Учет энергетических параметров механизмов поворота при комплексной оценке потерь мощности в шасси транспортных гусеничных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК629.1.032.001

Р.Ю.Добрецов

УЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМОВ ПОВОРОТА ПРИ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКЕ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В ШАССИ ТРАНСПОРТНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН

Гусеничное шасси может сочетать высокие тягово-динамические характеристики, проходимость, надежность, грузоподъемность с удовлетворительной экономичностью, сравнительно низкой себестоимостью производства и высокой ремонтопригодностью. Вместе с тем шасси большинства современных серийно выпускаемых транспортных гусеничных машин (ТГМ) разрабатывались для нужд военно-промышленного комплекса, поэтому при конструировании нередко на второй план отходили вопросы потерь мощности, сопровождающих работу агрегатов. Для отрасли характерно частое обращение к авторитету прототипа. Это обычно не приводит к унификации узлов различных машин, но тормозит развитие конструкций узлов и агрегатов. Научное обоснование изменений, вносимых в конструкцию узлов и агрегатов, выявление связи между конкретными (частными) показателями эффективности работы подсистем и шасси в целом позволяют преодолеть этот стереотипный подход.

В большинстве случаев наиболее информативный и универсальный параметр для анализа эффективности любого механизма — потери мощности, сопровождающие его работу. Шасси ТГМ включает в себя силовую установку, трансмиссию и ходовую часть. Очевидно, что отдельные системы, составляющие шасси, могут работать в различных режимах. Для некоторых режимов можно выделить процессы, определяющие в данных конкретных условиях эффективность работы агрегатов и систем. При изменении условий движения машины выделенный процесс перестает быть определяющим, сопровождающие его эффекты «теряются» на фоне текущего энергетического баланса системы.

При проведении сравнительных оценок энергозатрат в шасси ТГМ возникает необходимость учета эффективности работы трансмиссии в режиме поворота. Поскольку принципиально в разрабатываемую методику комплексной оценки заложена возможность расширения базы

частных показателей без необходимости внесения принципиальных изменений в математическую модель, требуется предложить частные показатели, характеризующие энергетическую эффективность механизмов поворота (МП) и обосновать выбор расчетных режимов работы, для которых формируется показатель комплексной оценки.

Согласно статистическом данным [1] ТГМ находится в режиме поворота примерно половину времени движения. Высокие скорости ТГМ делают актуальным вопрос о качестве управления поворотом и выборе оптимальной (с точки зрения использования энергии двигателя и обеспечения хорошей управляемости машины) конструкции М П. При решении этого вопроса приходится сравнивать между собой различные МП как в составе одного шасси, так и при использовании на различных (по назначению, категории, по массе и др.) машинах. Для этого могут применяться, например, безразмерные показатели, описанные в [2, 3].

Вместе с тем предложенная в [2,3] методика определения численных значений показателей требует уточнения, что можно сделать, опираясь на основные положения работы [4]. Вопросы же, связанные с оценкой качества управления поворотом, выходят за пределы темы данной статьи и должны рассматриваться отдельно.

Очевидно, что в первую очередь МП характеризуют два безразмерных показателя.

Первый — это относительное увеличение потребной мощности двигателя при повороте:

= ^Дв/^Двпр- Например, из [2] следует, что теоретически для МП на основе несимметричных дифференциалов П,, = 1. Для других типов МП

г1

г1

циального двухпоточного М П с гидрообъемной передачей оно может достигать при повороте вокруг центра тяжести 4—5 (это может сделать такой режим работы невозможным из-за перегрузки либо двигателя, либо гидрообъемной передачи; проблема решается совместным использова-

нием для управления поворотом гидрообъемной передачи и бортовых коробок передач). Значение П определяется не только внешними парамет-

М-

рами МП (см. [4]), но и габаритно-массовыми характеристиками шасси, а также в большой степени — свойствами опорной поверхности.

