SPECIALIZED MEASURMENT SYSTEM FOR EXPERIMENTAL RESEARCH OF SUSPENSION SYSTEM LOADING CONDITIONS OF A HIGH MOBILITY TRACKED VEHICLES

Full Text

Введение Элементы системы подрессоривания быстроходных гусеничных машин являются наиболее нагруженными в составе ходовой части, их надежность напрямую влияет на одно из основных свойств - подвижность машины. Исследование рабочих процессов и определение эксплуатационных уровней нагружения системы подрессо-ривания является важной практической задачей, позволяющей оценить работоспособность и ресурс деталей на этапе проектирования. В настоящее время проведенные исследования в области теории движения в совокупности с применением современных средств численного моделирования позволяют с высокой степенью точности оценивать эксплуатационные характеристики гусеничных машин. Однако, учитывая случайный характер внешних воздействий, возникающих при движении по неровностям местности, наиболее достоверная оценка эксплуатационных параметров нагружения может быть получена только при проведении ходовых исследовательских испытаний с применением специализированной измерительной аппаратуры. Существующие типовые измерительные системы и комплексы позволяют решать широкий спектр задач, связанных с испытаниями и исследованиями в различных областях науки и техники [1]. Однако задачи по измерению кинематических и силовых параметров нагружения подвесок гусеничных машин имеют достаточно узкую направленность, для которой разработка типовых комплексов экономически нецелесообразна. Цель работы Создание эффективной измерительной системы (ИС), предназначенной для оценки влияния дорожно-грунтовых условий и режимов движения на нагруженность элементов системы подрессоривания быстроходных гусеничных машин. Метод определения параметров нагружения элементов систем подрессоривания В процессе движения гусеничной машины по неровностям местности нагрузки, действующие на систему подрессоривания, распределяются между подвесками. Опорные катки под действием приложенных сил со стороны дорожного профиля изменяют свое вертикальное положение по координате z (рис. 1). Далее нагрузка передается рычагом балансира и через подшипниковые узлы распределяется на корпус. При этом упругий элемент (торсионный вал) воспринимает крутящий момент в плоскости ZOX и под действием при- ложенной нагрузки закручивается на угол ф, тем самым преобразуя часть кинетической энергии подрессоренного корпуса в потенциальную энергию упругой деформации торсионного вала. Основанная зависимость, описывающая упругую характеристику подвески (рис. 2), выражается действующей со стороны опорной поверхности и приведенной к оси опорного катка силой Р в зависимости от хода подвески f Оба параметра могут быть выражены через один общий - угол закрутки торсионного вала рр. Таким образом, ход подвески f относительно статического положения можно описать следующей зависимостью: f = Кб [cos- cos(Рст + ср)], (1) где R6 - радиус балансира, Рст - статическое угловое положение балансира. 1 P (2) В свою очередь уровень нагрузки P, требуемой для перемещения катка на величину f в функции от угла р , может быть выражен следующим образом: GI [(РсТ -Рс ) + ф]" Ьг^" sin (Рст +ф) где G - модуль упругости второго рода материала торсиона, Ip - полярный момент инерции торсионного вала, LT - длина торсионного вала, Рс - угловое положение балансира при нулевой закрутке торсиона. Ко Угловое положение балансира при нулевой закрутке торсиона Рс и статическое угловое положение балансира Рст , входящие в зависимости (1) и (2), являются постоянными величинами и могут быть выражены через основные геометрические и физические характеристики элементов подвесок [2]: (нкл + н - к Рст = arccos Кб где Нкл - клиренс машины; H - расстояние от оси торсиона до днища корпуса машины; Кгус - толщина трака гусеницы; Кк - радиус опорного катка. G /„ P RбslnР ЬТ Р0= Рс где Рст - нагрузка на опорный каток в статическом положении подвески. На основании приведенных зависимостей показано, что получение информации о кинематических и силовых параметрах нагружения элементов систем подрессоривания может быть реализовано путем записи изменения углов закручивания упругих элементов подвесок - торсионных валов. Требования, предъявляемые к измерительной системе Разработанная ИС как совокупность функционально объединенных средств измерений и вычислительных компонентов имеет блочно-модульную структуру, состоящую из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем. Анализ специфики экспериментального исследования нагруженности элементов системы подрессоривания, проводимого в рамках полигонных испытаний гусеничных машин, позволил сформулировать ряд основных требований, которым должны удовлетворять перечисленные подсистемы: - многоканальность; - высокая надежность и помехоустойчивость в различных условиях эксплуатации; - программная и техническая адаптивность для разных типов гусеничных машин. Многоканалыюсть. Нагрузки, действующие