Energy efficiency evaluation of off-road transport with hydrostatic transmission

全文:

Введение Современной тенденцией разработки вездеходных машин во всем мире является созда- ние систем управления, способных оказать упреждающее ответное воздействие на различ- ные ситуации, возникающие при управлении транспортным средством, и значительно улуч- шающих эксплуатационные свойства путем введения так называемой адаптивной подвижно- сти (agility) [1-8]. В рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 гг.» было разработано многофункциональное вездеходное транспортное средство (МВТС) полной мас- сой 8 т с гидрообъемной трансмиссией (ГОТ) и проведено его имитационное моделирование [9]. В МВТС используется ГОТ с гидродифференциальным приводом по бортам, обеспечи- вающая наибольшую эффективность при движении по различным опорным поверхностям. Для осуществления наиболее эффективного движения ГОТ обладает системой управления, которая получает необходимую информацию о текущих параметрах движения каждого из колес, а также имеет возможность осуществлять необходимое управляющее воздействие на регулируемые агрегаты трансмиссии. Выбор именно данного типа «гибкой» трансмиссии был сделан на основе анализа оте- чественных и зарубежных исследований [10-13]. На рис. 1 представлена схема взаимодействия бортового компьютера (регулирующего устройства), системы датчиков (регистрирующих приборов), аналого-цифровых преобразо- вателей сигналов потенциометрических и импульсных датчиков, гидромашин (исполнитель- ных механизмов), согласующих устройств и соединительных кабелей. Данная схема дает представление о структуре изделия, взаимодействии его составных частей и адекватно пред- ставляет взаимосвязь между управляемыми и входными переменными. Математическая модель Разработка системы управления приводом колес требует проведения математического моделирования с созданием математической модели движения МВТС с ГОТ. Параметры работы гидроагрегатов описываются следующими соотношениями: для насоса: приводной момент на валу - M p  pw  qp 2p , (1) подача насоса - Q  q  ω   ; p p p Vp (2) для гидромотора: реализуемый момент на валу - M m  pw  qm  m , (3) 2 q  ω потребляемый гидромотором расход - Qm  m m , V  m (4) где pw - перепад давления на гидромашине, МПа, q p , qm - рабочий объем, соответственно, насоса и гидромотора, см3;  ,  - силовой (механический) КПД, соответственно, насоса и p m -1 гидромотора; p , m - частота вращения вала, соответственно, насоса и гидромотора, c ; V V  ,  - объемный КПД, соответственно, насоса и гидромотора. p m Рис. 1. Структурная схема многофункционального вездеходного транспортного средства Для разрабатываемого транспортного средства выбрана тандемная схема соединения насосов, привод колес борта является гидродифференциальным, то есть моторы машины соединены параллельно. Распределение моментов по валам моторов приближенно (с точно- стью до КПД) соответствует соотношению их рабочих объемов, т. е.: Mm1 : Mm2 : Mm3 :  qm1 : qm2 : qm3 : (5) Отсюда следует, что если сохранять постоянными подачу насоса, перепад давления на гидромашинах и суммарный рабочий объем гидромоторов, то за счет изменения (регулиро- вания) рабочих объемов гидромоторов можно добиться желаемого распределения крутящих моментов на их валах. Частоты вращения параллельно включенных гидромоторов связаны между собой приближенной зависимостью: Qp  qm1ωm1  qm2ωm2  qm3ωm3  , (6) где Qp подача насоса, дм3 мин-1. Подводимый к ведущему колесу крутящий момент затрачивается на преодоление со- противлений качению, разгон колеса и на реализацию тягового усилия. Общее уравнение динамики колеса имеет вид: Iw  ωw  Mm u fd  fd  Mload , (7) где w w I - момент инерции колеса, кг м2;  угловое ускорение колеса, рад·с m -2; M крутящий момент на валу гидромотора, Н·м; u fd передаточное число бортового редуктора,  fd КПД бортового редуктора; Mload момент сопротивления вращению колеса, Н·м. Момент сопротивления вращению определяется моментом сопротивления качению ко- леса (М(Rz)) и моментом, который создает тангенциальная составляющая силы взаимодей- ствия колеса с опорным основанием (М(Rx): Mload  M (Rz )  M (Rx ) . (8) Использование данной модели движения МВТС позволяет производить поиск алгорит- мов регулирования параметров ГОТ для достижения требуемых показателей проходимости (подвижности) и энергоэффективности в условиях любого бездорожья с учетом необходи- мых факторов, влияющих на параметры работы МВТС. Обеспечение максимальной силы тя- ги и минимального сопротивления