Проект “Разработка расчетно-экспериментальных методов исследования динамики управляемого движения быстроходных гусеничных машин на основе новых информационных технологий…”

Инновационный проект, получивший положительное заключение  экспертизы, организованной ГУНИД Минобороны.  

Описание проекта представлено в авторской редакции.

Проект 13 

Разработка расчетно-экспериментальных методов исследования динамики управляемого движения быстроходных гусеничных машин на основе новых информационных технологий и снижение динамической нагруженности энергосилового блока машин путем синтеза низкочастотных фильтров и оптимального управления переходными процессами.

Из описания проекта:   

Одним из основных эксплуатационных свойств быстроходных гусеничных машин (БГМ) является подвижность, оцениваемая скоростными качествами. Повышение удельной мощности машин до 25 кВт/т, совершенствование трансмиссий, систем управления движением и информационного обеспечения способствует росту потенциальных скоростных качеств современных гусеничных машин. Однако реализация потенциальных скоростных качеств ограничивается рядом динамических явлений характеризующих управляемость при прямолинейном движении и в процессе поворота. Это свойство характеризует все аспекты динамики системы «Человек - машина - внешняя среда» и оценивается динамическими, кинематическими и силовыми характеристиками. Динамические свойства определяются по фазовым частотным характеристикам и качеству переходных процессов, т.е. по реакции машины на управляющее воздействие.

Повышение степени реализации потенциальных скоростных качеств быстроходной гусеничной машины и управляемости частично достигается введением корректирующего устройства - ПИД-регулятора в систему управления движением БГМ. Однако эффективность такого решения ограничена вследствие вариации параметров конструкции гусеничной машины, входящих в математическую модель, определяющих собственную частоту системы и ее демпфирующие свойства, в соответствии с которыми синтезирован регулятор. Кроме того, параметры сенсора бокового движения сильно зашумлены и их сигналы существенно запаздывают относительно управляющего воздействия, что снижает эффективность обратной связи.

Устойчивость прямолинейного движения быстроходной гусеничной машины при описании равномерного движения принято оценивать линеаризованными дифференциальными уравнениями по критерию Раусса-Гурвица. Однако результаты исследований новых машин с высокой удельной мощностью, выполненные с применением высокоразрешающей информационно-измерительной аппаратуры, свидетельствуют о существенных колебаниях корпуса машины, ограничивающих ее подвижность и другие функциональные свойства при скорости движения гораздо ниже расчетной. Результаты исследований подтверждают необходимость существенного уточнения принимаемых ранее моделей.

Анализ экспериментальных данных показывает, что при прямолинейном движении колебательные процессы происходят при движении машины со скоростями гораздо ниже допустимых по условиям устойчивости, определенным по известным критериям.

Долговечность современных и перспективных военных гусеничных и колесных машин во многом ограничивается высокой динамической нагруженностью, формируемой внешними и внутренними возмущениями. Неравномерность нагрузок вызывает изгибные и крутильные колебания, которые являются причиной до 80% отказов.

Для перспективных и модернизируемых транспортных машин разрабатываются гидромеханические трансмиссии, так как принято считать, что введением гидротрансформатора − активного фильтра колебаний на входе и выходе из трансмиссии, можно обеспечить требуемый уровень долговечности элементов трансмиссий.

Однако результаты проведенных экспериментальных исследований опытных конструкций свидетельствуют о высокой динамической нагруженности при переходных процессах начала движения с места, переключения передач и при блокировке гидротрансформатора, а так же на установившихся режимах движения транспортной машины, что ограничивает долговечность элементов трансмиссии. Это определяет необходимость проведения глубоких исследований, направленных на снижение динамической нагруженности.

Для перспективных боевых гусеничных и колесных машин, эксплуатируемых в особо трудных условиях, разрабатывается все более совершенные конструкции гидромеханических, электромеханических и гибридных трансмиссий. Испытания опытных образцов машин свидетельствуют о высокой динамической нагруженности, ограничивающей долговечность деталей, в частности, фрикционных дисков элементов управления и деталей, сопрягаемых с ними. При этом установлен не достаточно исследованный ранее вид разрушения - разрыв дисков и пластические деформации элементов сопряжения с другими деталями, которые наблюдаются в проектируемых и существующих трансмиссиях, в том числе в конструкциях мировых лидеров автомобилестроения. Следует отметить, что такой же вид разрушения наблюдается в транспортных машинах, оснащенных ступенчатыми трансмиссиями и дизельными двигателями.

В процессе эксплуатации и испытаний опытных и модернизируемых быстроходных гусеничных и колесных машин установлены новые динамические явления, ограничивающие долговечность элементов. Ниже приводятся примеры проявления этих динамических явлений, связанных с нелинейностью характеристик.

Так при движении быстроходных гусеничных машин по дорогам с малодеформируемым основанием за короткий срок эксплуатации происходит разрушение балансиров движителя, перегрев шин, а высокий уровень вибронагруженности нарушает функционирование высокоточного оптикоэлектронного оборудования вследствие возбуждения параметрических резонансов. Это вызвано нелинейным взаимодействием шин опорных катков с обрезиненной беговой дорожкой гусениц.

Долговечность гидромеханических трансмиссий транспортных машин ограничивается ресурсом элементов дотрансформаторной зоны. В настоящее время широко применяемые методы повышения долговечности основаны на исключении резонансных режимов в линейной постановке задачи, при этом экспериментальные исследования свидетельствуют о необходимости применения нелинейных зависимостей. Такие же явления проявляются в других узлах и агрегатах быстроходных гусеничных и колесных машин. Обычно большинство систем являются существенно нелинейными и в них возбуждаются параметрические колебания и резонансы, которые более опасны и не могут быть устранены известными методами.

Цель проекта − повышение достоверности расчетно-экспериментальных методов исследования динамики управляемого движения быстроходных гусеничных машин на основе новых информационных технологий и снижение динамической нагруженности энергосилового блока машин путем синтеза низкочастотных фильтров и оптимального управления переходными процессами.

Задачи, предлагаемые к решению в рамках проекта:

• разработка расчетно-экспериментального метода оценки параметров управляемого движения быстроходных гусеничных машин по их динамическим свойствам;
• расчетно-экспериментальное определение устойчивости движения быстроходных гусеничных машин с нелинейными характеристиками упругости и возбуждением волновых процессов в движителе;
• прогнозирование и обоснование направлений снижения динамической нагруженности энергосилового блока на установившихся и переходных режимах функционирования;
• повышение долговечности элементов конструкции быстроходных гусеничных машин на основе отстройки параметрических резонансов нелинейных систем.

Разработка методов прогнозирования и обоснование направлений снижения динамической нагруженности элементов энергосилового блока на ранних стадиях проектирования быстроходных гусеничных машин создаст предпосылки разработки энергосиловых блоков с требуемым ресурсом.

Этапы и суть работ, выполняемых в рамках проекта:

1. Разработка новых моделей, позволяющих учесть реальное состояние объектов при исследовании динамики управляемого движения, позволит определять фазовые частотные характеристики и синтезировать регуляторы на основе новых информационных технологий. Экспериментальные исследования параметров динамики управляемого движения машин выполняются с использованием информационно-измерительного комплекса, реализующего технологии глобального позиционирования.
2. На основе анализа экспериментальных данных обосновывается гипотеза о причинах дестабилизации траектории при прямо и криволинейном движении, в том числе из-за случайного характера вариации параметров конструкции машины. В дальнейшем строится расчетная схема движения машины с асимметричной характеристикой упругости элементов, в которой возмущающие силы формируются волновыми процессами в движителе. В соответствии с расчетной схемой разрабатывается математическая модель вращательного движения корпуса машины в виде стохастического дифференциального уравнения. Условия устойчивости системы, эволюция которой представляет собой диффузионный Марковский процесс, будет определяться теоремами о стохастической устойчивости.
3. Прогнозирование и обоснование направлений снижения динамической нагруженности энергосилового блока на установившихся и переходных режимах работы ведется на основе численного моделирования в современных программных пакетах. Исключение резонансных режимов осуществляется на основе синтеза низкочастотных фильтров. Способ повышения виброзащитных свойств гибридной энергосиловой установки транспортной машины, заключается в определении возмущающих основных моторных гармоник момента теплового двигателя и собственных частот энергосиловой установки, построении совместной частотной диаграммы теплового двигателя и трансмиссии в функции оборотов вала двигателя, прогнозировании условий возбуждения резонансов по области совпадения частот вынужденных и собственных, определении требуемых параметров упруго-диссипативной характеристики и выборе типа гасителя, устанавливаемого на маховике двигателя. Этот способ отличается тем, что дополнительно определяется амплитудно-частотная характеристика угловых ускорений на массах системы и при их превышении допустимым на ротор электромашины со стороны входного вала трансмиссии устанавливается дополнительный антивибратор, параметры которого выбираются из условия гашения колебаний в системе при пуске-останове теплового двигателя и при его работе на низких оборотах. Снижение динамической нагруженности при переходных процессах осуществляется за счет разработки оптимального управления.
4. При исследовании и отстройке параметрических колебаний разрабатывается алгоритм определения области устойчивости параметрических колебаний в существенно нелинейных системах транспортных машин, обосновываются направления отстройки параметрических резонансов:

