Stabilization of road-holding ability of controlled movement of machine-tractor unit

Full Text

Тип кинематической связи ведущих колес (блокированный дифференциал, дифференциальный привод) [1], а также характеристики трансмиссии (жесткость, диссипативные свойства) [2] оказывают непосредственное влияние на формирование крутящих моментов и касательных усилий на ведущих колесах. Следовательно, они влияют и на динамику взаимодействия элементов системы «трактор - прицеп - опорное основание» [3, 4], а в конечном счете - на все динамические показатели МТА [5, 6], в т.ч. на галопирование и рыскание, устойчивость и управляемость как трактора, так и прицепного звена [7]. С целью выявления этого влияния проведены испытания транспортного агрегата, состоявшего из экспериментального трактора класса 1,4 и прицепа ПСЕ-12,5. Трактор был оснащен опытным пневмогидравлическим упругодемпфирующим приводом ведущих колес [а.с. №1110681], увеличивающим податливость трансмиссии и ее диссипативные свойства и обеспечивающим плавное восприятие изменяющейся нагрузки [8]. Прицеп имел максимальную загрузку с общей массой 6320 кг. Комплекс приборов и датчиков экспериментальной установки позволял регистрировать широкий круг параметров: курсовые углы трактора и прицепа, угол поворота остова трактора в продольно-вертикальной плоскости (угол галопирования), углы поворота рулевого колеса и дышла прицепа, зазор в сцепном устройстве, ускорения поступательного движения трактора и прицепа, вертикальные ускорения центров переднего и заднего мостов трактора, крутящие моменты на полуосях, давления в пневмогидроаккумуляторах, ход гидроцилиндров эластичных элементов и так далее, - всего 32 параметра. Углы рыскания трактора и прицепа и угол галопирования измерялись посредством датчиков, выполненных на основе гироскопических чувствительных элементов. Для этого использовались гироагрегаты Г-3М из авиационного гироиндукционного компаса ГИК-1 (замер курсовых углов трактора и прицепа) и гиродатчик авиагоризонта АГД-1 (замер угла поворота трактора в продольно-вертикальной плоскости). Питание гироскопических датчиков осуществлялось от источника переменного трехфазного тока напряжением 36 В ±10% и частотой 400 Гц ±2% (запитка гиродвигателей и двигателей системы коррекции гироскопов) и от источника постоянного тока напряжением 27 В ±10% (запитка реохордных и индукционных датчиков системы коррекции гироскопов). Для выработки переменного трехфазного тока применялся преобразователь типа ПТ-200Ц, мощности которого достаточно для питания всех трех используемых гирокомплексов. В связи с тем, что сигналы, поступающие от гироскопов, не могут непосредственно использоваться для регистрации осциллографом (сигналы трехфазные, а на выходе АГД-1 - трехфазные переменного тока), изготовлены специальные преобразователи сигналов по каждому каналу. Они смонтированы в специально изготовленном пульте управления, с которого осуществлялось управление гироскопами и преобразователем: запуск, арретирование, регулировка уровня сигналов. Путем измерений определены пусковые токи отдельных агрегатов гироскопической системы, подсчитан суммарный пусковой ток. Последний оказался значительным (24 А) для примененных в экспериментальной установке аккумуляторных батарей типа 6СТ-132. Для предотвращения чрезмерного разряда батарей в период запуска предусмотрены последовательные подача питания, запуск и вывод на рабочий режим преобразователя и каждого из гироскопов. Суммарный ток разряда при работе преобразователя, всех гироскопов и осциллографа составлял 12-13 А. Тарировка гироскопов осуществлялась с помощью делительной головки с установленными на ней сменными поворотными платформами. Точность делительной головки предварительно оценивалась посредством оптического квадранта типа КО-10. Перед тарировкой оценивалось соответствие угловой скорости увода гироскопа паспортным данным (скорость увода не должна превышать 0,26 град/мин). Кроме того, перед экспериментальными исследованиями оценивалась степень точности гироскопических датчиков в условиях вибрации при замере малых углов отклонения (±2°). В качестве оценочных показателей устойчивости управляемого движения приняты среднеквадратические отклонения курсовых углов трактора σαт и прицепа σαп. Показатели устойчивости оценивались в системе «транспортный агрегат - дорога - водитель», т.е. при наличии управляющих воздействий со стороны водителя. Это в полной мере соответствует реальным условиям эксплуатации, в отличие от методик исследования устойчивости с закрепленным или свободным рулевым управлением. Поэтому дополнительно определялось среднеквадратическое отклонение угла поворота рулевого колеса σΨ, характеризующее напряженность работы водителя по поддержанию заданной траектории движения агрегата. С целью минимизации субъективного влияния водителя на результаты экспериментальных исследований и обеспечения сопоставимости опытов в испытаниях участвовал квалифицированный водитель, имеющий сложившиеся навыки управления транспортным агрегатом. Весь объем испытаний проводился одним водителем. Во время испытаний состояние транспортного агрегата соответствовало техническим условиям заводов-изготовителей. Соответствовали норме: схождение управляемых колес, суммарные люфты в рулевом управлении трактора и прицепа, определенные по ободу рулевого колеса и дышлу. Давление в шинах соответствовало норме для транспортных работ и проверялось каждый раз непосредственно перед выездом на испытания. Колеса прицепа и задние колеса трактора были оснащены новыми шинами, износ протектора управляемых колес трактора не превышал 5% от первоначальной высоты и был равномерным по окружности и ширине. Для проведения данного вида испытаний выбран прямолинейный участок грунтовой плотно укатанной дороги. Поперечный уклон не превышал 0,5%, продольный - 1%. Длина мерного участка составляла 100 м. Эксперименты проводились на 3, 4, 5, 6-й передачах без редуктора и 8-й передаче с редуктором при максимальной подаче рейки топливного насоса, что соответствовало скоростям 1,9; 2,36; 2,81; 3,3 и 3,61 м/с. Исследования проводились в широком диапазоне податливостей эластичных элементов. Начальное давление жидкости в пневмогидроаккумуляторе P0 варьировалось от 3 до 10 МПа, начальный объем газа V0 - от 400 до 2400 см3. Испытания проводились от максимальной жесткости (Р0 = 10 МПа, V0 = 400 см3) до максимальной податливости (Р0 = 3 МПа, V0 = 2400 см3). При большей податливости наблюдаются пробои эластичного элемента. Кроме того, испытания проводились и на рациональной характеристике, установленной для транспортных работ с точки зрения динамики по критерию минимума расхода топлива. Для этой характеристики начальные параметры составляют Р0 = 6 МПа, V0 = 2000 см3. Варьировались и диссипативные свойства эластичного элемента установкой дросселей с различными проходными сечениями D: 1, 2, 3 и 6 мм (без дросселей). Испытания проводились с различными типами кинематической связи ведущих колес - дифференциальной связью и блокированным дифференциалом. Проведенные экспериментальные исследования показали, что с ростом скорости степень рыскания тракторного поезда увеличивается, устойчивость ухудшается как для серийного, так и для эластичного привода (рис. 1). При этом устойчивость трактора по критерию среднеквадратического отклонения (стандарта) угла рыскания σαт с эластичным приводом существенно выше (на 16,3-30,1%), чем с серийным. Интенсивность изменения σαт для трактора практически одинакова для обоих типов привода. Однако интенсивность изменения степени рыскания прицепа σαп в зависимости от скорости для эластичного привода заметно ниже, чем для серийного (см. рис. 1). Это следствие существенного снижения интенсивности взаимодействия масс агрегата при введении упругодемпфирующих звеньев. С ростом скорости вследствие увеличения ударных нагрузок со стороны неровностей существенно возрастает изменчивость крюкового усилия, увеличиваются колебания в сцепном устройстве, учащаются рывки и увеличивается их интенсивность, увеличивается число накатов прицепа на трактор. Введение упругодемпфирующих элементов в трансмиссию обеспечивает создание запаса потенциальной энергии при действии пиковых нагрузок, что способствует смягчению динамических процессов при взаимодействии звеньев поезда: на 14-25% стабилизируется крюковая нагрузка; на 15-50% уменьшается вариация зазора в сцепке; на 50-80% снижается количество накатов. Все это не может не отражаться на условиях работы водителя - снижается напряженность труда по поддержанию заданной траектории движения. Стандарт угла поворота рулевого колеса при введении упругодемпфирующих звеньев уменьшается на 30% (рис. 2). На трансмиссию с пониженной жесткостью в меньшей степени влияют угловые колебания, вызванные наездом колесами трактора на неровности и колебанием крюковой нагрузки. Крюковая нагрузка также стабилизируется при введении упругодемпфирующих элементов. В целом все это способствует уменьшению угловых колебаний трактора в продольно-вертикальной плоскости (галопирования). Для широкого диапазона скоростей установлено, что с эластичными элементами вследствие сглаживания пиков крюковой нагрузки (на 38%) и крутящего момента (на 36%) происходит более плавный и в то же время более интенсивный разгон агрегата: сокращается время разгона за счет того, что снижается буксование и в меньшей степени уменьшается частота вращения коленчатого вала двигателя. При этом трактор в меньшей степени опрокидывается в продольно-вертикальной плоскости - величина угла галопирования β снижается на 40%. Аналогичные явления наблюдаются при действии пиковых нагрузок и на установившемся режиме движения. В данном случае зафиксировано снижение стандарта угла галопирования σβ на 12-19% для широкого диапазона скоростей. Уменьшение угловых колебаний в продольно-вертикальной плоскости (по критерию стандарта угла β) приводит к более равномерной загрузке переднего и заднего мостов трактора. На рис. 3 представлены стандарты вертикальных ускорений мостов трактора и горизонтальных ускорений прицепа при движении с серийным и эластичным приводами. Установлено снижение вертикальных ускорений на 12-30% для переднего и на 19-37% для заднего моста трактора. Снижение вертикальных колебаний мостов способствует уменьшению возмущений от боковых составляющих сил, действующих со стороны неровностей, повышению сопротивляемости мостов уводу. Все эти факторы в целом