качению колеса обеспечивается контролем буксования. В соответствии с формулой (8) момент нагрузки на колесе определяется моментом со- противления качению колеса и моментом, который создает тангенциальная составляющая силы взаимодействия колеса с опорным основанием. С учетом сказанного уравнение динамики колеса примет вид: Iw  ωw  Mk  M (Rz )  M (Rx ) , (9) где M k тяговый момент колеса, Н·м; Rx , Rz продольная и нормальная реакции, соответственно, Н. Дифференциальное уравнение движения корпуса машины имеет вид: m  dVа  R    F  F  F , (10) а dt  z x i dVa  f i дн кр где ma масса вездехода, кг; dt относительная производная от вектора скорости центра масс автомобиля, м/с2; x - коэффициент продольной реакции (функция сцепления в продольном направлении); Ffi сумма сил сопротивления движению колес, Н; Fдн сила сопротивления, обусловленная взаимодействием с грунтом днища корпуса и элементов шасси, Н; Fкр - сила тяги на крюке, Н. Величина буксования, определяющего параметры взаимодействия каждого колеса с опорной поверхностью, зависит от двух фазовых координат: действительной угловой скоро- сти колеса и линейной скорости центра масс автомобиля. В рассматриваемой модели корпус и оси вращения колес соединены жестко, следовательно, при движении испытывают одинаковые перемещения, скорости и ускорения. Таким образом, выражение, определяющее ко- эффициент внешнего скольжения, имеет вид: s  1 Va , k  rk 11) где s - относительное продольное скольжение; Va -1 линейная скорость транспортного средства, м/с; k угловая скорость колеса, рад·с ; rk радиус качения, м. Сцепление колеса с грунтом и сопротивление качению колеса также являются функци- ями двух переменных. Поскольку вышеназванный коэффициент входит и в уравнение дви- жения центра масс транспортного средства и в уравнения движения колес, то они представ- ляют собой систему уравнений, решение которых должно осуществляться совместно. В рамках проекта сделано допущение о единстве принципов функционирования робо- тизированного устройства и человека при регулировании скорости и направления движения МВТС. Поэтому в имитационной модели реализация управления МВТС водителем осу- ществляется с помощью пропорционально-интегрального дифференциального регулятора (ПИД-регулятора). Таким образом, для разработки системы управления приводом колес в качестве объекта управления в модели следует рассматривать МВТС в единстве с водителем- регулятором как управляемое транспортное средство. Законы управления гидрообъемным приводом и программная реализация математической модели В рамках работы проанализирована эффективность использования следующих алго- ритмов управления гидрообъемным приводом колесных движителей МВТС [7]: алгоритм регулирования буксования колес борта по известной линейной скорости дви- жения центра масс шасси МВТС; алгоритм «высокопорогового» (по «сильному» колесу) регулирования колес борта шасси МВТС (с ограничением углового ускорения колес); алгоритм регулирования буксования колес по средней скорости вращения колес борта шасси МВТС. Рассмотрим имитационную модель функционирования системы управления приводом колесных движителей МВТС. Для решения приведенных систем дифференциальных уравнений использовался метод визуально-ориентированного блочного имитационного моделирования сложных динамиче- ских систем. При данном подходе уравнения, описывающие процесс движения МВТС 8х8 по де- формируемой опорной поверхности, приводятся удобному для решения к виду. Модель была реализована в MATLAB/Simulink . Схема simulink-модели представлена на рис. 2. Рис. 2. Схема simulink-модели функционирования интеллектуальной системы привода колесных движителей МВТС в условиях бездорожья В ходе проведения виртуальных испытаний определялись: угловые ускорения, крутя- щие моменты на движителях и их буксование; продольные скорости и ускорения МВТС; упорные реакции грунта, реализуемые колесами. Данные об изменении перечисленных па- раметров позволили определять параметры, характеризующие опорную проходимость, тяго- во-скоростные свойства, энергоэффективность и топливную экономичность МВТС. Моделирование условий движения МВТС Виртуальные испытания МВТС, движущегося по опорному основанию с изменяющи- мися характеристиками сопротивления и сцепления, являются важными, так как это отража- ет реальный характер движения машины по бездорожью. Наиболее общим и сложным случа- ем является движение по поверхности типа «микст». При этом следует рассматривать как режимы разгона, так и установившегося движения. Проведение