Автоматизированный электромеханический стенд для полунатурных испытаний буксируемых измерителей коэффициента сцепления Друян, Евгений Васильевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор конструкций и колесных схем буксируемых и встраиваемых в автомобиль установок непрерывного измерения коэффициента сцепления транспортных колес с наземными покрытиями с позиций требуемых конструкций стендов для испытаний их шасси в лабораторных условиях ... 25

1.1. Мобильные установки для измерения коэффициента сцепления, имеющие механическую передачу между измерительным и транспортными колесами 27

1.2. Мобильные установки аэродромного обслуживания, осуществляющие гибкое регулирование тормозных и скоростных режимов измерительного колеса 46

1.3. Выводы по главеї 57

2. Обзор, анализ и классификация испытательных стендов для исследования транспортных средств 60

2.1. Разделение динамометрических испытательных стендов на классы по составу испытуемого объекта 75

2.1.1. Моторные стенды 75

2.1.2. Колесные стенды 76

2.1.3. Стенды с прямым приводом 80

2.2. Разделение динамометрических испытательных стендов на подклассы по типу нагрузочного устройства 82

2.2.1. Инерционные стенды 82

2.2.2. Силовые стенды и их нагрузочные устройства 83

2.3. Динамометрические структуры. Динамометрическая организация стендов для получения силовых характеристик транспортных средств 85

2.3.1. «Балансирно подвешенный статор» 86

2.3.2. Датчик крутящего момента 88

2.3.3. Прямое измерение силы 91

2.3.4. Инерционная динамометрическая структура 93

2.3.5. Косвенное определение момента посредством измерения силы натяжения цепи или ремня 94

2.3.6. Определение момента по току 94

2.4. Выводы по главе 2 95

3. Разработка конструкции испытательного стенда 97

3.1. Формулировка требований к облику испытательного стенда 97

3.1.1. Область применения формулировки 98

3.1.2. Общие характеристики 98

3.1.3. Функциональные характеристики 99

3.1.4. Функциональные характеристики системы охлаждения 102

3.1.5. Маркировка 103

3.1.6. Характеристики конструкции 103

3.2. Конструкция шасси испытательного стенда 105

3.2.1. Семейство электромеханических аэродромных тормозных тележек, для которых разрабатывается испытательный стенд 105

3.2.2. Разработка конструкции шасси испытательного стенда 108

3.3. Выводы по главе 3 122

4. Информационно-управляющая система 124

4.1. Разработка компьютерного пульта управления и индикации для управления процессами испытаний 126

4.1.1. Основные функции пульта управления и индикации, реализующего высший уровень информационно-управляющей системы... 126

4.1.2. Описание пользовательского интерфейса программы и ее возможностей по управлению испытательным комплексом 127

4.1.3. Пульт управления и индикации. Выбор, обоснование и описание комплектующих 128

4.2. Разработка микроконтроллерного управления приводом стенда и связи с компьютером оператора 131

4.3. Электрический шкаф управления 135

4.4. Выводы по главе 4: 140

5. Построение математической модели и адаптивных систем управления динамическими процессами испытательного комплекса 142

5.1. Предварительные замечания 143

5.2. Математическая модель динамики электромеханического испытательного комплекса 148

5.3. Постановка задач управления динамикой испытательного электромеханического комплекса и обсуждение путей их решения 155

5.4. Методика построения беспоисковых (аналитических) адаптивных систем управления с параметрической настройкой для нелинейных динамических объектов с функционально-параметрической неопределенностью 158

5.4.1. Базовые структуры прямых адаптивных законов с параметрической настройкой и мажорирующими функциями 159

5.4.2. Упрощенные прямые адаптивные системы с параметрической настройкой и мажорирующими функциями 166

5.5. Методика построения модального и адаптивного управления многомассовыми нелинейными упругими механическими объектами 168

5.5.1. Математические модели многомассовых нелинейных упругих механических объектов 168

5.5.2. Прямая адаптивно-модальная система с параметрической настройкой, мажорирующими функциями и наблюдателем для управления

многомассовым нелинейным упругим механическим объектом 176

5.6. Построение адаптивных систем автоматического управления движением электромеханического испытательного комплекса 181

5.6.1. Построение первого варианта адаптивной системы управления 181

5.6.2. Построение второго варианта адаптивной системы управления 187

5.7. Числовой расчет подчиненной модальной и адаптивной систем управления скоростью барабанного имитатора движения поверхности покрытия 192

