Повышение маневренности гусеничного трактора с дифференциальным механизмом поворота путем включения остановочного тормоза отстающего борта при резком изменении кривизны траектории

Традиционный механизм поворота (МП) гусеничного трактора – это бортовой фрикцион или двухступенчатый планетарный механизм поворота [1, 2]. На быстроходных гусеничных машинах применяют дифференциальный МП [3, 4]. Главным ограничением такого МП является установочная мощность гидрообъёмной передачи (ГОП) [5].

Современные гусеничные промышленные тракторы агрегатируют бесступенчатыми трансмиссиями, в том числе бортовыми гидростатическими [6], что обеспечивает тракторам качественный рост маневренности и способность выполнять технологические операции при криволинейном движении. Поэтому рынок требует аналогичного повышения маневренности и от тракторов с другими трансмиссиями, например, с гидродинамическими или механическими. Выходом является установка на такие трактора бесступенчатых дифференциальных механизмов поворота [7–9].

Однако проблема с установочной мощностью ГОП остается актуальной и для относительно тихоходных машин. Давления в 40 МПа не хватает для разворота на месте трактора класса 10 т на тяжёлых грунтах. И при входе в поворот на малых скоростях давление превышает 40 МПа и в ГОП открывается предохранительный клапан. Это приводит к снижению интенсивности вхо- да в поворот, к задержке в достижении установившегося радиуса поворота.

Гипотеза: подключать штатные остановочные тормоза в помощь ГОП.

Имеются патенты, предполагающие использование остановочных тормозов (ОТ) отстающего борта для интенсификации входа в поворот, или разгружающие ГОП в повороте [10–12].

На мысль об использовании ОТ для поворота гусеничной машины с дифференциальным гидрообъёмным МП подталкивает представление о поведении дифференциала автомобиля (про-

Рис. 1. Простой дифференциал автомобиля, КП – коробка передач

стой дифференциал как МП гусеничных машин упоминается в литературе [11]). А именно: при замедлении вращения одной из полуосей на величину Δω другая полуось ускоряется на Δω. Схема простого дифференциала приведена на рис. 1.

Дифференциальный МП (рис. 2) обладает таким же свойством. В простом дифференциале замедление отстающего борта можно достичь включением соответствующего бортового ОТ. Вроде бы и в дифференциальном МП по рис.2 можно достичь этого же эффекта. Но, в отличие от простого дифференциала по рис. 1, в дифференциальном МП по рис.2 имеется жесткая кинематическая связь бортов через ГОП – что смущает: не приведет ли включение ОТ к остановке всей машины. Ведь две силовые цепочки к СПМ от ДВС через ГОП и от ОТ подобны двум одновременно включенным передачам в КП.

Для апробации и исследования сформулированной выше гипотезы создана математическая модель движения и управления промышленного трактора с дифференциальным МП [13–19]. Введено понятие момента остановочного тормоза Mt , ко- торый начинает работать в двух уравнениях – для скорости турбины и скорости мотора, в систе-

ме дифференциальных уравнений математической модели [7]:

d го т dT

d ^ M dT

M _т -

M гм

( T x 2 + T x 1 + M t ) R вк ( к + 1 ) 1 1

i бп i к к

( T x 2 - T x 1 - M t ) R вк i бп i 5 к

. J ₃

J ₂

Рис. 2. Двухпоточный дифференциальный МП гусеничной машины. Н – регулируемый насос ГОП; М – нерегулируемый мотор ГОП; ДВС – двигатель внутреннего сгорания; ГТ – гидродинамический трансформатор крутящего момента; КП – коробка передач; СМП – суммирующие планетарные механизмы;

ОТ – остановочные тормоза; БР – бортовые редуктора; ВК – ведущие колеса; ВП – вал подкрутки

При входе в поворот на малых скоростях, а именно при движении на 1 передаче со скоростью 0,75 м/с появляется перегрузка ГОП по давлению (рис. 3). Перегрузка по давлению длится 2,5 с.