виртуальных испытаний В соответствии с разработанной программой было проведено моделирование. На рис. 3 и 4 показаны примеры результатов имитационного моделирования, характеризующие изме- нения во времени основных параметров функционирования системы привода колесных дви- жителей МВТС в условиях бездорожья. Рис. 3. Графики изменения эффективности, потребной мощности и расхода топлива для случая моделирования движения МВТС: без учета работы системы управления (слева) и с учетом работы этой системы (справа) Рис. 4. Графики изменения угловых скоростей колес для случая моделирования движения МВТС: без учета работы системы управления (слева) и с учетом работы этой системы (справа) Сравнительный анализ функционирования ГОТ с различными алгоритмами управления был проведен по критериям энергоэффективности и топливной экономичности. Для расчета эффективности МВТС был использован показатель [14-20], равный отношению «полезной» работы силы тяги на колесах к «совершенной» работе подводимого к колесам крутящего мо- мента: Kэф   Rx V  dt  M k  ωk  dt . (12) Наиболее наглядным является движение машины по опорному основанию типа «микст». Для него коэффициент эффективности и расход топлива в принятых вариантах управления при моделировании изменяются так, как показано на рисунках 5 и 6. Рис. 5. Графики изменения коэффициента эффективности Рис. 6. Графики изменения расхода топлива На рис. 5 и 6 показаны графики, полученные при разных алгоритмах регулирования мощности в трансмиссии, а именно: без системы управления (Без СУ), с регулированием по средней скорости вращения колес (Mid), с регулированием по отстающему (сильному) коле- су (Min), с регулированием по известной скорости с неоптимальным буксованием (V не opt), с регулированием по известной скорости с оптимальным буксованием (V opt). Так как в каждый момент времени оцениваемые параметры принимают разные значе- ния (рис. 5 и 6), оценку целесообразно проводить по их интегральным значениям, осреднен- ным за время движения машины на рассматриваемом участке. При этом принятые показате- ли для изменяющихся процессов определяются по следующим зависимостям: для оценки эффективности:  kэф  dt K инт  T , (13) где инт эф T Kэф - интегральный показатель коэффициента эффективности; kэф коэффициент эффективности в каждый момент времени; для оценки топливной экономичности: Q  dt Qинт  T , (14) где инт эф T Qэф - интегральный показатель расхода топлива, л/100 км; Q - расход топлива в каждый момент времени, л/100 км. Результат сравнения представлен в виде диаграммы (рис. 7) относительного прираще- ния коэффициента эффективности и относительного уменьшения расхода топлива при ис- пользовании системы управления ГОТ с разными алгоритмами управления. Выводы В статье приведена структурная схема функционирования МВТС. Приведена матема- тическая модель работы ГОТ. Проанализирована эффективность использования различных алгоритмов управления гидрообъемным приводом колесных движителей МВТС. Проанализированы различные законы управления ГОТ: по известной линейной скоро- сти движения центра масс, регулирования колес борта по «сильному» колесу и по средней скорости вращения колес борта шасси МВТС. Рис. 7. Диаграмма относительного приращения коэффициента эффективности и относительного уменьшения расхода топлива Получены следующие данные об эффективности и топливной экономичности при дви- жении по опорной поверхности типа «микст». Установлено, что при правильном выборе за- кона управления ГОТ, можно: повысить эффективность работы машины до 10%, снизить расход топлива до 18%. Все это позволяет повысить подвижность и энергоэффективность многофункциональ- ного вездеходного транспортного средства [16, 17].

作者简介

P. Beresnev

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: nauka@nntu.nnov.ru

A. Eremin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: nauka@nntu.nnov.ru

A. Belyaev

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: nauka@nntu.nnov.ru

D. Zezyulin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: nauka@nntu.nnov.ru
Ph.D.

V. Makarov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: nauka@nntu.nnov.ru
Ph.D.

A. Papunin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: nauka@nntu.nnov.ru

V. Belyakov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: nauka@nntu.nnov.ru
Dr.Eng.

V. Kolotilin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: nauka@nntu.nnov.ru
Ph.D.

A. Kurkin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: nauka@nntu.nnov.ru
Dr.Sc.

参考

补充文件