Другой важный параметр — относительная мощность, рассеиваемая при буксовании элемента управления, Пэ = N3/N№. Этот безразмерный показатель позволяет сравнивать МП по уровню относительной нагруженности буксующего элемента управления, прогнозировать уровень тепловыделения, износа фрикционных дисков идр. Поскольку основные потери мощности в узлах МП определяются буксованием элемента управления, можно считать, что П., для многих конструкций МП — величина близкая по значению и по физическому смыслу к КПД.

Значение показателя П.^ определяется внешними параметрами МП, характеристиками шасси и опорной поверхности.

Расчетными (или фиксированными) радиусами поворота называют радиусы, получаемые при отсутствии буксования во включенных элементах управления МП. Использовать для сравнительной оценки М П число расчетных (фиксированных) радиусов поворота пр [2, 3] в составе модели комплексной оценки энергозатрат в агрегатах шасси ТГМ в принципе возможно, но не представляется рациональным. Например, в случае применения многопоточного М П с гидрообъемной передачей можно считать, что Пр Поэтому предлагается использовать безразмерный показатель, учитывающий число фиксированных радиусов поворота: Пр = 1 - 1/яр • Значения Пр е [0,1], т. к. пр е [1, да) (например, для МП типов «бортовой фрикцион с тормозом», «простой

дифференциал», «одноступенчатый планетарный р

число расчетных радиусов поворота определено числом ступеней в коробке.

Следует отметить, что показатель Пр характеризует в первую очередь энергетические особенности МП и только косвенно — качество управления поворотом. Многорадиусные однопоточные М П на основе бортовых коробок передач все-таки не обеспечивают высокого качества управления поворотом, хотя значение для них больше , чем для бортового фрикциона или простого дифференциала.

Для сравнения М П с привлечением введенных показателей следует (в первом приближении) выбрать режим движения шасси.

При расчетах параметров МП в ОАО ВНИИ транспортного машиностроения (Санкт-Петербург) и на кафедре колесных и гусеничных машин Л ГТУ (сейчас ГОУ ВПО СПбГПУ) применялись следующие статистические характеристики криволинейного движения ТГМ. Гистограмма распределения вероятностей скоростных режимов приведена на рис. 1. Из данных следует, что наиболее вероятным оказывается движение ТГМ со скоростью 7 м/с. Поэтому проводить сравнительную оценку энергетических показателей М П предлагается при этой скорости движения.

Среднестатистические зависимости относительного радиуса поворота р и времени поворота / от скорости движения ТГМ показаны на рис. 2. Ожидаемая величина относительного радиуса поворота при скорости движения 7 м/с равна 10. Время поворота, которое может быть рассмотрено как время буксования фрикционных элементов управления МП, составит при этом около 2,5 с. Время буксования использовалось в дальнейшем для оценки среднего износа дисков фрикционного элемента МП, оценки тепловыделения и в других расчетах.

Плотность вероятности распределения коэффициента сопротивления движению /(") приведена на рис. 3. Здесь " — коэффициент сопротивления движению со стороны грунта (обычно определяется при испытаниях по отношению удельного расхода топлива на трассе и на бетонной дороге [5]).

Рис. 1. Гистограмма распределения вероятности скоростей движения ТГМ

0 5 10 15 20 Г, м/с

Рис. 2. Среднестатистические зависимости относительного радиуса поворота р и времени поворота 1 от скорости движения ТГМ

Вероятность реализации внешних сопротивлений оценивается по зависимости

Р( ") = 0,5Д"[/(" + Д")-/(")],

где 9" =0,01 — принятый интервал для изменения характеристики грунта.

Наиболее вероятным оказывается реализация коэффициента сопротивления движению порядка 0,07. Этому примерно соответствует ожидаемое максимальное значение коэффициента сопротивления повороту р,тах =0,700 (подразумевается, что эта величина определена традиционным способом — для случая поворота ТГМ вокруг заторможенной гусеницы [2,3]).