на элементы системы подрессоривания при движении гусеничной машины, являются функцией режимов движения и профиля поверхности дорожного пути. При движении гусеничных машин по грунтовым непрофилированным дорогам или по бездорожью профиль пути под гусеницами может существенно различаться [3], что приводит к различию в уровнях нагру-жения, а также распределению нагрузок по подвескам левого и правого бортов. Следовательно, для получения достоверной оценки о процессе нагружения ИС должна реализовывать параллельную регистрацию и обработку сигналов с каждой подвески (рис. 3). Для фиксации скоростных режимов движения в схему необходимо включать дополнительный канал для снятия сигнала с датчика, установленного на ведущем колесе или бортовой передаче. Высокая надежность и помехоустойчивость в различных условиях эксплуатации. Адекватность экспериментально полученных данных о процессе нагружения систем подрессорива-ния, особенно при движении в условиях бездорожья, напрямую зависит от надежной и устойчивой фиксации измерительных сигналов. Необходимо исключить ударные и снизить вибрационные нагрузки на датчиковую аппаратуру, а также минимизировать наводимые помехи со стороны корпуса машины и установленного электрооборудования на электрические сигналы, передающиеся от измерительных компонентов (датчиков) до регистрирующей и вычислительной аппаратуры. Программная и техническая адаптивность для разных типов гусеничных машин. Требование унификации обусловлено использованием ИС при проведении исследований на машинах разной весовой категории. При этом, конструкция элементов, входящих в состав системы подрессоривания, различна, следовательно, уровни нагружения при одинаковых значениях кинематических параметров будут разными, тем самым требуя настройки программной подсистемы под конкретный образец гусеничной машины. Аппаратная и программная подсистемы Разработанная ИС производит косвенные измерения углов закрутки торсионов за счет прямых измерений перепада уровня напряжений в электрической цепи (рис. 4). В качестве датчиков углового положения целесообразно использовать регулируемые делители электрического напряжения - потенциометры (резисторы переменного сопротивления). Для измерения скорости движения гусеничной машины в состав схемы подключается штатный тахо-генератор. Полученные в процессе движения ГМ аналоговые измерительные сигналы преобразуются в двоичный цифровой код с последующей обработкой на ЭВМ. Запись входного сигнала может осуществляться непрерывно, объем получаемой информации ограничивается емкостью жесткого диска. В схеме используются элементы питания, что позволяет не подключаться к бортовой сети машины. Программная подсистема реализует преобразования исходного измерительного сигнала, поступающего с АЦП в кинематические и силовые параметры нагружения, в функции времени. По разработанному алгоритму проводится анализ статистических характеристик исследуемых параметров и определяется распределение нагруженности по подвескам по критерию наименьшей расчетной долговечности торсионных валов от действия полученных эксплуатационных спектров нагружения (рис. 5). Адаптация под исследование гусенич- ных машин различной весовой категории осуществляется за счет ввода соответствующих исходных данных о геометрических характеристиках элементов системы подрессоривания. a _ijk Для каждой выборки проводится схематизация процесса нагружения, в результате которого случайный процесс нагружения исследуемых подвесок заменяется эквивалентным упорядоченным, т.е. выявляется спектр амплитуд касательных напряжений торсионных валов, характерный для исследуемых условий эксплуатации гусеничной машины. Схематизация осуществляется по методу максимумов [4], где за амплитуду нагружения принимают: maxijk срjk ' где xx jk - максимальное значение касательmax_ ijk ного напряжения в торсионном вале -м цикле нагружения, полученное по j-му измерительному каналу (№ подвески) для k-й выборки; тср jk - медиана экстремумов касательных напряжений по всему процессу нагружения для данного измерительного канала и данной выборки. При этом учитывается, что характеристики сопротивления усталости для различных материалов и сплавов, как правило, получаются при испытании лабораторных образцов при симметричном цикле нагружения. Приведение ассиметричных циклов нагружения к эквивалентным симметричным осуществлялось с использованием следующих зависимостей: I \k, пРи \k < 0, где у - коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла нагружения; xm jjk - среднее значение напряжения в i-ом цикле нагружения. Средняя долговечность торсионных валов определяется в соответствии с методикой, изложенной в работе В.