на

Рис. 4. Давление ГОП при входе в поворот 1 передаче и включении ОТ во времени, между

1 и 4 с: 1 – магистраль нагнетания; 2 – магистраль всасывания

Рис. 3. Относительное давление ГОП при входе в поворот на 1 передаче: 1 – магистраль нагнетания;

2 – магистраль всасывания

На рис. 4 показан результат включения ОТ между 1 и 4 с: давление ГОП снизилось, но поздно по времени, перегрузка по давлению в первую секунду не преодолено. Те м не менее, положительный эффект по входу в поворот конечно есть: радиус в 2 м достигается раньше на 1,5 с (рис. 5).

Следует прокомментировать повторный скачок давления после t = 3 с по рис. 4. ОТ продолжает быть включенным, а давление ГОП сначала уменьшается, потом расте т и снова достигает предела. Получается, что включение ОТ в конкретный период времени неэффективен по двум причинам: во-первых, имеет место всплеск давления между 3 и 5 с, опять до макси м ума, во-вторых, в режиме реального времени контроллер не сможет определить интервал между 3 с и 5 с, примененный в математической модели, работающ е й в нереальном (виртуальном) времени. Для реальных условий работы трактора необходимо выявить параметр, или п араметры, которые может пользовать контроллер, формирующий команду на включение-выключение ОТ.

Рис. 5. Радиус поворота, м: 1 – без подключения ОТ;    Рис. 6. Скорости по бортам, рад/с: 1 – забегающий

2 – с подключение ОТ                           борт; 2 – отстающий борт

На рис. 7 показана первая производная давления Г О П во времени при подключении ОТ в определенный период входа в поворот (по рис. 4). Видно, что скорость измен е ния давления находится в широких пределах – от 60МПа/с до –30 МПа/с . И тогда, когда давление резко п а дает, необходимо ОТ отключать. Эта информация позволила о пределить величину управляющего параметр – скорости изменения давления ГОП. Предложен и апробирован следующий алгоритм включения ОТ: держать ОТ во включенном состоянии тогда, когда скорость изменения давления ГОП больше –0,5 МПа/с.

На рис. 8 показана реализация в среде программи р ования VISSIM алгор и тма управления ОТ по скорости изменения давления в магистрали нагнетания ГОП. В этом алгоритме не участвует время вообще. Параметр, который управляет ОТ – ск о рость изменения дав л ения ГОП. Логическая операция, формирующая команду на выключение ОТ: если скорость изменения давления меньше –0,5 МПа/с.

Рис. 7. Скорость изменения давления в магистрали нагнетания ГОП, соответствующий графику давления ГОП на рис. 3

>1    gop/dt

0000]-

b t f

rge

•[ Fbrake ]—

Рис. 8. Алгоритм включения-выключения ОТ по скорости изменения давления

Рис. 9. Скорость изменения давления ГОП после внедрения

нового алгоритма

Рис. 10. График изменения во времени давления ГОП (1) и момента остановочного тормоза (2)

На рис. 9 и 10 показан результат применения а л горитма по скорости и зменения давления и по результирующему давлению ГОП, а также зафиксированы эпизоды включения ОТ во времени.

Анализ графиков на рис. 10 показывает, что ОТ включен не постоянно. Но полож и тельный результат достигнут – давление ГОП выходит на предельное значение всего н а 0,5 с и не возвращается на клапан снова, как было на рис. 4.

Исследование поведения гусеничной машины при включении ОТ при установившемся повороте. Попытка проверить поведение ГОП и машины в целом при включении ОТ с большим моментом показала переброс давления между магистралями (рис. 11), а вот остановки ма ш ины не получается – скорости по бортам на рис. 12.

Далее приведены результаты моделирования включения ОТ в установившемся повороте. Воспользуемся уравнением кинематических связей (УКС) планетарного меха н изма [20]: