Prospects for the creation of the adaptive vibration control system for an agricultural mobile power unit

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, одной из основных проблем создания высокоэффективных мобильных энергосредств является защита элементов конструкции от высокого уровня вибрации, генерируемого от взаимодействия ходовой системы с опорной поверхностью — поля, дороги, растительный покров и т.д. Это особенно важно для колёсных мобильных машин, применяемых в сельском хозяйстве, в тех случаях, когда микропрофили дорог и полей имеют очень высокую степень неровности — вспаханное поле, езда поперёк борозд, транспортное движение по ухабистым местам и т.д. Для решения данной проблемы, одним из перспективных направления является создание адаптивных систем подрессоривания (АСП) и ходовых систем. Принцип работы таких систем, состоит в том, что при движении мобильных энергосредств (МЭС) с помощью необходимых технических средств обеспечит сканирование дорожного полотна, сопоставляет его с имеющимся в виде нейронных сетей показателей неровности микропрофилей дорог и выработать управляющее воздействие на исполнительный механизм. В данном случае исполнительным механизмом может быть техническое средство, которое в онлайн режиме управляет (изменяет) упругодемпфирующими характеристиками системы виброзащиты машины в целом. Например, для колёсных машин это может быть пневматическая или гидравлическая система подрессоривания или изменение внутришинного давления колёс. Разрабатывая адекватное, аппаратное, математическое и программное обеспечение подобных адаптивных систем, можно добиться высокой эффективности и функционирования полнокомплектной машины, то есть снижать уровень вибрации на всех агрегатах узлах мобильной машины. Однако, при практической реализации подобных проектов, возникают проблемы, связанные как с аппаратным, так и с программным обеспечением подобных адаптивных систем управления. На примерах мобильных энергосредств сельхозназначения это даёт ещё дополнительный эффект в виде снижения давления на почву (снижение степени переуплотнения) и буксования колеса, что очень важно для повышения урожайности. Разработка технических средств, аппаратного, математического и программного обеспечения, отмечающих требованиям к подобным системам управления является базовым для достижения поставленной цели.

ОПИСАНИЕ РАБОТ И РЕЗУЛЬТАТЫ

При разработке адаптивных систем подрессоривания колёсных МЭС нами выполнялся комплекс работ, связанных с разработкой их технического, аппаратного, математического и программного обеспечения [1–5].

Предполагается, что разрабатываемая АСП будет устанавливаться на тракторе «Агромаш ТК-180» на лонжероне переднего моста. Объектом управления является пневмоэлемент (ПЭ) системы подрессоривания переднего моста. Определены нагрузочные характеристики ПЭ существующего трактора — «Агромаш-180ТК». Согласно результатам расчётов на моделях, оптимальные значения жёсткости ПЭ для эффективного управления системой подрессоривания должны лежать в диапазоне в 1,5–2,0 раза (при внутрикордном давлении 1...6 атм.) меньшем, чем ПЭ, установленный на реальном тракторе. В связи с этим, был выбран новый ПЭ, соответствующий по своим упругодемпфирующим характеристикам, расчётному оптимальному диапазону [5]. Общий вид места установки АСП на переднем мосту трактора, приведён на рис. 1.

 

Рис. 1. Общий вид установки пневмоэлементов адаптивной системы подрессоривания на переднем мосту.

Fig. 1. The main view of the assembly of the airsprings of the adaptive suspension system at the front axle.

 

В качестве элемента подрессоривания была выбрана двухсекционная пнемвоподушка (пневмоэлемент) размером 235x120x235 мм, в качестве исполнительного механизма выбрано: компрессор, ресивер, клапана и другие элементы конструкции. В качестве комплектующих систем управления были выбраны: контроллер (программируемое реле) Овен, бортовой компьютер, оптические датчики для сканирования микропрофиля, датчики давления и др. Для реализации данной концепции создания адаптивного систем подрессоривания, был создан имитационный стенд, общий вид приведён на рис. 2.