П. Когаева [5]: *p -1^ 0 Z Tm Nlt где ap = 0,1^1 вреждений; Т расчетный коэффициент по-1Д - предел выносливости для детали; m и N 0 - параметры кривой усталости [6]; xai - амплитуда цикла нагружения; NI6 -количество циклов действия амплитуды xai в одном блоке нагружения. Полученное распределение расчетных дол-говечностей торсионных валов от действия измеряемых нагрузок в конченом итоге позволяет судить о распределении нагруженности по подвескам и сформировать расчетный спектр нагружения. Блок статистической обработки производит точечные оценки параметров распределения генеральной совокупности измеряемых кинематических и силовых параметров нагруже-ния подвесок, а также определяет максимальные и минимальные значения параметров для каждой выборки. Формирующиеся в результате гистограммы относительных частот позволяют судить о виде функции распределения измеряемых величин для каждой подвески. Практическая реализация измерительной системы Разработанный комплекс в опытном исполнении применялся в ходе исследований по определению кинематических и силовых параметров нагружения гусеничной машины массой 14 т при движении по лесным грунтовым дорогам [7]. Компоновочная схема испытательной машины соответствовала переднему расположению моторно-трансмиссионного отделения. Тип системы подрессоривания - индивидуальная торсионная с шестью опорными катками на каждый борт и демпфирующими элементами телескопического типа, расположенными на первой, второй и шестой подвесках. Оснастка крепления датчиков представляла собой кронштейн из листового металла, установленный на корпусе машины при помощи эпоксидного клея. Передача угла поворота упругого элемента подвески осуществлялась через гибкую муфту, что позволяло компенсировать несоосность установки вала датчика с осью торсионного вала и минимизировать вибрационные воздействия на измерительные компоненты (рис. 6). В собранной схеме использовались потенциометры R-24N1-B10K фирмы SONG HUEI с номинальным сопротивлением 10 кОм (рис. 7). Угол поворота валика составляет 300°, рабочая температура по данным производителя находится в диапазоне от минус 10 до плюс 70 °С. Подавление помех от внешней среды и электрооборудования осуществлялось путем соединения резисторов с электрической схемой при помощи многожильного экранированного провода FTP-4ST (витая пара), а также за счет использования дифференци- I | S альной схемы подключения измерительной аппаратуры к АЦП. Кабельная трасса укладывалась вдоль корпуса машины с выводом в обитаемое отделение. В целях предотвращения возможного механического повреждения осуществлялось армирование кабельной трассы в области амортизаторов и днища корпуса. В качестве источника питания дат-чиковой аппаратуры использовалась батарейка «Крона» с номинальным напряжением 9В. Для преобразования аналоговых сигналов в цифровой код применялся аналогово-цифровой преобразователь E14-140M. Используемый АЦП имеет в своей схеме входной коммутатор и усилитель сигналов, которые позволяют реализовать измерения по 16 дифференциальным каналам. Полученные значения напряжений в электрической цепи преобразовывались в углы закрутки торсионного вала р в соответствии с данными, полученными при тарировке датчиков. Начальному (нулевому) угловому положению вала соответствовал угол закрутки торсиона в статическом положении подвески. В результате записи и последовательного преобразования исходного измерительного сигнала формировались осциллограммы процесса нагружения подвесок (рис. 8). Тестирование измерительной системы проводилось в течении трех суточных маршей. Проверка устойчивости регистрации сигнала осуществлялась на протяжении 50 км пробега по размытым лесным дорогам, а также по песчаному грунту (рис. 9). Надежность крепления и целостность испытательной оснастки под действием вибрационных нагрузок оценивалась на протяжении 350 км при движении на максимально реализуемых по управляемости скоростных режимах, а также при преодолении различных препятствий, таких как стволы деревьев, бетонные плиты и глубокие канавы (рис. 10). Выводы Разработанные измерительная система и конструкция испытательной оснастки подтвердили свою работоспособность, в том числе в тяжелых условиях бездорожья. Регистрирующая аппаратура устойчиво фиксирует электрический сигнал с датчиков в различных дорожных условиях, что позволяет с требуемой точностью оценивать кинематические и силовые параметры нагружения элементов системы подрессоривания гусеничных машин. Аппаратная подсистема и оснастка крепления датчиковой аппаратуры не требуют внесения изменений в конструкцию ходовой части и позволяют проводить исследования на большинстве типов гусеничных машин. Программная подсистема может быть адаптирована под исследования нагруженности гусеничных машин различной весовой категории.

About the authors

D. A Dubin

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: dubin.connect@mail.ru

O. A Nakaznoi

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: dubin.connect@mail.ru
DSc in Engineering

D. A Chizhov

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: dubin.connect@mail.ru
PhD in Engineering

A. Yu Shmakov

N.E. Bauman Moscow State Technical University

Email: dubin.connect@mail.ru

References

Supplementary files