CC BY
72
УДК 631.3 Н.И. Селиванов, В.Н. Запрудский
СТРУКТУРА И МОДЕЛИ СИСТЕМНОЙ АДАПТАЦИИ ТРАКТОРОВ К УСЛОВИЯМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
Обоснованы структурная схема и модели системной адаптации массоэнергетических параметров тракторов к условиям функционирования.
Для поэтапного достижения цели адаптации эксплуатационных параметров трактора к условиям функционирования предложена многоуровневая система, основанная на использовании детерменирован-ных и стохастических составляющих. Задача ресурсосбережения формируется на каждом уровне при условии, что выходные результаты оптимизации высших уровней являются исходными данными для последующих. Каждый уровень предполагает решение сопряженных задач, усиливающих эффект ресурсосбережения.
Ключевые слова: трактор, масса, мощность, параметр, технология, модель, уровень, система, адаптация.
N.I. Selivanov, V.N. Zaprudski
THE STRUCTURE AND THE MODELS OF THE TRACTOR TOOLING SYSTEM ADAPTATION
TO THE OPERATING CONDITIONS
Structural diagram and the system models adaptation of the tractor mass energy characteristics to the operating conditions are substantiated.
A multiple-level system for the stage by stage aim achievement of the tractor adaptation operational parameter to the operating conditions is offered. This system is based on the determinated and rectangular component use. The resource economy problem is formed at every level on the condition that exit optimization results of the top levels are initial data for the following results. Each level supposes the connected problem solution to intensify the resource economy effect.
Key words: tractor, mass, power, parameter, technology, model, level, system, adaptation.
Основными параметрами мобильных энергетических средств являются эксплуатационные мощность и масса, которые определяют энергонасыщенность, тягово-сцепные, топливные, опорные и др. показатели, формирующие важнейшие эксплуатационные качества машины - производительность и топливную экономичность. От них в наибольшей степени зависят основные технико-экономические показатели машиннотракторных агрегатов (МТА): производительность, эксплуатационные, топливные и энергетические затраты. Оптимальные параметры и режимы работы трактора в составе агрегата обеспечивают достижение экстремальных (наилучших) значений эксплуатационных показателей.
Главная и конечная цель адаптации энергонасыщенных тракторов к условиям функционирования -обеспечение минимального расхода используемых ресурсов на единицу выполненной работы при высокой производительности агрегата и требуемом качестве технологического процесса.
Наблюдаемые входные внешние воздействия , представляющие случайные процессы и величины, оказывают влияние на режимы и показатели эксплуатационных свойств трактора, формируя через это влияние выходные переменные величины ^ (^, определяющие функционирование МТА. При случайном
характере внешних ^(^ и управляющих и^) воздействий, установленных конструкционнотехнологических параметрах Zi(t) энергетического средства и сельскохозяйственной машины, выходные
функциональные показатели МТА целесообразно рассматривать в виде случайных процессов или случайных последовательностей в соответствии с номенклатурой, определяемой нормативно-технической документацией [1].
Процессы выбора ресурсосберегающих операционных технологий механизированных работ, оптимизация массоэнергетических параметров трактора и режимов рабочего хода МТА рассматриваются как реакция сложной многопараметрической динамической системы на внешние возмущающиеся воздействия.
Векторная функция входной переменной включает основные группы разных по природе и характеру воздействия векторов, определяющих условия работы элементов и системы в целом. Среди основных групп
векторов внешних воздействий следует выделить: совокупность Fj = B альтернативных вариантов ресур-
n
сосберегающих технологий Тп(і) и средств их технического обеспечения nTC для основных объемов
j=1 J
m
Ту механизированных работ; характеристику р и рельеф опорной поверхности Н, формирующих сопро-
зі
i=1
тивление перемещению и сцепные свойства движителя Fjj = fjj(f, ф); физико-механические свойства обрабатываемой среды Fjjj = fJJJ(Ka,VKa); погодные условия FJV = ^у(То,Ув) ■ Причем группы векторов Fjj, Fjjj и FJV целесообразно интерпретировать как помехи вероятностной природы, характерной
только для условий конкретных функционирования МТА. В общем случае расчетная схема - совокупность векторов входных возмущающих воздействий - имеет вид
' F = (Fj,Fn,Fm,Fjy};
n m
fi ={Тп.(і),Туі,птс}; j=1 i=1
Fn = {fn(f),fn(9)};
Fnj=(fjn(Kai),fjn(VKa)}; FlV={flv(To),fiv(VB)}.
V
Для выбора альтернативных вариантов технологий механизированных работ и их технической оснащенности следует положить в основу компоненты вектора FI, включающие объем, характер и сроки выполнения операций с учетом современных технологий и универсальности имеющихся в наличии технических средств. Указанные принципы на основе минимизации приведенных затрат являются начальным этапом ресурсосбережения при использовании энергонасыщенных тракторов.