 

Рис. 2. Общий вид испытательного стенда АСП МЭС: 1 — силовая рама для крепления ПЭ; 2 — датчик положения; 3 — пневмоэлемент; 4 — мембранный датчик усилия; 5 — гидроцилиндр; 6 — оптический выключатель; 7 — шкаф управления стендом; 8 — датчик давления воздуха; 9 — блок электромагнитных клапанов; 10 — ресивер; 11 — гидробак; 12 — гидрораспределитель; 13 — компрессор; 14 — бортовой компьютер.

Fig. 2. The main view of the test bench of the adaptive suspension system of a MPU: 1 — a structural frame for airspring mounting; 2 — a displacement gauge; 3 — an airspring; 4 — a load diaphragm transducer; 5 — a hydraulic cylinder; 6 — an optical switch; 7 — a bench control box; 8 — an air pressure gauge; 9 — a block of electromagnetic valves; 10 — a receiver; 11 — a hydraulic tank; 12 — a hydraulic control valve; 13 — a compressor; 14 — an on-board computer.

 

Перечень комплектующих элементов испытательного стенда АСП приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Перечень и характеристики комплектующих элементов испытательного стенда АСП

Table 1. List and specification of components of the test bench of the adaptive suspension system

№ п/п	Наименование и марка комплектующих	Характеристики
1	Гидроаккумулятор GXQ-A-0.32/21-AM-Y — 1 шт.	Мембранного типа, предназначен для выравнивания давления в гидравлической системе. Объём: 0,32 л.; Максимальное рабочее давление: 21 Мпа
2	Гидрораспределитель ВЕ10.14 (1РЕ10.14) — 1 шт.	С электромагнитным управлением: условный проход 10 мм; Максимальное давление; порты P, A, B 32 МПa, порт T 16 MПa
3	Рукав высокого давления DIN 1SN d=12 (фирмы COMET), 6 м	Материал: резина + сталь; Давление:160 бар; Температура: от -40 до +100 C; диаметры наруж. — 20,6 мм, внут. — 12 мм
4	Блок электромагнитных клапанов КАМАЗ-ЕВРО — 1 шт.	Тип: БЭК 37.002-01; напряж. пит. номин.: 24 В; кол-во клапанов в блоке: 2; Рабочее давление от 0 до 1,0 МПа
5	Насос шестерённый НШ 10М3 — 1 шт.	Рабочий объем:10 см3; Давление на выходе номин. — 16 МПа; Номинальная мощность: 8,6 кВт
6	Компрессор «Агрессор AGR-75» — 1 шт.	Тип: поршневой; Производительность: 75 л/мин. Max давление:10 атм.
7	Бортовой компьютер (БК)	Комплектация БК: Материнская плата MSI PRO H410M-B — 1 шт; Процессор Intel Core i3 10105F OEM — 1 шт; Оперативная память AMD R948G3206U2S-UO — 2 шт; Видеокарта AMD Radeon RX 6600 Sapphire PULSE 8 Gb — 1 шт. Максимальная частота процессора: 4400 МГц; Частота видеопамяти: 14000 МГц
8	Оптический датчик ОВЕН, диффузный	Расстояние срабатывания: 2000 мм. Тип выходного элемента: PNP
9	Программируемое реле с дисплеем ОВЕН (контроллер) ПР200-220.22.1.0	Количество входов/выходов: 12/10. Питание дискретных входов (датчиков): 24 В. Тип выходов: электромагнитное реле/токовый 4–20 мА Количество дискретных: входов — 8, выходов — 8
10	Датчик положения Startvolt VS-TP 0306
11	Датчик давления воздуха МАЗ ДКД-1/К	Ширина: 0.045 м, Высота: 0.045 м, Длина: 0.085 м
12	Гидроцилиндр МС 40/25х160-3.11 — 1 шт.	Диаметр поршня: 40 мм, Диаметр штока: 25 мм. Ход штока: 160 мм
13	Пневморессора (пневмоэлемент) ROR (двухсекционные) — 1 шт.	Ширина: 0.235 м, Высота: 0.12 м, Длина: 0.235 м
	и другие элементы