5.7.1. Исходные данные двухмассового упругого электромеханического объекта 192

5.7.2. Расчет двухконтурной системы подчиненного управления скоростью барабана с жесткой связью и эталонной моделью 193

5.7.3. Расчет модальной системы управления скоростью барабана с учетом упругости 194

5.7.4. Расчет адаптивного управления скоростью барабанного имитатора с учетом упругости 198

5.8. Исследование режимов стабилизации скорости барабанного имитатора с подчиненным, модальным и адаптивным управлением 199

5.9. Выводы по главе 5 205

6. Методический комплекс стендовых испытаний электромеханических измерителей коэффициента сцепления непрерывного действия нового поколения в лабораторных условиях 206

6.1. Методика стендовых сертификационных испытаний электромеханических измерителей коэффициента сцепления непрерывного действия нового поколения в лабораторных условиях 206

6.1.1. Эксплуатация 207

6.1.2. Программа испытаний 209

6.1.3. Испытания 212

6.1.4. Методика испытаний установки с электромеханическим устройством торможения 216

Наличие органов управления с визуальной индикацией: 231

6.1.5. Оценка изделия по результатам испытаний 238

6.1.6. Оформление результатов испытаний 239

6.2. Методика метрологического обслуживания (Методические указания по калибровке) мобильного электромеханического измерителя коэффициента сцепления (ИКС-2) на барабанном динамометрическом стенде. Программное и аппаратное обеспечение калибровки 240

6.2.1. Общие требования к проведению калибровки мобильного электромеханического измерителя коэффициента сцепления наземных покрытий на барабанном стенде 242

6.2.2. Подготовка к проведению калибровки комплекса на барабанном стенде 242

6.2.3. Проведение калибровки мобильного электромеханического измерителя КС на барабанном стенде. Алгоритмическое и программное обеспечение калибровки 245

6.2.4. Определение погрешности измерения коэффициента сцепления 247

6.2.5. Оформление результатов калибровки 248

6.2.6. Завершение калибровки мобильного комплекса 248

6.3. Дополнительные методики 249

6.3.1. Инерционная динамометрическая структура 249

6.3.2. Косвенное определение момента посредством измерения силы натяжения цепи или ремня 250

6.3.3. Определение момента по току 258

6.4. Выводы по главе 6 264

Заключение 267

Список источников 268

Приложение 1 281

• Мобильные установки аэродромного обслуживания, осуществляющие гибкое регулирование тормозных и скоростных режимов измерительного колеса
• Семейство электромеханических аэродромных тормозных тележек, для которых разрабатывается испытательный стенд
• Разработка микроконтроллерного управления приводом стенда и связи с компьютером оператора
• Базовые структуры прямых адаптивных законов с параметрической настройкой и мажорирующими функциями

Введение к работе

Актуальность работы.

Коэффициент сцепления (КС) поверхности наземного покрытия, определяющий меру сцепления ее с колесами транспортного средства, во всем мире является предметом исследования и производства работ по его измерению и увеличению на поверхности взлетно-посадочных полос (ВПП) аэродромов и автодорожных покрытий путем нанесения поперечных насечек и применения высокофрикционных материалов в целях повышения безопасности посадки воздушных судов и движения транспортных перевозок.

Предпосадочное измерение свойств сцепления поверхности покрытий с колесами воздушных судов осуществляется в настоящее время в аэропортах всего мира путем прокатывания с постоянным скольжением измерительных колес с помощью мобильных (буксируемых или самоходных) установок.

