. Was considered the components of the adequacy models of driving simulator of armored vehicles, was presented proposals to improve the mathematical model of the object of armored vehicles.

Key words: driving simulator, adequacy of the modeling, mathematical model, object of armored vehicles.

Koloskov Boris Borisovich, head of department, koloskov hiamail. ru, Russia, Tula, JSC «Training systems»,

Starikov Nikolay Evgenievich, dr. of sciences, professor, starikov taiiamail. ru, Russia, Tula, Tula State University