 

В рамках формирования системы управления, была разработана рекуррентная нейронная сеть, в частности архитектура LSTM (Long Short-Term Memory), обученная по характеристикам неровностей сельскохозяйственных дорог и полей. Выполнена отладка датчиков обратной связи — оптические датчики, датчики давления пневмосистемы, указателя давления в гидросистеме (силовом гидроцилиндре), датчик усилия мембранный, необходимые для формирования управления при имитации неровностей дорожного фона и управлении давлением, с целью изменения упругодемпфирующих характеристик ПЭ системы подрессоривания. Проведена отладка программного обеспечения обучаемой нейронной сети и бортовой электронной (вычислительной) техники. В процессе разработки АСП одна из главных задач заключается в корректной обработке данных о динамике изменения дорожного полотна. Технология рекуррентных нейронных сетей, в частности, применяемая нами, архитектура LSTM (Long Short-Term Memory), предлагает перспективные возможности для обработки временных рядов, что делает её идеальным инструментом для данной задачи. Благодаря LSTM модели, основанной на данных о неровностях микропрофилей дорог, нам удалось достичь значительной эффективности функционирования АСП. Для реализации и обучения модели использованы несколько ключевых библиотек Python:

• NumPy, используется для выполнения широкого спектра математических операций над массивами;
• Pandas, для анализа и манипуляций с данными из различных источников;
• Scikit-learn, предоставляет широкий спектр простых и эффективных инструментов для обработки данных и машинного обучения;
• TensorFlow и Keras: TensorFlow, платформа для машинного обучения, а библиотечный модуль Keras, встроенный в неё, предназначен для создания и обучения нейронных сетей и LSTM модели.

Для эффективной работы АСП необходимо обеспечить надёжное взаимодействие с различными компонентами, такими как датчики и исполнительные устройства. В нашей архитектуре мы выбрали контроллер ОВЕН ПР200, благодаря его гибкости и поддержке протокола Modbus (с доработанными программными процедурами для взаимодействия с исполнительными устройствами), который является стандартом в промышленной автоматизации, контроллер успешно встроен в АСП. Выбор Modbus был обусловлен его устойчивостью, надёжностью и простотой реализации на низком уровне формирования управляющего сигнала. Это позволило эффективно управлять как чтением данных с датчиков, так и передачей команд на исполнительные устройства. Примеры кодов на Pytho, с использованием библиотек, приведены в файле дополнительного материала к отчёту по НИР. В связи с тем, что в формировании управляющего воздействия на ПЭ принимают участие как электронные и пневматические, так и механические элементы конструкции АСП, срабатывания системы имеют некоторую инерционность, и таким образом ограничивают ее быстродействие. Это ограничение существенно ухудшает эффективность АСП при больших линейных скоростях МЭС, например, транспортных режимах работы, где скорость МЭС достигает уровня 40–45 км/час. В связи с этим, для повышения эффективности АСП — исключения запоздалых и ложных срабатываний, в программном обеспечении системы управления АСП реализованы (заданы) пороговые значения неровностей дорог и полей. Таким образом, АСП выдаёт команды на изменение давления в ПЭ только в случае обнаружения существенных неровностей — высот или углублений, превышающих пороговые значения. Данные пороговые значения можно выбрать исходя из статистических характеристик микропрофиля дорог и полей. Например, для проселочной дороги пороговою величину можно установить в пределах +/- 4 см, для вспаханного поля эта величина может составлять +/- 5–10 см. С этой же целью при дальнейшем внедрении АСП на мобильных машинах, работающих в сельском хозяйстве, можно было бы предусмотреть 2-х диапазонный режим работ АСП: технологический и транспортный. Согласно [6] рабочие скорости МЭС тягового класса 3 (трактор «Агромаш ТК-180») при выполнении различных технологических операций с соответствующими комплексами машин (плуги, рыхлители, культиваторы, бороны, сеялки, и др.) лежит в диапазоне 5–13 км/ч, а в транспортных работах с прицепом — 12–35 км/ч.

