Стенд для испытания бесступенчатого дифференциального механизма поворота со следящей системой управления движением гусеничного промышленного трактора

Тенденции дальнейшего совершенствования дорожно-строительной техники предполагают повышение ее технического уровня, качества и надежности, а также сокращение сроков проектирования, испытаний и внедрения в производство.

Современные промышленные тракторы ведущих мировых производителей тяжелых промышленных тракторов (Катерпиллар, Комацу, Либхер, ДСТ-Урал, ЧЕТРА) оснащаются бесступенчатыми трансмиссиями: электрическими, гидродинамическими и гидрообъемными [1-5], что позволяет им выполнять технологические операции, например, бульзозирование, рыхление, при лучшей загрузке двигателя по мощности и по моменту; снижать утомляемость водителя, повышать качество работы. Кроме того, трансмиссии, в состав которых входят бортовая гидростатическая передача или двухпоточный дифференциальный механизм поворота, создают устойчивые предпосылки к автоматизации процесса управления трактором за счет внедрения элементов навигационных систем. Испытания и конструкторско-экспериментальная доводка таких систем на тракторах являются наиболее сложным, трудоемким, дорогостоящим и длительным этапом их создания.

Темой данной статьи является разработка предложений по созданию испытательного стенда для исследования свойств бесступенчатого дифференциального механизма поворота со следящей системой управления (ССУ) движением промышленного трактора.

Для отработки алгоритмов автоматического управления кроме математического и программного обеспечения требуется экспериментальная проверка работоспособности ССУ, это требует проведения комплекса испытаний, в том числе стендовых и полевых.

Стендовые испытания являются важнейшим этапом процесса проверки качества и доводки узлов транспортных средств. Для того чтобы их результаты были достоверными, при испытаниях должна обеспечиваться высокая точность имитации эксплуатационных режимов. Для определения работоспособности механизма поворота и настройки основных параметров следящей системы управления движением все устройство в целом должно отрабатываться на функционирование. Так, при испытании механизма поворота промышленного трактора со следящей системой управления движением необходимо иметь стенд, в котором элементы механизма поворота будут реагировать на сигналы датчиков положения транспортного средства в пространстве и отклонения органов управления.

Первоначально испытания выполнялись на стендах, которые обеспечивали возможность воспроизведения только постоянного режима работы механической части трансмиссии без элементов следящей системы управления движением [6–11].

Известны стенды для испытаний трансмиссий мобильных машин, часть которых, интересующая заявителя, содержит в общем случае стационарно закрепленную на основании раму с установленным на ней приводом, соединенным с испытуемой трансмиссией [12–14].

Недостатком известных стационарных стендов является низкая точность имитации эксплуатационных режимов из-за невозможности воспроизведения пространственного движении мобильных машин и, как следствие, практически ограниченные возможности регулировки и настройки параметров БДМП с ССУ движением.

Очевидно, что стенды данного типа не позволяют проводить настройки и проверки БДМП с ССУ мобильных машин по сигналам, получаемыми в результате движения по заданной траектории.

В этом случае встает задача об устройстве, имитирующем движение мобильной машины с БДМП с ССУ, решение которой может пойти по двум вариантам технического поиска: первый вариант – имитация движения для отдельных приборов из состава ССУ, не установленных на БДМП; и второй вариант – для приборов, установленных на самой мобильной машине с БДМП с ССУ. Второй вариант решения, по сути, является устройством, представляющим мобильный стенд со всеми вытекающими недостатками ходовых испытаний – высокой трудоемкостью и стоимостью таких работ.

В данной статье описано техническое решение стационарного стенда для исследовательских испытаний БДМП с ССУ с устройством имитации движения для отдельных приборов из состава ССУ, не установленных на БДМП.

Вопросы математического моделирования работы гидростатических передач в трансмиссиях транспортных машин освещены в работах [15–19]. Моделирование движения промышленного трактора с БДМП опубликовано в работе авторов [20]. Разработанные алгоритмы управления трактором с БДМП требуют экспериментальной проверки и могут быть реализованы на стенде, который позволяет определить работоспособность и выполнить настройку ССУ, обеспечить контроль основных параметров БДМП путем имитации в стационарных стендовых условиях входных воздействий на элементы ССУ, в максимальной степени соответствующих реальным условиям движения машины в пространстве, при одновременном снижении трудоемкости и стоимости этих работ, за счет исключения необходимости использования подвижных транспортных средств.