приводят к уменьшению степени рыскания тракторного поезда, улучшению курсовой устойчивости управляемого движения. Смягчение динамики взаимодействия элементов системы «трактор - прицеп - опорное основание» приводит и к уменьшению уровня горизонтальных ускорений и их изменчивости (см. рис. 3). Зарегистрировано повышение равномерности движения (по критерию σα) на 20-25%. Заметим, что при движении на высших передачах (6-й и 8-й) с серийным приводом уровень горизонтальных ускорений составляет 0,23g и 0,27g соответственно, что превышает допустимый уровень, который находится в пределах 0,1…0,2g. Выявлено, что снижение жесткости трансмиссии путем установки упругодемпфирующих звеньев позволяет снизить горизонтальные ускорения до величин, не превышающих верхний уровень допустимых значений, во всем диапазоне скоростей. Это, наряду с уменьшением уровня вертикальных ускорений, снижением степени галопирования и рыскания, уменьшением напряженности психомоторной работы водителя по поддержанию заданной траектории, способствует улучшению условий его работы. Для проведения экспериментальных исследований устойчивости и управляемости при движении с блокированным дифференциалом разработано устройство, предотвращающее автоматическую разблокировку дифференциала при повороте управляемых колес на угол, превышающий 8°, и обеспечивающее надежную блокировку ведущих колес. С этой целью фрикционная муфта с гидравлическим сжатием дисков автоблокировки дифференциала отсоединена от насоса гидроусилителя рулевого управления и подключена к пневмогидроаккумулятору, в который от штатного гидрораспределителя нагнеталась жидкость под давлением. При достижении необходимого давления, которое контролировалось по манометру, установленному в кабине трактора, аккумулятор отключался от нагнетающей гидролинии. Пневмогидроаккумулятор обеспечивал поджатие фрикционной муфты заданным давлением жидкости в течение длительного времени. Величины давления, которое поддерживается в штатной системе автоблокировки в пределах 0,7-0,9 МПа, недостаточно для надежной блокировки дифференциала: при повороте на плотном основании происходит проскальзывание дисков фрикциона. В рассматриваемом же случае для чистоты эксперимента требовалась полная блокировка дифференциала. В связи с этим были экспериментально определены величины давления, обеспечивающие полную блокировку дифференциала. Для этого необходимо в полость диафрагмы фрикционной муфты подать давление жидкости не менее 1,5 МПа. Эксперименты проводились с некоторым запасом давления при P = 1,8 МПа. Проведенные экспериментальные исследования устойчивости при движении с блокированным дифференциалом выявили характер явлений, аналогичный тем, которые наблюдаются при введении эластичных элементов с дифференциальной связью ведущих колес. Применение эластичного привода способствует смягчению динамики взаимодействия элементов системы «трактор - прицеп - опорное основание», что выражается в стабилизации крутящих моментов, уменьшении буксования, стабилизации крюковой нагрузки, уменьшении изменчивости зазора в сцепке, количества накатов, угловых колебаний в продольно-вертикальной плоскости, снижении вертикальных ускорений мостов трактора. Эти факторы способствуют улучшению устойчивости движения (рис. 4). Снижение буксования ведущих колес, колебаний в продольно-вертикальной плоскости, вертикальных ускорений мостов трактора приводит и к увеличению динамической сопротивляемости уводу. Кроме того, следует отметить, что при введении эластичных элементов уменьшается генерирование возмущающего момента, действующего в горизонтальной плоскости и возникающего от разности крутящих моментов и касательных сил на ведущих колесах, которая появляется из-за кинематического несоответствия колес. На рис. 5 представлены стандарты разности крутящих моментов на ведущих колесах σ∆М с жестким и эластичным приводами. Выводы Таким образом, применение пневмогидравлического упругодемпфирующего привода ведущих колес способствует стабилизации движения транспортного агрегата, уменьшению степени галопирования и рыскания всех его звеньев, повышению устойчивости движения. С дифференциальной связью отклонения трактора от курса уменьшаются на 19-26%, прицепа - на 19-35%. При этом на 30% уменьшается работа водителя по поддержанию заданной траектории. Снижение горизонтальных ускорений до величин, не превышающих верхний уровень допустимых значений, во всем диапазоне скоростей, наряду с уменьшением уровня вертикальных ускорений, степени галопирования и рыскания, напряженности психомоторной работы водителя по поддержанию заданной траектории, способствует улучшению условий работы водителя и напрямую связано с улучшением его психофизиологического состояния. Причина улучшения устойчивости заключается, с одной стороны, в смягчении динамики действия возмущений, снижении интенсивности взаимодействия звеньев поезда, с другой, в повышении динамической сопротивляемости трактора действию возмущений, отклоняющих его от курса.

About the authors

S. D Fomin

Volgograd State Agrarian University

Email: fsd_58@mail.ru

V. I Pyndak

Volgograd State Agrarian University

D. S Gapich

Volgograd State Agrarian University

References

Supplementary files