В качестве примера рассмотрим в этих «наиболее вероятных» условиях поворот аналога серийно выпускаемого шасси с газотурбинным двигателем. В качестве МП используются четырехступенчатые бортовые коробки передач. Мас-

р I4 яо

<э II 4 си 411

У V/ 1

^ __K//IW1_____

0,01 0,03 0,05 0,07 0,09 0,11 0,13 0,15 С

Рис. 3. Плотность вероятности распределения коэффициента сопротивления движению Д^)

са машины — 42 т; длина опорной поверхности — 4,31 м; колея — 2,8 м.

Радиус поворота ТГМ с заданной скоростью на грунте с заданными характеристиками ограничен устойчивостью шасси против заноса и опрокидывания, возможностью передачи тягового усилия гусеницей забегающего борта, мощностью двигателя. В данном случае имеет место ограничение по заносу. Критическая скорость прямолинейного движения связана с относительным

«критическим» радиусом поворота ркр известным

выражением VKpпр = (ркр + qM [2],

где g — ускорение свободного падения, qM — кинематический параметр МП, В — колея машины. Под заносом здесь и в дальнейшем будем понимать скольжение ТГМ в поперечном направлении. Такой подход позволяет избежать трудностей, связанных с использованием в теории ТГМ понятий «частичный» и «полный» занос [2, 3].

Значению VKpnp = 7 м/с соответствует значение ркр - 2,7. Поворот с меньшим радиусом будет невозможен (зона заноса заштрихована на рис. 4). На рис. 4 использовано обозначение рн — относительный радиус неуправляемого поворота [4], получаемый при отсутствии включенных элементов управления на отстающем

р

Значения показателя П.. изменяются моно-

г1

р

рр

нием на отстающем борту остановочного тормоза, а на забегающем — первой передачи. В соответствии с режимами работы трансмиссии (табл. 1) имеем семейство из четырех расчетных кривых.

Характер изменения показателя Пэ показан на рис. 4.

Расчеты показывают: с точки зрения увеличения относительных энергозатрат при повороте рассмотренное шасси мало отличается от шасси с дизельным двигателем (различие — в разбивке передач и числе передач). Однако при использовании в качестве М П бортового фрикциона (шасси МТ-ЛБ) или одноступенчатого планетарного механизма поворота относительные затраты мощности возрастают в 1,2—2,0 раза, а относительные потери в буксующем элементе управления увеличиваются для шасси MT-JIБ в 5 раз.

Введение безразмерных параметров, характеризующих энергетическую эффективность работы МП на шасси конкретной ТГМ, позволяет не только достаточно просто сравнивать между собой отдельные механизмы поворота при разработке технического предложения по проектированию или модернизации шасси, но и расширить возможности модели комплексной оценки эксплуатационных свойств шасси ТГМ.

Показатели, характеризующие энергетическую эффективность МП, встраиваются в разработанную систему комплексной оценки энергозатрат в шасси гусеничной машины.

С точки зрения теории планирования эксперимента и теории принятия решений рассматриваемая задача о построении метода комплексной оценки шасси весьма близка к задачам о построении обобщенного отклика сложной многопараметрической системы, включающей в себя некоторое ограниченное сверху множество подсистем. Математически можно записать

У = Р {УьУъ-^Уп)-В этой формуле _ обобщенные

(комплексные) показатели, характеризующие состояние объекта. В свою очередь (ху)| являются функциями от |ху| — набора параметров количественных (например, геометрические, массогабаритные, кинематические, силовые) и качественных (например, конструктивные признаки элементов шасси), множество которых состоит из элементов, обладающих свойствами воспроизводимости, однозначности, выражающихся количественно одним числом.

Элементы множества (^Д*/)} подбираются

так, чтобы каждый имел собственный физический смысл. При этом учитывается, что попытка добиться оптимума за счет подбора некоторого локального или промежуточного параметра может оказаться неэффективной или даже привести к неработоспособности технической системы.

