Повышение эффективности промышленного трактора-бульдозера совершенствованием алгоритма управления моторно-трансмиссионной установкой. Результаты математического моделирования и полевых испытаний

Актуальность темы исследования

Технологический процесс бульдозирования характеризуется десятикратным изменением внешней нагрузки на моторно-трансмиссионную установку (МТУ) промышленного трактора. МТУ состоит из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и трансмиссии. Трансмиссии могут быть механическими, гидродинамическими, гидрообъёмными или электрическими.

В данной статье речь пойдет о промышленном тракторе – бульдозере с гидрообъёмной бортовой трансмиссией.

Переключать передачи при бульдозировании невозможно, поэтому на промышленных тракторах с механической трансмиссией изменение внешних сопротивлений движению трактора преодолевается ДВС. При этом расход топлива соответствует регуляторной характеристике ДВС.

Гидромеханическая трансмиссия существенно разгружает ДВС от переменных нагрузок. В идеальном случае при непрозрачном гидротрансформаторе (ГТ) ДВС может работать при максимальной мощности. Но максимальная мощность не всегда требуется. На частичных характеристиках ДВС ГТ, имеющий так называемую внутреннюю автоматичность, не может воспринять момент двигателя полностью, а только в квадратичной (от скорости) зависимости по моменту или в кубической по мощности. Например, если частота вращения коленвала ДВС уменьшить до 0,9 от номинала, мощность ДВС по внешней характеристике сохранится почти полностью, а воспринимаемая насосом ГТ мощность составит всего 0,73 от номинала.

На фоне вышесказанного весомым преимуществом обладают бесступенчатые трансмиссии с внешним регулированием, в частности гидрообъёмные передачи (ГОП). Мировые тенденции развития промышленных тракторов высокого класса тяги связаны с применением именно таких трансмиссий, управляемых совместно с двигателем внутреннего сгорания [1-6].

Современные промышленные тракторы, выпускаемые заводом «ДСТ-УРАЛ» (г. Челябинск), оборудованы двигателями ЯМЗ (г. Ярославль) и трансмиссиями фирмы ПСМ (г. Екатеринбург). Обе составляющие МТУ управляются контроллерами, что создает заманчивые предпосылки формирования совместного управления ГОП и ДВС с различными целями [7-9].

В данной статье изложены материалы исследования, создания алгоритма работы системы автоматического управления с минимизацией расхода топлива в технологическом цикле бульдози-рования.

Теоретическое обоснование, формирование алгоритма управления

Математическая модель движения трактора с гидростатической трансмиссией [10–16] дополнена функцией переменного сопротивления передвижению трактора, соответствующего реальному процессу бульдозирования [17-19].

На рис. 1 - закон нагружения бульдозера в виде силы тяги (в долях веса, вес 187000 Н, бульдозерный цикл, сопровождающийся ростом сопротивления передвижению в 10 раз (за 60 с) [19], на рис. 2 приведен график изменения давления в ГОП.

Рис. 1. Закон нагружения бульдозера

Fig. 1. Bulldozer loading law

С использованием программного комплекса AVL получена экономичная характеристика двигателя ЯМЗ-536 (табл. 1), подобная приведенной в [20] для ЯМЗ-238. В табл. 1 мощность Ne в кВт, удельный расход топлива ge в г/(кВт^ч).

Алгоритм работы автоматической системы (АС) совместного управления ДВС и ГОП с целью минимизации расхода топлива при выполнении технологической операции следующий: задающим сигналом является скорость движения, контроль давления в гидролиниях: при заданной скорости дает информацию о мощности технологического процесса (мощности на ведущем коле- се). Через общий КПД трансмиссии (примерно 0,86) считают мощность ДВС. По мощности ДВС и экономичной характеристике пересчитывают частоту вращения коленвала (рис. 3).

Таблица 1

Экономичная характеристика ЯМЗ-536

Table 1

Economical characteristics of YAMZ-536

Нагрузка на ДВС, %	Частота вращения двигателя, мин –1
	Ne	ge	Ne	ge	Ne	ge	Ne	ge	Ne	ge	Ne	ge	Ne	ge
	1400		1500		1600		1700		1800		1900		2000
100	132,2	191	141,9	193	148,4	195	157,9	196	166,5	199	170,5	201	172,4	203
90	118,9	189	127,7	192	133,5	192	142,1	196	149,8	200	153,4	202	155,1	206
80	105,7	189	113,6	192	118,7	192	126,3	198	133,2	201	136,4	203	137,9	207
70	92,5	190	99,4	193	103,9	193	110,5	199	116,5	202	119,3	204	120,7	208
60	79,3	191	85,2	195	89,0	195	94,7	199	99,9	204	102,3	205	103,4	209
50	66,1	196	71,0	197	74,2	196	79,0	201	83,2	205	85,2	207	86,2	211
40	52,9	203	56,8	206	59,4	203	63,2	207	66,6	210	68,2	216	68,9	221
30	39,6	219	42,6	221	44,5	220	47,4	226	49,9	229	51,1	236	51,7	241
20	26,4	240	28,4	239	29,7	243	31,6	246	33,3	254	34,1	264	34,5	270
10	13,2	294	14,2	299	14,8	297	15,8	307	16,6	330	17,0	351	17,2	356