Стенд, содержащий неподвижно установленный на основании остов машины с приводом, размещенный на остове и кинематически связанный с приводом испытуемый БДМП с ССУ, включающей ручку управления поворотом (командоконтроллер), гирокомпас с акселерометром, датчики скорости вращения ведущих колес, микропроцессорный блок управления (МБУ) и электрогидрораспределитель, дополнительно снабжен направляющей, с возможностью перемещения по ней каретки с гирокомпасом и акселерометром из состава ССУ, имеющего коммутацию с МБУ. Направляющая выполняется в виде гибкого монорельса, расположение и конфигурация которого в пространстве позволяют имитировать любую заранее заданную траекторию движения центра масс мобильной машины с БДМП с ССУ движением.

Стенд для испытания бесступенчатого дифференциального механизма поворота со следящей системой управления движением мобильных машин (см. рисунок) содержит неподвижно установленный на основании остов машины 1 с приводом 2, размещенный на остове и кинематически связанный с приводом испытуемый бесступенчатый дифференциальный механизм поворота 3 со следящей системой управления (ССУ) движением, включающей ручку управления поворотом (командоконтроллер) 4, гирокомпас 5 с акселерометром, датчики скорости 6 вращения ведущих колес, микропроцессорный блок управления (МБУ) 7 и электрогидрораспределитель 8, а также установленную на штативах 9 направляющую 10 с подвижной кареткой 11 для размещения на ней гирокомпаса 5 с акселерометром из состава ССУ, имеющего коммутацию с МБУ 7. Направляющая 10 выполнена в виде гибкого монорельса, требуемое расположение и конфигурация которого в пространстве обеспечивается настройкой штативов 9. Подвижная каретка 11 снабжена автономным приводом и управлением (не обозначено), обеспечивающим ее движение по направляющей 10. Параметры движения каретки 11 по направляющей 10 согласованы с параметрами движения привода 2.

Стенд для испытания бесступенчатого дифференциального механизма поворота с ССУ

ССУ направлена на поддержание постоянной траектории движения мобильной машины, заданной ручкой управления поворотом 4. ССУ представляет собой систему управления с обратной связью, которая осуществляет прием и обработку входных сигналов, и выработку выходного сигнала управления в соответствии с заданной передаточной функцией. Входными сигналами ССУ являются: сигнал управления – от ручки управления поворотом 4 (сигналы оператора, задающие траекторию движения Машины, и включения / отключения режима «прямого управления»), и сигналы обратной связи – от гирокомпаса 5 с акселерометром (сигналы, характеризующие текущую траекторию движения Машины) и от датчиков скорости 6 вращения ведущих колес Машины.

Выходным сигналом ССУ является сигнал управления для электрогидравлического распределителя 8, генерируемый МБУ 7. При этом МБУ 7 является центральным элементов всей ССУ.

Обработка сигналов, принимаемых от периферийных устройств (ручка управления поворотом 4, гирокомпас 5, датчики скорости 6 вращения ведущих колес) ССУ, осуществляется МБУ 7 в цифровом виде.

Функция, выполняемая ручкой управления поворотом 4, в ССУ – это основное устройство ввода информации оператором Машины, осуществляющее формирование электрического сигнала, задающего траекторию движения Машины.

Гирокомпас 5 со встроенным акселерометром позволяет получать данные о текущей траектории движения Машины и служит элементом обратной связи для ССУ.

Для каждого из ведущих колес предназначен отдельный датчик 6, определяющий скорость его вращения. Датчики скорости вращения ведущих колес являются одним из элементов обратной связи ССУ и служат для измерения скорости вращения ведущих колес Машины и передачи измеренного значения по цифровому интерфейсу связи в МБУ для последующей обработки в соответствии с заданной передаточной функцией.

МБУ 7 осуществляет прием и обработку входных сигналов ССУ и выработку выходного управляющего сигнала на электрогидрораспределитель 8 в соответствии с заданной передаточной.

Управление работой электрогидрораспределителя 8 осуществляет МБУ посредством изменения мощности, подводимой к блоку катушек электрогидрораспределителя, что приводит к перемещению гидравлического распределителя, установленного на Машине.