Проведенный обзор методов построения обобщенного отклика сложной технической системы позволяет перечислить требования к применяемому методу усреднения. Метод должен:

допускать работу с параметрами, разброс значений которых может быть значительным; вход-

Рис. 4. Относительная мощность, рассеиваемая на буксующем элементе управления в трансмиссии ТГМ (шасси с газотурбинным двигателем) при повороте

с относительным радиусом меньше рн; цифрами 1—4 обозначены номера режимов работы трансмиссии при повороте (см. табл. 1), 5 — область заноса шасси

ные параметры должны иметь самостоятельный физический смысл, характеризовать работу определенной подсистемы в заданных условиях;

учитывать последствия обнуления одного из параметров (например, застревание машины приводит к потере подвижности и невозможности решить поставленную задачу);

включать в себя формализованную процедуру нормировки входных параметров;

быть универсальным по отношению к входным параметрам разной физической природы;

сочетать устойчивость итоговой оценки с чувствительностью по отношению к изменению значений входных параметров;

давать итоговую оценку, выраженную числом; допускать расширение базы параметров и введение новых уровней в иерархии параметров.

Таблица 1

Обозначения режимов работы бортовых коробок передач при повороте шасси

Поз. па рис. 4 Режим работы

отстающий борт забегающий борт

1 торможение 1 передача

2 1 передача 11 передача

3 11 передача 111 передача

4 111 передача IV передача

-3 -2 -1 0 1 2 3 4- 5 6 7 у1

Рис. 5. Внешний вид частной функции желательности (у' — аргумент, значение которого получено после нормировки значения частного показателя у эффективности работы подсистемы)

Перечисленным требованиям в наиболее полной мере отвечают метод экспертных оценок, метод интегрального усреднения, метод Харринг-тона.

Поскольку первые два метода требуют обязательного использования независимых экспертов (что не вполне гарантирует полную объективность оценок), выбор сделан в пользу метода Харрингтона [6, 7] при условии использования стандартных шкал желательности.

Частные функции желательности задаются уравнением с/ = ехр(-ехр[-.у]),где у —независимый параметр, получаемый путем нормирования конкретных показателей.

Значение обобщенного отклика получаем по

п

формуле . Представле-

V 1=1

ние о виде частной функции желательности на рассматриваемом интервале аргумента у е [-3,7] дает рис. 5. В работе применена стандартная

шкала желательности. Интерпретацию количественных оценок, полученных с применением функции Харрингтона, дает табл. 2.

Результаты расчетного сравнения энергозатрат для шасси различных машин иллюстрирует диаграмма на рис. 6. Приведены результаты расчетов для аналогов серийных шасси — основных танков Т-72, Т-80, Т-90, Т-64 (МП - бортовые коробки передач; им присвоены номера 1, 4, 5, 6), военно-транспортных гусеничных машин БМП-2, МТ-ЛБ (МП — бортовой фрикцион с тормозом; им присвоены номера 2,3).

Результаты расчета позволяют констатировать, что применение бортовых коробок передач в качестве много радиусных МП является оправданным решением и вносит свой вклад в итоговый высокий оценочный показатель.

Изменение значения показателя Б после введения в методику частных показателей эффективности работы МП не превысило 7 %. Однако, сложившаяся картина ранжирования шасси с точки зрения усредненных относительных энергозатрат существенно не изменилась, поскольку на более тяжелых ТГМ с более мощными двигателями традиционно применяются и более совершенные МП.

Оценочный расчет показал, что применение более сложных двухпоточных М П с гидрообъемной передачей несущественно изменяет итоговое значение комплексного показателя. Это обусловлено, во-первых, тем, что рассматриваются частные показатели эффективности работы многих агрегатов шасси и улучшение системы управления поворотом «сглаживается» за счет других составляющих, поскольку итоговый показатель комплексной оценки получается все-таки путем усреднения нормированных частных показателей. Во-вторых, применение двухпоточ-ного М П с гидрообъемной передачей может вы-

Таблица 2

Стандартные отметки на шкале желательности

Желательность Отметки на шкале желательности с1(у) Соответствующие значения аргумента у

Очень хорошо Хорошо Удовлетворительно Плохо Очень плохо (1,00) 0,9975-0,80 0,80-0,63 0,63-0,37 0,37-0,20 0,20-10 7 (0,00) (да)5,990; 1,500 1,500; 0,772 0,772; 0,006 0,006; -0,479 -0,4759; -2,913 (-да)

звать существенное увеличение потребной мощности двигателя при повороте с высокими скоростями.

Однако применение более сложных многопоточных МП позволит повысить качество управления поворотом ТГМ, а дальнейшая эволюция конструкции таких МП привела бы и к улучшению энергетических характеристик шасси. Возможности таких МП пока не вполне раскрыты. В настоящее время в РФ не завершены работы по разработке и внедрению в производство перспективного двухпоточного фрикционного МП, мал опыт применения на отечественных ТГМ трансмиссии с гидрообъемным МП. Кроме того, отсутствует опыт использования многопоточных МП на относительно легких отечественных ТГМ. Дополнительное препятствие — отсутствие в РФ технологической базы для производства пригодных к использованию в трансмиссиях ТГМ достаточно компактных и мощных гидрообъемных передач.

Рассмотренные в статье частные показатели энергетической эффективности могут быть заложены в основу методики комплексной оценки конструкций МП. При разработке такой методики требуется ввести дополнительные частные показатели, которые позволят оценить качество управления поворотом (время запаздывания при отработке управляющего воздействия, параметры управляемости и устойчивости и др.). Формировать обобщенный показатель, позволяющий сравнивать между собой различные типы МП (какпоказывает опыт, полученный при работе над комплексной оценкой энергозатрат в гусеничном шасси) целесообразно на базе математического аппарата метода Харрингтона.

Изложенное привело к следующим выводам:

1. Предложенные безразмерные коэффициенты позволяют объективно количественно оценить энергетические характеристики МП ТГМ и являются дальнейшим развитием подхода к этому вопросу, изложенного в [2,3].

2. Применение системы безразмерных коэффициентов дает возможность, базируясь на ме-

D 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00

Шасси

Рис. 6. Расчетные значения

обобщенного показателя В эффективности работы агрегатов шасси различных ТГМ

тодике [4], достаточно просто сравнить между собой МП различного типа с точки зрения эффективности использования мощности силовой установки.

3. Предлагаемые коэффициенты встраиваются в модель комплексной оценки эффективности работы шасси ТГМ [6], расширяя возможности модели и позволяя уточнить значение обобщенного показателя эффективности.

4. При использовании предложенных безразмерных коэффициентов в модели комплексной оценки эффективности шасси (без введения весовых коэффициентов), их вклад в комплексный показатель эффективности не является определяющим и сглаживается за счет влияния других параметров.

5. Полученные результаты расчетов не ставят под сомнение перспективы развития дифференциальных многопоточных МП, поскольку главное достоинство таких механизмов — увеличение качества управления поворотом, что может сопровождаться на настоящем этапе ростом уровня энергозатрат.

6. Методика комплексной оценки эксплуатационных свойств механизмов поворота гусеничных машин может быть основана на рассмотренных показателях энергетической эффективности работы механизмов поворота. В качестве математического аппарата для построения обобщенного показателя оценки может быть применен метод Харрингтона. Систему частных показателей эффективности следует развивать путем введения таких, которые характеризуют качество управления поворотом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бойков, A.B. Конструирование и расчет элементов трансмиссий транспортных машин [Текст]: учеб. пособие / A.B. Бойков [и др.|.— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 1992.