– оптимальный диапазон работы

– удовлетворительный диапазон работы

– неэффективный диапазон работы и Pf22 ]>

И Pf11>

М Vтр зад ]>

m erge >-И %ППТ]>

1000J

42 1^

200 х>—1

Рис. 3. Расчет степени нажатия на педаль подачи топлива Fig. 3. Calculation of the degree of pressure on the fuel pedal

Ргоп-» Mila

40
20
0	1

О 10     20     30     40     50     60 t, С

Рис. 2. Давление в магистрали нагнетания ГОП Fig. 2. Pressure in the HST discharge line

По степени нажатия на педаль подачи топлива (ППТ) и известной скорости вращения ведущего колеса (ВК) считают параметр регулирования мотора (при этом объемный КПД ГОП задан 0,9), когда U мотора достигает 1, начинают уменьшать подачу насоса (рис. 4).

1/XIM

й %ППТ> 2001>

m erge     UM1> и KBR

Рис. 4. Расчет подачи мотора и насоса ГОП с учетом обратной связи по скорости Fig. 4. Calculation of the flow of the motor and the pump, taking into account speed feedback

На рис. 5 приведены графики положения ППТ ДВС, относительных объёмов мотора и насоса ГОП. При малой частоте вращения КВ ДВС регулируем объём мотора, при больших – объём на- соса.

Рис. 5. Относительные величины объёмов мотора (1), насоса (2), положения педали подачи топлива (3) Fig. 5. Relative values of the volumes of the motor (1), pump (2), fuel pedal position (3)

На рис. 6 приведена зависимость крутящего момента от частоты вращения коленчатого вала ДВС в процессе бульдозирования, она соответствует экономичной характеристике ДВС по табл. 1.

В результате – скорость трактора 0,9 м/с, расход топлива за цикл – 26,7 л/час. Для сравнения: если установить частоту вращения коленвала ДВС 170 р/с и выполнять ту же работу, то 28 л/час; если установить 200 р/с – 29,7 л/час.

Частоты вращения коленвала ДВС и мотора ГОП приведены на рис. 7. График 1 свидетельствует о том, что средняя частота вращения коленвала ДВС меньше 150 р/с. Снижение средней частоты вращения коленвала ДВС с 200 р/с до 150 р/с существенно увеличивает ресурс ДВС. Это дополнительный эффект от внедрения предлагаемого способа управления МТУ трактора-бульдозера.

По результатам математического моделирования работы бульдозера с системой автоматического регулирования частоты вращения коленвала ДВС с целью минимизации расхода топлива в технологическом цикле сформулирован алгоритм управления МТУ и далее реализован в среде программирования CoDeSys для контроллера. Подготовлена методика и программа испытаний

Рис. 6. Зависимость момента ДВС от частоты вращения коленчатого вала в технологическом процессе бульдозирования Fig. 6. Dependence of internal combustion engine torque on rotation speed crankshaft in the bulldozing process

Рис. 7. Частота вращения коленчатого вала ДВС (1) и мотора ГОП (2)

Fig. 7. Rotation speed of the internal combustion engine crankshaft (1) and HST motor (2)

Результаты натурных испытаний, проведенных на полигоне завода «ДСТ-УРАЛ»

• 30 августа и 4 сентября 2023 года на полигоне в с. Калачево проведены испытания системы управления машиной с функцией автоматического регулирования частоты вращения коленвала ДВС на бульдозере D14 с заводским номером № 10003536.

Каждый испытательный цикл включал в себя создание котлована (рис. 8). Схема перемещения машины – челночная: движение вперед под нагрузкой (зарезание грунта, волочение (транспортировка) грунта и отсыпка грунта), движение назад без нагрузки на исходную точку.

Объект испытаний – трактор D14 с бульдозерным оборудованием. Варианты алгоритма управления: 1 – установка постоянной частоты вращения коленвала ДВС, 200 р/с; 2 – подключение автоматической системы совместного регулирования ДВС и ГОП. Длительность испытаний – 1,5 часа для каждого алгоритма управления.

Объем выработанного материала за цикл оценивался с использованием нивелира в 5 точках путем замера высот рельефа до и после испытаний (рис. 9).