Разработка методов измерения коэффициента сцепления и реализующих их технических средств осуществлена с начала 1960-ых годов трудами многих отечественных и зарубежных ученых и инженеров, в том числе таких, как Печерский М. А., Дубовец А. М. Иваница Е. В., Глуховский В. Н., Булах А. И., Андриади Ф. К., Котвицкий А. Ф., Васильев А. П., Кизима С. С., Каазик А. И., Кейн В. М., Сегал Я. С., Максимовский В. А., Елисеев Б. М., Ивантев А. М., Тырса В. Е., Кельман И. И., Лакатош Ю. А., Рахубовский Ю. С., Журавлева С. Н., Орловская Г. В., Коссый Я. А., Транквиллевский В. Г., Порубай В. В., Аргунов С. Е., Медрес Л. П., Шестопалов А. А., Щербаков В. В., Путов В. В., Низовой А. В., Петров Н. П., B. Флорман, Tomas Yager, Gosta Kullberg, Olle Nordstrom, Goran Palmkvist, Ottar Kollerud, Ragnar Malcus, Sven Edvin, Oddvard Johnsen, Hurson James и др. Мировым лидером в этой области является шведская компания ASFT (Airport Surface Friction Tester). Мобильные установки этой копании используют более 200 аэропортов Европы и Америки. Все установки ASFT содержат электрогидравлический подъемный механизм измерительного колеса с системой, обеспечивающей постоянное давление прижима его к покрытию. Еще одним конкурентным продуктом на мировом рынке является буксируемая установка модели Skiddometer BV 11, выпускаемая финской компанией «Patria Industries Oyj». Она легка в использовании наземным персоналом, надежна в обслуживании и неоднократно на международных конференциях-выставках признавалась лучшим измерителем в мире. Видное место занимают также установки Grip Tester и Mu-Meter английских компаний Tradewind Scientific и Specialist Electronic Services соответственно, оборудованные электронными измерительными системами с компьютерным управлением. Все вышеперечисленные установки обыкновенно снабжаются современными системами компьютерной обработки информации и радиопередачи данных в диспетчерскую службу аэропорта в режиме реального времени, датчиками пройденного расстояния, мониторами и принтерами. Всего насчитывается около двух десятков марок измерителей КС, прочно закрепившихся на мировом рынке.

На российских аэродромах гражданской авиации уже более 30 лет находится единственное национальное средство измерения коэффициента сцепления - буксируемая аэродромная тормозная тележка АТТ-2, представляющая собой простую реализацию принципа механического подтормаживания в виде двухколесного прицепа с ведущим и измерительным колесами разных диаметров, чем и обеспечивается постоянное скольжение измерительного колеса относительно ведущего, равное отношению разности диаметров колес к большему диаметру ведущего колеса. Тензометрические значения коэффициента сцепления в АТТ-2 усиливаются и отображаются стрелочным прибором и регистрируются оператором, который следит за его показаниями. Очевидно, что такая установка в настоящее время уже не удовлетворяет международным стандартам, глубоко морально устарела и требует замены. Компания «АвтоВАЗ» пыталась освоить возникшую отечественную нишу, разрабатывая измеритель сил трения "Лада-Аэро", устанавливаемый на усиленном автомобиле ВАЗ-2108, но так и не приступила к его серийному производству.

Несовершенство существующего государственного парка мобильных средств непрерывного контроля фрикционных свойств аэродромных и автодорожных покрытий отчасти объясняется также и общим и необходимым как для зарубежных, так и для национальных продуктов требованием, затрудняющим их доступ на российский рынок - обязательной государственной сертификацией.

На кафедре САУ СПбГЭТУ совместно с предприятиями ООО «НПК «Созвездие» (г. СПб) и ОАО «Ковровский электромеханический завод» (г. Ковров) разработан электромеханический буксируемый измеритель коэффициента сцепления непрерывного действия нового поколения, прошедший полный цикл обязательных сертификационных испытаний и получивший государственный сертификат типа изделия, а также разрабатываются его новые модификации, требующие сертификации.

Международные требования к средствам измерения коэффициента сцепления колеса с поверхностью ВПП сформулированы Федеральным управлением гражданской авиации США FAA (Federal Aviation Administration) и Международной организацией гражданской авиации ICAO (International Civil Aviation Organization) и приняты руководством по эксплуатации гражданских аэропортов РФ (РЭГА). Сертификационные требования к каждому типу измерительных средств, применяемых в гражданских аэропортах Российской Федерации, вырабатываются Межгосударственным авиационным комитетом (МАК) и разработчиками и производителями измерителей КС.

Однако существующие исследования в области разработки и сертификации измерителей коэффициента сцепления, проводимые такими организациями, как ФГУП ГПИ и НИИ ГА "АЭРОПРОЕКТ" (Москва), МАК и ООО «Центр Авиаметрология и Сертификация» (Москва), показывают, что прохождение сертификационных испытаний в полевых условиях, как предполагает «Программа и методика сертификационных испытаний», утвержденная Советом Комиссии МАК по сертификации аэродромов и оборудования, в полной мере затруднено и даже невозможно, несмотря на значительные вложение финансовых средств и временные затраты.