Как в любой системе управления следует учитывать задержку отклика автоматической системы — это временной интервал между изменением технологического параметра и управляющим воздействием. Для расчёта задержек в автоматической системе используют параметрическую идентификацию отдельных узлов с последующим составлением циклограммы замкнутого контура регулирования.

Учитывая особенности разрабатываемой АСП, следует определить частоту, с которой система будет работать, по формуле:

$f\le f_{\text{max}}=\left(\frac{1}{T_{\min }}\right)$, (1)

где f — частота появления дискретных неровностей микропрофиля; Т_min — минимальный период срабатывания АСП.

Этот период определяется по формуле:

$T_{\text{min}}=t_1+t_2+t_3$ (2)

t₁ — время (задержка) срабатывания датчиков физических величин; t₂ — время срабатывания бортового компьютера и управляющего контроллера; t₃ — время срабатывания исполнительных устройств.

Обоснование данных пороговых значений опирается на обработку нестационарных случайных процессов полученных от неровностей дорог и полей. Профиль поверхности поля является фактором, оказывающим существенное влияние на неравномерность целого ряда базовых выходных параметров МЭС: неравномерность глубины обработки почвы, заделки семян, неравномерность нагрузочного и скоростного режимов агрегатов и т.п. Подобные работы выполнены исследователями А.Б. Лурье, Л.Е. Агеев, Ю.К. Киртбая [7–9]. Они предложили для области макроколебаний нагрузки колебания считать частотой 0…0,2 Гц, мезоколебаний — 0,2…0,3 Гц, микроколебаний — свыше 3…5 Гц, при длине волны — L ≈ до 2 м. Например, на вспаханном, культивированном поле получены следующие статистические характеристики неровностей: минимум -2,192 см, максимум 2,374 см, среднее значение неровностей 0,966 см, стандартное отклонение 0,389 см. На ИС были проведены имитация нагружения элементов конструкции во время движения МЭС при выполнении технологической операции с различными сельхозмашинами — опрыскиватели и плуг. Воспроизведение реально существующих дорожных фонов и эксплуатационных нагрузок на стенде показал эффективность снижения динамической нагруженности в следствии функционирования АСП.

Результатом выполнения данного проекта является повышение функциональных свойств, в том числе и улучшение виброактивности конструкции МЭС (снижение вибронагруженности узлов и деталей). АСП позволяет существенно улучшить условия труда оператора, защитить энергосредство от воздействия вибраций, повысить долговечность благодаря снижению динамических нагрузок, а в последствии — повышение сопротивления усталости и надежности МЭС в целом. Повышение долговечности машины является одним из наиболее приоритетных направлений при разработке АСП и МЭС в целом. При высоких уровнях вибронагруженности, элементы конструкции подвергаются повышенному циклическому нагружению, что согласно теории линейного накопления повреждений при циклическом нагружении вызывает многоцикловую усталость конструкции — снижение сопротивления усталости (долговечности). Согласно этой теории, нагрузки ниже предела выносливости материала — σ_-1, накопление повреждений в конструкции не вызывают. По результатам расчётов на примере переднего лонжерона трактора (марка стали 09Г2С, термически обработанная и горячекатанная, σ_-1 = 230–250 МПа, при изгибе), где установлена ПЭ, долговечность конструкции превосходит аналогичный показатель в базовом варианте трактора «Агромаш ТК-180» почти в 2 раза.

Трактора «Агромаш-180ТК» при работе с технологическим оборудованием (4-х корпусным навесным плугом) реализует стационарную нагрузку, приходящуюся на одно переднее управляемое колесо в диапазоне 8000…9000 Н. Имитация данного режима нагружения на разработанная АСП показывает эффективное сглаживание величин динамических нагрузок, по показаниям датчика усилия стенда, они не превышают величины 10800–11700 Н на одно колесо. Без применения АСП динамическая величина этой нагрузки составляет 13000–14300 Н. Таким образом, снижение динамической нагруженности в данном технологическом режиме работы трактора с применением АСП составляет 20,3–22,2%. Аналогичные показатели по динамическим нагрузкам получены, также при имитации режимов нагружения при работе трактора с опрыскивателем объёмом жидкости в баке 500 л.