2. Носов, H.A. Расчет и конструирование гусеничных машин [Текст] / H.A. Носов, В.Д. Галы-шев, Ю.П. Волков, А.П. Харченко,— J1.: Машиностроение, 1972.

3. Забавников, H.A. Основы теории транспортных гусеничных машин [Текст] / H.A. Забавников,— М.: Машиностроение, 1975.

4. Шеломов, В.Б. Мощности двигателя и буксования фрикционного элемента управления поворотом гусеничной машины [Текст] / В.Б. Шеломов, Р.Ю. Добрецов // Научно-технические ведомости СПбГПУ, серия «Наука и образование»,- 2010. Т. 2. № 2,- С. 87—91.

5. Теория и конструкция танка. Т. 8: Параметры

внешней среды, используемые при расчете танков [Текст].— М.: Машиностроение, 1987.

6. Добрецов, Р.Ю. Комплексная оценка потерь мощности в шасси гусеничной машины на этапе проектирования [Текст] / Р.Ю. Добрецов // Научно-технические ведомости СПбГПУ, серия «Наука и образование»,— 2009. N° 3,— С. 163-168.

7. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст] / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский, — М.: Наука, 1976.

УДК 621.436

В.П. Бреусов

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ В ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО ПОДВОДА ТЕПЛОТЫ

Создание двигателей Стирлинга связано с проблемой совершенствования его внутреннего контура (ВК), в котором протекает термодинамический цикл рабочего тела двигателя. Этим определяется необходимость углубленного экспериментального исследования В К, отработки методов его расчета.

Разработан ряд моделей В К, отличающихся как по принципам построения, так и степенью сложности. Уточнение моделей производится двумя путями — учетом дополнительных факторов, влияющих на работу В К, и уточнением применяемых расчетных зависимостей.

В К включает в себя полости сжатия, расширения (полость горячего цилиндра), соединяющие их нагреватель, регенератор и охладитель. Полость расширения конструктивно образована узлом горячего цилиндра (рис. 1). В процессе термодинамического цикла двигателя внешнего подвода теплоты (ДВПТ) [1] происходитнатекание рабочего тела в полость цилиндра, его расширение и вытеснение из полости [3]. Движение газа в цилиндре сопровождается теплообменом со стенками, а также перетечками в зазоре (5) горячего цилиндра и колпака вытеснителя. Охлаждение рабочего тела в полости цилиндра и в зазоре приводит к снижению индикаторных показателей рабочего процесса. «Горячая» зона ДВПТ соединена с «холодной» зоной стенками цилиндра и колпака вытеснителя (их называют «тепловым

мостом»). Такая конструкция приводит к неизбежным потерям теплоты и соответственно к снижению эффективных показателей ДВПТ.

Цель предлагаемой методики — определение влияния теплообмена рабочего тела в полости расширения и перетечек в зазоре горячего цилиндра и колпака вытеснителя на индикаторные показатели цикла ДВПТ, а также определение тепловых потерь в цилиндропоршневой группе (ЦПГ).

Методика основывается на базе параметриче ской математической модели В К Такая модель устанавливает взаимосвязь параметров элементов В К, текущих параметров рабочего тела в выделенных полостях и индикаторных показателей

Параметры элементов В К характеризуют их влияние на рабочий процесс ДВПТ. Узел горячего цилиндра образует полость расширения В К.

Функциональные характеристики узла ЦП Г определяются следующими величинами: относительной индикаторной мощностью ТУ,- / Ит и относительным индикаторным КПД и / Л/о > а также относительной долей тепловых потерь ао / Ох - где Оц — количество теплоты, воспринимаемое рабочим телом в процессе термодинамического цикла, — тепловые потери узла горячего цилиндра к контуру охлаждения. Мощность N1 и КПД л,- рассчитаны по параметрической математической модели с учетом тепловых потерь в узле горячего цилиндра, а и л,о — без учета этих потерь.