• обоснование актуальности решения задачи;
• построение расчетной схемы и разработка математической модели системы;
• формализация нелинейных функций на основе экспериментальных данных и гармоническая линеаризация системы;
• определение функции параметров глубины модуляции одного из периодически изменяющихся параметров системы, отношения частот собственной системы к частоте возмущения;
• приведение математической модели системы к виду дифференциального уравнения Матье, получение выражений для определения ординаты и абсциссы диаграммы Айнса-Стретта через параметры системы;
• построение на диаграмме Айнса-Стретта функции исследуемой системы и определение чередующихся областей устойчивости и неустойчивости системы, в том числе наиболее вероятных резонансных режимов параметрических колебаний;
• установление требуемой функции, обеспечивающей расширение зоны устойчивости (снижение вероятности возбуждения резонансных режимов);
• разработка технических предложений по вариации параметров системы, исключающих резонансные режимы (параметр глубины модуляции, коэффициент отстройки или изменение диссипативных свойств системы);
• оценка эффективности предложенных технических решений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРТИЗЫ 

Дата проведения экспертизы: март 2017 г. 

Экспертиза проводилась экспертами следующих организаций: 

ФГАОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева», ФГБОУ ВО «МАИ (НИУ)», ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет», ФГБУ «3 ЦНИИ» МО РФ, РАРАН.

Вывод экспертизы:

Открытие в рамках государственного оборонного заказа НИР «Разработка расчётно-экспериментальных методов исследования динамики управляемого движения быстроходных гусеничных машин на основе новых информационных технологий и снижения динамической нагруженности энергосилового блока машин путём синтеза низкочастотных фильтров и оптимального управления переходными процессами» целесообразно только с более широким кругом задач, например, возможное название НИР, соответствующее расширенному перечню задач − «Исследования в обеспечение повышения подвижности быстроходных гусеничных машин и надежности работы энергосиловых блоков в интересах Вооруженных Сил Российской Федерации».

Недостатки, рекомендации и замечания экспертов:

• в проекте слабо отражено сравнение преимуществ и недостатков существующих в России и за рубежом подходов к решению данной проблемы;
• нет описания постановки задачи математического моделирования, граничных условий, исходных данных, оценки достоверности полученных результатов с экспериментальными результатами, что не позволяет оценить целесообразность выбранного математического аппарата исследований;
• недостаточно полно описана материально-техническая база заявителя (в части наличия научно- исследовательского оборудования);
• не учтены характеристики системы подрессоривания БГМ и воздействия неровностей дорожного покрытия на колебания ее корпуса.

28 августа 2018г.  
Источник: ГУНИД Минобороны РФ 

Справка 

Проработка проектов для достижения целей экспертизы проводилась несколькими методами, а именно эвристическим (заключения экспертов, организаций и заинтересованных органов военного управления), измерительным и регистрационным (проведение апробации или оценочных испытаний). 

Более 340 перспективных инновационных разработок и технологий предварительно были отобраны специалистами органов военного управления, научно-исследовательских организаций и военно-учебных заведений Минобороны России в период проведения форума "АРМИЯ-2017". 

Посмотреть все проекты можно в блоге ГУНИД Минобороны на нашем сайте.