Кроме этого, вследствие снижения динамической нагруженности несущей системы МЭС в вышеприведённых значениях, можем достичь снижения максимального нормального давления на почву от движителей (колес) МЭС, оснащенных АСП, более чем на 20%. Вследствие этого, предполагается достигнуть повышения урожайности до 30% (снижение недобора урожая) при 2-х проходах по одной колее. Подобный эффект подтверждён в трудах профессора Русанова В.А. многолетними полевыми исследованиями воздействия ходовых систем МЭС на почву и на урожайность в растениеводстве [10]. В связи с тем, что давление на почву является одним из функциональных (сертификационных) показателей МЭС сельскохозяйственного назначения, применение АСП при создании этих машин существенно повысит их конкурентоспособность и возможность отвечать своим потребительским свойствам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработка и внедрение АСП с высокоэффективным аппаратным, математическим и программным обеспечением позволяет существенно снизить вибронагруженность элементов конструкции МЭС сельхозназначения, особенно в тяжёлых режимах работы. Внедрение подобной системы на современных МЭС, является залогом улучшения многих их функциональных характеристик — динамических нагрузок, давления на почву, буксования движителя, долговечность конструкции, условий труда.
2. Результаты данной разработки могут быть использованы при создании инновационных колёсных транспортно-технологических средств АПК с элементами искусственного интеллекта в системах подрессоривания и ходовых системах полнокомплектной машины. Применение АСП при создании МЭС сельскохозяйственного назначения, существенно повысит их конкурентоспособность и возможность отвечать своим потребительским свойствам.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. З.А. Годжаев — постановка задачи, планирование и координация проведения исследований, правка текста статьи; С.Е. Сенькевич — проведение расчётно-экспериментальных исследований, сбор и анализ литературных источников, редактирование статьи; И.С. Малахов — анализ результатов проведённых исследований, оформление текста и редактирование статьи, переписка с редакцией журнала; С.Ю. Уютов — проведение исследований на стенде, оформление текста статьи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда — Соглашение № 23-29-00289, от 13.01.2023, https://rscf.ru/project/23-29-00289/

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. Z.A. Godzhaev — setting the task, planning and coordinating the research, editing the text of the manuscript; S.E. Senkevich — conducting computational and experimental studies, collecting and analyzing literary sources, editing the manuscript; I.S. Malakhov — analyzing the results of the conducted research, drafting and editing the text of the manuscript, correspondence with the editorial board of the journal; S.Yu. Uyutov — conducting research on the bench, drafting the text of the manuscript. Authors confirm the compliance of their authorship with the ICMJE international criteria. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. The research was carried out at the expense of the grant of the Russian Science Foundation — Agreement No. 23-29-00289, dated 13.01.2023, https://rscf.ru/project/23-29-00289/

作者简介

Zakhid Godzhaev

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: fic51@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1665-3730
SPIN 代码: 1892-8405

Dr. Sci. (Engineering), Professor, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Head of the Mobile Power Units Department

俄罗斯联邦, Moscow

Sergey Senkevich

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: sergej_senkevich@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6354-7220
SPIN 代码: 7766-6626

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Head of the Automated Drive of Agricultural Machinery Laboratory

俄罗斯联邦, Moscow

Ivan Malakhov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

编辑信件的主要联系方式.
Email: malahovivan2008@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8162-7718
SPIN 代码: 7067-6972

Postgraduate, Junior Researcher of the Modeling and Optimization of MPUs Sector

俄罗斯联邦, Moscow

Sergey Uyutov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: s_uyutov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9394-5916
SPIN 代码: 7350-1489

Junior Researcher of the of the Automated Drive of Agricultural Machinery Laboratory

俄罗斯联邦, Moscow

参考

补充文件