Составляющие вектора FII, формирующие тягово-сцепные свойства и затраты на перемещение энергетического средства, целесообразно рассматривать с учетом занятости в конкретных природно-производственных условиях и обобщенной характеристики установленных групп почвенных фонов региона использования. Критерием и параметрами адаптации трактора к использованию на почвенном фоне с обобщенной характеристикой являются эксплуатационные затраты и рациональные массоэнергетические параметры, обеспечивающие высокую степень использования его потенциальных возможностей.
Составляющие вектора FIII представляют случайную величину удельного сопротивления рабочей машины или технологического комплекса К«, подчиняющуюся нормальному закону распределения в эксплуатации и закону арксинуса при моделировании нагрузки. Компоненты вектора FIV формируют при этом температурный
режим агрегатов и функциональных систем, который существенно влияет на энергетические и топливные показатели трактора. Эта группа векторов внешних воздействий определяет ресурсосберегающие параметры и режим
рабочего хода МТА при установленных значениях составляющих векторов ^ и Бп.
Выходная векторная функция Y включает совокупность случайных переменных YI, YII,Уп, определяющих изменение показателей эффективности функционирования основных элементов и системы в целом. Она является показателем адаптации трактора к условиям функционирования. Оптимальный вариант, включающий рациональные массоэнергетические параметры трактора, состав и режимы функционирования МТА для основных групп работ, обозначен Yopt.
Входные ^ и выходные у1 переменные величины связаны соответствующими детерминированными (неслучайными) линейными и нелинейными функциональными зависимостями у1 = ^Б;), установленными в процессе аппроксимации типовых или стендовых характеристик двигателей и составляющих энергетического баланса тракторов при заданном векторе конструкционно-технологических и динамических параметров Ъ.
Причинно-следственная связь между группами переменных на входе и выходе системы, как правило, стационарными и эргодическими, устанавливается математической моделью или оператором А (передаточной функцией) Y = , FII, FIII, FIV, Ъ].
Проблему адаптации мобильных энергоресурсов можно сформулировать как выбор из множества альтернатив В единственного варианта В , наиболее полно отвечающего условиям функционирования В = arg maxy(FII,FIII,FIV,Z). При вероятностном характере F; выходные переменные У; представляют собой случайные величины с установленными оценочными показателями. Несмотря на различие технологий механизированных работ расчетные модели идентичны.
Управляющие воздействия U при решении задач комплексной адаптации тракторов к условиям функционирования предполагают обоснованные и целенаправленные организационно-технические решения, обеспечивающие достижение поставленной цели.
Исходную систему (рис. 1) представляет совокупность систем более низкого уровня (подсистем), таких, как МТА, трактор, МТУ, двигатель, с соответствующими операторами.
Представленная четырехэлементная динамическая система характеризует функционирование трактора в реальных природно-производственных условиях. В качестве взаимосвязанных элементов системы рассматриваются основные параметры и режимы работы двигателя трансмиссии трактора и агрегата в целом, которые требуется оптимизировать.
Научнообоснованные принципы операционных технологий механизированных работ позволили установить [1] основные этапы (уровни) и модели системы адаптации эксплуатационных параметров энергонасыщенных тракторов к условиям функционирования.
На первом уровне составляется блок исходных данных для обоснования выбора на альтернативной основе оптимальных вариантов технологий основных механизированных работ и их технического обеспечения (энергетических средств, с.-х. машин и орудий). Из всех вариантов технологий выбирается наиболее полно отвечающая требованиям ресурсосбережения. На этом уровне рассматриваются модели: Мц - обоснования операционных технологий основных групп тракторных работ; М12 - выбора ресурсосберегающих принципов воздействия на обрабатываемый материал при выполнении отдельных операций. Управляющие решения UI принимаются по
выбранных критериям на основе анализа информации и принятия решения ÜPI.
Рис. 1. Модель функционирования системы «ОС-МТА-трактор-МТУ»
При решении задач первого и последующего уровней все типы МТА, с учетом классификационных признаков и видов работ, объединяющих родственные по назначению и близкие по технологическим требованиям к их параметрам технологические операции, целесообразно разделить на следующие группы: комбинированные и для ос-
новной обработки почвы; для предпосевной и междурядной обработки почвы и посева; транспортнотехнологические и уборочные.
После выбора энергосберегающих технологий по критерию ресурсосбережения на последующих уровнях решаются задачи экономии ресурсов на каждой отдельной группе родственных операций путем оптимизации массоэнергетических параметров тракторов, состава и режимов работы соответствующих агрегатов.
На втором уровне устанавливаются оптимальные массоэнергетические параметры выбранных энергомашин для обобщенных в вероятностно-статистическом смысле условий выполнения соответствующих технологических операций разных видов работ. Уровень энергонасыщенности трактора для этих условий обосновывается как дополнительный или основной по отношению к установленному изготовителем.