Стенд работает следующим образом:

• 1.    Режим прямолинейного равномерного движения.

• 2.    Режим установившегося поворота заданного радиуса.

• 3.    Режим увода Машина от устойчивого прямолинейного движения.

• 4.    Режим не управляемого заноса Машины.

Включить стенд и установить неизменные обороты привода 2. При этом ручка управления поворотом 4 должна находиться в нейтральном положении, а каретка 11 с гирокомпасом 5 занимать неподвижное положение на направляющей 10, что соответствует режиму прямолинейного равномерного движения Машины. БДМП с ССУ должен обеспечить равенство частот вращения ведущих колес, контролируемых датчиками скорости 6. В случае отсутствия равенства частот вращения ведущих колес, произвести настройку ССУ.

Задать направляющей 10 дугу изгиба в горизонтальной плоскости требуемого радиуса, путем соответствующего размещения штативов 9 на основании. Включить стенд и установить неизменные обороты привода 2. Отклонить ручку управления поворотом 4 на величину соответствующую заданному радиусу поворота Машины. Одновременно привести в движение каретку 11 с гирокомпасом 5 на участке дуги изгиба направляющей 10 заданного радиуса. БДМП с ССУ должен обеспечить разность частот вращения ведущих колес, контролируемых датчиками скорости 6, соответствующую движению Машины при повороте заданного радиуса. В случае не соответствия разности частот вращения ведущих колес заданному радиусу поворота произвести настройку ССУ.

Задать направляющей 10 дугу изгиба в горизонтальной плоскости требуемого радиуса, путем соответствующего размещения штативов 9 на основании. Включить стенд и установить неизменные обороты привода 2. При этом ручка управления поворотом 4 должна находиться в нейтральном положении, что соответствует режиму прямолинейного равномерного движения Машины. Привести в движение каретку 11 с гирокомпасом 5 на участке дуги изгиба направляющей 10 за- данного радиуса. Сигнал с гирокомпаса 5, поступающий в МБУ 7, позволяет выстроить фактическую траекторию движения Машины и после сравнения ее с заданной ручкой управления поворотом 4 сформировать коррекцию курса воздействием на сигнал управления электрогидрораспределителем 8. Таким образом, БДМП с ССУ должен обеспечить разность частот вращения ведущих колес, контролируемых датчиками скорости 6, соответствующую корректировке траектории движения Машины для обеспечения устойчивого прямолинейного движения. В случае не соответствия разности частот вращения ведущих колес, при корректировке заданного радиуса увода, произвести настройку ССУ.

Включить стенд и установить неизменные обороты привода 2. Отклонить ручку управления поворотом 4 на величину, соответствующую заданному радиусу поворота Машины. При этом каретка 11 с гирокомпасом 5 должна занимать неподвижное положение на направляющей 10, что соответствует режиму прямолинейного равномерного движения Машины. БДМП с ССУ должен обеспечить остановку вращения (торможение) ведущих колес. В случае отсутствия торможения ведущих колес, произвести настройку ССУ.

Таким образом, благодаря введению направляющей, с перемещением по ней гирокомпаса с акселерометром из состава ССУ, имеющего коммутацию с МБУ, получена возможность имитировать любую заранее заданную траекторию движения центра масс мобильной машины с БДМП с ССУ. Все это позволяет выполнить настройку ССУ движением, а также обеспечить контроль основных параметров БДМП путем имитации в стационарных стендовых условиях входных воздействий на элементы ССУ, в максимальной степени соответствующих реальным условиям движения машины в пространстве, при одновременном снижении трудоемкости и стоимости этих работ, за счет исключения необходимости использования подвижных транспортных средств.

По материалам исследования подана заявка на изобретение. Уведомление о приеме и регистрации заявки от 07.11.2019, регистрационный № 2019135922.

Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства «Разработка бесступенчатого дифференциального механизма поворота со следящей системой управления для внедорожных и дорожно-строительных машин нового поколения» по соглашению № 074-11-2018-006 от 31.05.2018 г. между Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и Обществом с ограниченной ответственностью Производственная компания «Ходовые системы» в кооперации с Головным исполнителем НИОКТР – Федеральным государственным автономным образовательным учреждением высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)».