В диссертационной работе предлагается оптимизировать дорогостоящие и труднореализуемые полевые (аэродромные или дорожные) сертификационные испытания путем частичной замены их стендовыми. Стендовые испытания в области транспорта давно уже вошли в практику и известны благодаря работе таких предприятий и специалистов, как ГОУ ИрГТУ, ГОУ ВПО "МАДИ", ИрГУПС (ИрИИТ), ООО НФ "Спектрон", ГОУ ВПО "Братский государственный университет", Taylor Dynamometer Co. Ltd, Land & Sea Inc., Dynojet Research Inc., ProBike Ltd, Tianbo Co. Ltd, Портнягин Е. М., Березин В. С., При- ходько В. М., Цвик Л. Б., Логинов Ю. В., Мазур В. В., John Taylor и др. В рамках данной диссертационной работы разрабатывается техническое, методическое, программное и аппаратное обеспечение сертификационных и других испытаний электромеханических измерителей нового поколения коэффициента сцепления искусственных аэродромных и автодорожных покрытий в лабораторных условиях и рассматриваются актуальные задачи разработки уникального испытательного комплекса для полунатурных испытаний электромеханических измерителей коэффициента сцепления нового поколения, что в конечном итоге должно послужить повышению безопасности транспортных перевозок.

Цель диссертационной работы - создание, исследование и практическая реализация автоматизированного электромеханического испытательного лабораторного комплекса для полунатурных исследований нового поколения электромеханических мобильных измерителей коэффициента сцепления аэродромных и автодорожных покрытий.

В диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи:

1. Разработать облик и эскизную компоновку стенда испытаний мобильных электромеханических установок для непрерывного измерения коэффициента сцепления покрытий и выполнить его конструкторскую, электротехническую и технологическую проработку для изготовления экспериментального образца.

1. Разработать математическую модель динамических процессов стендовых испытаний электромеханического торможения колеса, учитывающую нелинейные упругие свойства пневматической шины и трансмиссий, падающий участок сухого трения и взаимосвязанность динамического поведения управляемого барабанного имитатора движения и измерительного колеса с электромеханическим устройством торможения.

2. Построить и исследовать адаптивную систему автоматического управления скоростью барабанного имитатора движущейся поверхности покрытия (имитатора движения).

3. Разработать облик, функциональную схему, конструкторское, схемотехническое, алгоритмическое и программное обеспечение информационно-управляющей компьютерной системы стендовых испытаний и изготовить ее экспериментальный образец на базе панельного промышленного компьютера.

4. Разработать методику проведения на базе стенда полунатурных сертификационных испытаний мобильных электромеханических измерителей коэффициента сцепления в лабораторных условиях.

Методы исследования. Результаты диссертационной работы получены в рамках методов электротехники, электромеханики и электроники, беспоисковых методов построения адаптивных систем управления нелинейными динамическими объектами, базирующихся на их приближенных с мажорирующими функциями математических моделях, алгебраических методов теории систем, уравнений Лагранжа и малых колебаний упругих систем, компьютерных методов исследования (моделирования) на базе стандартных программных продуктов, методов проектирования, конструирования и экспериментального исследования образцов электронных и микроконтроллерных плат и механических конструкций, методик сертификационных испытаний аэродромной техники.

Научные положения, выносимые на защиту:

4. 1. Облик и эскизная компоновка стенда для испытаний мобильных электромеханических установок для непрерывного измерения коэффициента сцепления покрытий.

   2. Математическая модель динамических процессов стендовых испытаний электромеханического торможения колеса, учитывающая нелинейные упругие свойства пневматической шины и трансмиссий, падающий участок сухого трения и взаимосвязанность динамического поведения управляемого барабанного имитатора движения и измерительного колеса с электромеханическим устройством торможения.

   3. Адаптивная система автоматического управления скоростью барабанного имитатора движущейся поверхности покрытия.

   4. Облик, функциональная схема, схемотехническое, алгоритмическое и программное обеспечение информационно-управляющей системы стендовых испытаний на основе панельного промышленного компьютера и микроконтроллера.

   5. Методика проведения испытаний мобильных электромеханических измерителей коэффициента сцепления в лабораторных условиях на базе разработанного стенда.

   Новизна результатов работы:

   4. 5. 1. Облик и эскизная компоновка барабанного испытательного стенда, отличающегося тем, что впервые объектом стендовых испытаний являются мобильные установки измерения коэффициента сцепления.