На этом уровне решаются модели второй группы, характеризующие функционирование трактора в заданных (для группы работ) производственных условиях: M2 j - устойчивого движения трактора для обобщенной характеристики опорной поверхности; М2 2 - оценки энергетических показателей трактора при вероятностном характере внешних воздействий; М2 3 - оптимизации удельных параметров трактора и внешней характеристики двигателя; М2 4 - оптимизации эксплуатационных параметров трактора. Управляющие воздействия Ujj на конструкционно-технологические (KM), (^э, тэ) и эксплуатационные параметры принимаются на основе оценки и принятия решения ПРп по критериям устойчивого, без снижения рабочей скорости, движения.
Ввиду достаточной сложности решения задачи обоснования ресурсосберегающего типоразмерного ряда мощностей энергомашин на этапе их разработки практические расчеты сводятся к обоснованию оптимальных массоэнергетических параметров тракторов для отдельных групп родственных операций.
Третий уровень ресурсосбережения связан с конкретизацией состава и режимов работы конкретного агрегата на базе энергомашины с выбранными массоэнергетическими параметрами (Ne3i /тэ) по соответствующим частным критериям оптимальности. Он включает математические модели, описывающие целостную систему (МТА) с учетом взаимосвязей ее подсистем между собой и окружающей средой на режиме рабочего хода: M3 j - оптимизации расчетных режимов работы трактора по каналам МОМ и тяги; М3 2 - оценки показателей технологических свойств трактора; M3 3 - комплектования ресурсосберегающих мобильных агрегатов. Управление режимом рабочего хода Uin принимается на основе оценки и анализа (ПРШ) скоростных режимов работы двигателя и агрегата.
На четвертом уровне рассматриваются математические модели оптимизации температурного режима двигателя и агрегатов трансмиссии как элементов системы на режиме рабочего хода для конкретных и обобщенных природно-производственных условий: М4 j - топливно-энергетических и температурно-
динамических свойств МТУ тракторов для обобщенных вероятностно-статистических характеристик погодных условий; М4 2 - температурно-динамических свойств агрегатов МТУ; М4 3 - температурно-динамических
характеристик функциональных систем МТУ. Управление температурным режимом МТУ UIV с целью оптимизации производится изменением параметров внутреннего и внешнего теплообмена функциональных систем на основе оценки (nPIV) значений установившихся температур рабочих сред [2].
Для поэтапного достижения обозначенной цели адаптации эксплуатационных параметров тракторов и МТА к условиям функционирования предложена многоуровневая система (рис. 2), основанная на использовании детерминированных, стохастических, а также детерминированно-стохастических составляющих. Процедуры вычислений и оценок оператора на каждом уровне устанавливаются соответствующими алгоритмами, программами и доверительными интервалами.
Рис. 2. Структурная схема многоуровневой системы адаптации трактора к условиям эксплуатации
Обоснование указанных подсистем (уровней) оптимизации со взаимосвязанными критериями обеспечивает наименьший расход всех основных ресурсов, используемых при выполнении механизированных работ.
Задача ресурсосбережения формулируется на каждом уровне при условии, что выходные результаты (параметры) оптимизации высших уровней являются исходными данными для последующих.
Схема передачи информации и сложение эффектов ресурсосбережения предшествующих и последующих уровней показаны стрелками между ними. При этом возможна передача информации в обход любого уровня как сверху вниз, так и снизу вверх. Это обусловлено решением задач ресурсосбережения только на отдельных уровнях и возможностью корректировки оптимизационных результатов предшествующих уровней на любом последующем уровне с учетом установленных ограничений. Каждый уровень предполагает поэтапное решение задач ресурсосбережения с использованием означенных выше моделей, а также сопряженных вспомогательных задач, уточняющих и усиливающих эффект ресурсосбережения.
Выводы
1. Решение проблемы оптимизации эксплуатационных параметров энергонасыщенных тракторов к условиям функционирования достигается на основе методологии, сочетающей перспективные способы и высокие технологии решения оптимизационных задач.
2. Использование научнообоснованных принципов операционных технологий механизированных работ позволило обосновать основные уровни и модели ресурсосберегающей оптимизации эксплуатационных параметров энергонасыщенных тракторов к условиям функционирования.
Литература
1. Селиванов, Н.И. Рациональное использование тракторов в зимних условиях / Н.И. Селиванов; Крас-ГАУ. - Красноярск, 2006. - 338 с.
2. Селиванов, Н.И. Прогнозирование температурно-динамических качеств моторно-трансмиссионной установки трактора с гидромеханической трансмиссией / Н.И. Селиванов, С.А. Зыков // Транспортные средства Сибири: межвуз. сб. науч. тр. с междунар. участием / Краснояр. гос. техн. ун-т. - Вып. 5. -Красноярск, 1999. - С.429-438.