Для удобства анализа полученные результаты всех циклов испытаний сведены в табл. 2 и 3.

Рис. 8. Котлованы в табл. 2 и 3: 1 – слева, 2 – справа Fig. 8. Pits in tables 2 and 3: 1 – left, 2 – right

рельеф местности до испытаний

рельеф местности после испытаний

Рис. 9. Оценка объема выработанного материала за цикл Fig. 9. Estimation of the volume of produced material per cycle

Результаты испытаний

Test results

Таблица 2

Table 2

№ котлована	Время цикла, мин	Объем выработки грунта, м 3	Частота вращения коленвала ДВС, р/с	Расход топлива, л	Удельный расход топлива, л/м 3
1	30	59,8	200	12	0,2
2	30	31,6	200	11	0,35
1	60	39,5	200	18	0,46
2	60	82	Var*	19	0,23

* Частота вращения коленвала ДВС меняется от внешней нагрузки

Анализ представленных данных табл. 2 показал, что при малой загрузке двигателя большее влияние на часовой расход топлива оказывает частота вращения двигателя, объем выработки влияет не так заметно. Но как только мы увеличиваем загрузку двигателя или начинаем регулировать частоту вращения в зависимости от нагрузки при двойном объеме выработки, прирост топлива в сравнении с менее нагруженным циклом составил всего 1 литр.

Обработкой данных с блока управления установлено, что среднее значение частоты вращения коленчатого вала ДВС с АС управления подачей топлива составило 150 р/с.

Аппроксимация кривой мощности на режиме 200 р/с позволила приближенно оценить загрузку двигателя при разработке котлована с выполнением операций зарезания, волочения (транспортировки) и отсыпки грунта. На участках 1–2–3–4 (рис. 9) среднеарифметическая мощность составила 70 кВт и только на коротком участке котлована 4–5 высокая частота вращения коленвала двигателя является оправданной, так как двигатель выходит на пиковые значения мощности в 172 кВт.

Полученные экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с теоретическими выкладками, полученными ранее. Работа двигателя при частоте вращения 200 р/с и мощностью 70 кВт попадает в неэффективный диапазон работы (см. табл. 1).

Анализ данных табл. 3 показал, что использование системы автоматического управления частотой вращения коленвала двигателя позволяет экономить топливо до 15 % в сравнении с традиционной работой двигателя при постоянных 200 р/с. Обобщающие результаты испытаний приведены в табл. 4.

Таблица 3

Результаты испытаний

Table 3

Test results

№ котлована	Время цикла, мин	Объем выработки грунта, м 3	Частота вращения ДВС, р/с	Расход топлива, л	Удельный расход топлива, л/м 3
1	90	135,5	200	42	0,31
2	90	145,7	Var*	38	0,26

* Частота вращения коленвала ДВС меняется от внешней нагрузки

Таблица 4

Обобщающие результаты испытаний

Table 4

Summary of test results

Показатель	Традиционное управление МТУ	Управление с подключение АС совместного управления ДВС и ГОП	Изменение показателя, %
Объём перемещенного грун- 3 та, м	135,5	145,7	+7
Расход топлива, л	42	38	–10
Удельный расход топлива, г/м 3	0,31	0,26	–15
Средняя скорость вращения коленчатого вала ДВС, р/с	200	155	–23

Выводы

• 1.    Разработана математическая модель управления МТУ промышленного трактора с гидростатической трансмиссией, обеспечивающая выполнение работы по перемещению грунта при минимальном расходе топлива.

• 2.    Отработан в математической модели алгоритм одновременного управления подачей топлива ДВС и объёмов мотора и насоса ГОП в процессе бульдозирования.

• 3.    Расчетная экономия топлива по сравнению с традиционным раздельным независимым управлением ДВС и ГОП составила 15 %.

• 4.    Проведены натурные испытания трактора-бульдозера D14 производства завода «ДСТ-УРАЛ» с разработанной системой автоматического управления и с традиционной системой управления МТУ. Положительный эффект выявлен по четырем показателям: удельная экономия топлива составила 15 %, повышение производительности бульдозера составило 7 %, средняя частота вращения коленвала ДВС снизилась на 23 % (что приблизительно на эти же 23 % повышает ресурс ДВС), абсолютный расхода топлива в пересчете на 8-часовую смену снизился на 21 литр. Экономический эффект от внедрения разработанной АС только по топливу (в современных ценах) составляет 1200 руб./смену.

• 5.    Достоверность математической модели трактора-бульдозера, на базе которой реализован в среде программирования CoDeSys алгоритм управления МТУ, подтверждена натурными испытаниями трактора-бульдозера D14 производства завода «ДСТ-УРАЛ».

• 6.    По результатам исследований получен патент на изобретение.