         2. Математическая модель динамических процессов стендовых испытаний электромеханического торможения колеса, отличающаяся тем, что в ней учитываются нелинейные упругие свойства пневматической шины, падающий участок сухого трения (эффект Штрибека), а также взаимосвязанность динамического поведения управляемого барабанного имитатора движения и измерительного колеса с электромеханическим устройством торможения.

         3. Адаптивная система автоматического управления скоростью барабанного имитатора движения, учитывающая нелинейные динамические особенности разработанной математической модели и построенная на базе прямых беспоисковых алгоритмов, нелинейно параметризованных с помощью так называемых мажорирующих функций.

         4. Облик, функциональная схема, схемотехническое, алгоритмическое и программное обеспечение информационно-управляющей системы, реализуемой на базе сенсорного панельного компьютера, отличающейся самостоятельной эргономической компоновкой, интеграцией в стойке управления и применением к уникальному стенду.

         5. Методика проведения испытаний мобильных электромеханических измерителей коэффициента сцепления, отличающаяся тем, что в ней (впервые в мировой практике) предложено применить стендовые полунатурные колесные испытания к измерителям коэффициента сцепления.

         Обоснованность и достоверность полученных научных и практических результатов. Обоснованность и достоверность результатов диссертационной работы в построении математических моделей и адаптивной системы автоматического управления процессами работы испытательного комплекса обусловливается корректным применением перечисленных выше методов исследования. Достоверность результатов работы по созданию схемотехнического, алгоритмического и программного обеспечения испытательного комплекса подтверждается результатами разработки и макетной отладки на базе экспериментального образца стенда электронных схем силовой и управляющей электроники электрошкафа управления и информационно-управляющей системы стендовых испытаний, выполненной на базе панельного промышленного компьютера.

         Значимость полученных результатов для науки и практики

         Теоретическая значимость работы состоит в построении взаимосвязанного и децентрализованного вариантов адаптивных систем, основанных на разработанной математической модели, учитывающей особенности нелинейной взаимосвязанной динамики испытательного комплекса, состоящего из управляемого барабанного имитатора движения и измерительного колеса с электромеханическим устройством торможения, связанных друг с другом через посредство упругого пневматика колеса, проскальзывание которого по поверхности барабана носит «срывной» характер, соответствующий сухому трению с падающей характеристикой, а также учитывающей нелинейные свойства электромагнитной динамики двухмашинного тормозного электромеханического каскада взаимной нагрузки, управляемого по возбуждению одной из электрических машин каскада.

         Практическая ценность работы состоит в том, что результаты диссертационной работы по созданию уникального электромеханического испытательного стенда, состоящего из барабанного имитатора движения колеса по наземному покрытию, реализованного на базе привода постоянного тока и средств силовой и управляющей электроники, автоматизированной информационно-управляющей системы, реализованной на базе промышленного компьютера TPC 1260H в виде стойки пульта управления, механической конструкции, реализованной в виде платформы шасси стенда как средства для испытаний и метрологического обслуживания аэродромного измерительного оборудования, представленного электромеханическими измерителями коэффициента сцепления непрерывного действия нового поколения, послужили основой для промышленного изготовления испытательного стенда.

         Реализация результатов работы. Теоретические положения и практические результаты диссертационной работы использованы в 6 НИР и НИОКР, выполненных при участии автора в течение 2006 - 2012 г.г. и финансированных из федерального бюджета, Правительства Санкт-Петербурга и министерств образования и науки и обороны и внебюджетных источников. Разработка внедрена в учебный и научно-исследовательский процессы. Испытательный участок учебно-научной лаборатории «Мехатронные комплексы подвижных объектов и мобильные установки аэродромного обслуживания», созданной при кафедре САУ СПбГЭТУ, основой которого является разработанный стенд, готов к проведению широкого спектра испытаний, и уже сейчас в нем проводятся эксперименты и демонстрационные испытания в рамках учебного и научно-исследовательского процессов; подготовлена и сертифицирована программы переподготовки и повышения квалификации специалистов аэродромных служб по эксплуатации и обслуживанию мобильных элек
         тромеханических метрологических комплексов, которая содержит, в том числе, и занятия с применением стендового оборудования для испытаний электромеханических измерителей коэффициента сцепления; программное обеспечение информационно-управляющей системы стенда защищено свидетельствами об официальной регистрации №№ 2010615788, 2011610867 и 2011615351.

         Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты диссертации были доложены и получили одобрение на 12 международных и всероссийских научно-технических конференциях, в том числе: на XIV-XXI всероссийских научно-техн. конф. «Экстремальная робототехника» (2006 - 2010 годы, г. Санкт-Петербург), на IX-XIII межд. конф. и выставках «Современные методики контроля и восстановления искусственных покрытий аэродромов и автомобильных дорог» (2006 - 2010 годы, г. Санкт- Петербург), межд. научно-техн. конф. «Наука, образование и общество в XXI веке», (СПб, 2006 г.), Первой Российской мультиконференции по проблемам управления, (СПб, 2006 г.), конф. молодых ученых «Навигация и управление движением» (СПб, 2007 г.), межд. конф. по интегрированным навигационным системам (СПб, 2007), VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (СПб, 2007), на 3-5 Всероссийских научно- техн. конф. «Мехатроника, автоматизация, управление» (2005-2007 г., г. Санкт- Петербург), на внутривузовских научно-технических конференциях в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2005-2010 гг., а также на научных семинарах кафедры систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

         Публикации. Основные положения, теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 25 работах, среди которых 6 публикаций в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 2 методических работы, 12 докладов; 5 свидетельств регистрации программ ЭВМ.

         Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав с выводами и заключения. Она изложена на 146 страницах основного машинописного текста, включает 140 рисунков, 2 таблицы и список источников из 99 пунктов.

         Мобильные установки аэродромного обслуживания, осуществляющие гибкое регулирование тормозных и скоростных режимов измерительного колеса

         Она аналогична колесной схеме установки «Ford Taurus - Runway Friction Tester» компании «ASFT», представленной на рисунке 1.8, за тем только исключением, что в данной установке применена «сликовая» шина, то есть гладкая шина без рисунка протектора, что видно на фотографии (Рисунок 1.9, справа) и отражено в колесной схеме.

         Установки «Dynatest 6875 Runway Friction Tester» и «Dynatest 6875Н Highway Slip Friction Tester» аналогичны автомобильным установкам компании «ASFT» и представляют собой переднеприводный автомобиль, на задней оси которого устанавливается передаточный механизм (редуктор и цепная передача) и измерительное «пятое колесо», движущееся относительно ведущих колес с 10% проскальзыванием.

         Буксируемые установки компаний «ASFT» и «Dynatest» содержат бортовой контроллер, цветной принтер, панель управления, монитор, электрогидравлический подъемный механизм измерительного колеса с системой, обеспечивающей постоянное давление прижима его к ВПП, тензометрическии датчик для измерения момента трения, датчик положения измерительного колеса, а также систему имитации мокрой поверхности ВПП. Все установки снабжены современной компьютерной системой сбора и обработки информации, а также системой радиопередачи данных в режиме реального времени в диспетчерскую службу аэропорта.

         Однако такие установки, являющиеся с точки зрения компьютерной автоматизации наиболее современным воплощением механического принципа принудительного замедления измерительного колеса, являются настолько дорогостоящими (до 200 тыс. долларов США), что оснащение установками «ASFT» и «Dynatest» небольших аэропортов представляется для последних чересчур обременительным.

         В мире существуют и другие (менее дорогостоящие) разработки систем измерения коэффициента сцепления с поверхностью ВПП, реализующие принцип механического подтормаживания измерительного колеса с постоянным скольжением.

         Автомобильная установка «Lada-Aero» (рисунок Ошибка! Источник ссылки не найден.) [8-10] российской компании «АвтоВаз» предназначена для оперативной оценки и регистрации состояния аэродромных покрытий по следующим параметрам: а) величина коэффициента сцепления пневматического колеса с плоскостью покрытия; б) скорость движения, при которой начинается аквапланирование подторможенного колеса.

         Автомобиль «Lada-Aero» имеет колесную схему, настолько напоминающую колесную схему установок ASFT «Saab 9-5 Wagon», «Ford Taurus» и других (рисунок 1.8), что, вероятно, сама «Lada-Aero» является попыткой скопировать и развитием проекта ASFT «Saab». На автомобиле установлена лабораторная аппаратура документальной регистрации коэффициента сцепления. Она включает в себя перепрограммируемый компьютер и печатающее устройство. Сигналы от тензодатчиков дают информацию об измеряемом моменте и тормозном усилии, сигналы от трансмиссии о скорости и пройденном расстоянии. Обработанная информация записывается на бумажной ленте в виде кривой изменения величины коэффициента сцепления. Измерительное колесо соединено с полуосями через специальный редуктор, который обеспечивает постоянное проскальзывание со значением 12%.

         Разработка «Lada-Aero» не сертифицирована и не введена в эксплуатацию из-за неточности измерений в силу плохой настройки системы гидронажима на измерительное колесо [11].

         Для имитации функционирования автомобильных установок «Ford Taurus - Runway Friction Tester», «Dynatest 6875 Runway Friction Tester», «Dynatest 6875H Highway Slip Friction Tester», «Lada-Aero» и других аналогичных конструкций на стенде потребуется три индивидуальных барабана либо один ролик под два транспортных колеса и барабан под измерительное. Все вращающиеся элементы опорной поверхности должны иметь принудительно уравненную линейную скорость. Кроме того, платформа стенда должна обеспечивать достаточную грузоподъемность и геометрическую «помещаемость» легкового автомобиля. Последнее замечание касается всех автомобильных установок и делает создание механической части комплекса стендовых испытаний для них очень ресурсоемким.

         Еще одним продуктом шведской компании «ASFT» (Airport Surface Friction Tester) класса CFME является T2GO Friction Tester - ручной измеритель КС (рисунок 1.12) [12]. Тормозная динамометрическая схема -классическая, как и в остальных моделях компании; используется очень технологичное новшество - не требующий смазки и другого обслуживания кевларовый ремень. Устройство распространено нешироко, вероятно, в том числе и из-за субъективно воспроизводимой нормальной нагрузки и низкой непостоянной скорости и обусловленной ими погрешности. T2GO Friction Tester, вероятно, самое маленькое из существующих CFME устройств.

         На рисунке 1.13 представлена колесная схема установки T2GO компании ASFT. На ней отражены два колеса измерительного устройства, для которых используются шины меньшего размера, чем стандартные Trelleborg Unitester 520 Aero 4.00x8. Для стендовых испытаний T2GO потребовалась бы барабанная секция из двух индивидуальных барабанов. Кроме того, миниатюрные размеры устройства позволяют предположить вариант установки обоих колес на один барабан большого диаметра, например, от 1,5 м. Но специфика работы этого устройства делает его стендовые испытания просто ненужными: небольшая скорость прокатывания и, следовательно, небольшие дистанции позволяют легко испытать его в натурных условиях. Пробные замеры T2GO проводятся в помещениях на линолеумных, бетонных и других напольных сухих и влажных покрытиях. Буксируемая установка Т-10 (рисунок 1.14) [13] является еще одним продуктом компании ASFT. Она имеет классические для компании устройства торможения и измерения.

         Семейство электромеханических аэродромных тормозных тележек, для которых разрабатывается испытательный стенд

         Динамометрические стенды по типу нагрузочного устройства делятся на инерционные и силовые (другой термин - нагрузочные). Это разделение не накладывает никаких ограничений на их принадлежность к классам, соответствующим составу испытуемых образцов. Поэтому приведенное ниже описание колесных стендов может в равной мере быть отнесено и к моторным и к стендам с прямым приводом.

         В инерционных стендах нагрузка силовых агрегатов испытуемого образца формируется инерцией присоединенных вращающихся масс. Благодаря простоте и дешевизне конструкции такие стенды снискали самое широкое распространение.

         Инерционный стенд представляет собой пространственную конструкцию, на которую устанавливается испытуемое транспортное средство. На рамной оси (-ях), свободно вращаются один или несколько массивных металлических барабанов. Количество барабанов зависит от области применения стенда, применяемых схем спаренных и неспаренных барабанов и характеристик испытуемого образца - количества осей, ведущих колес и т. д.

         Преимущества инерционного стенда: простота (и дешевизна) конструкции, простота калибровки, возможность расчета потерь на трение в трансмиссии, возможность оценки качества сборки или степень обкатанности двигателя.

         Недостатки инерционного стенда: отсутствие работы в статическом режиме (на постоянных оборотах, моменте), низкая точность измерения при небольшом отношении инерции стенда к мощности двигателя (из-за малого времени раскрутки).

         На инерционных стендах измеряют время, путь или ускорение разгона барабанов в заданном интервале скоростей. Тяговая характеристика автомобиля может быть получена в виде зависимости угловой скорости вращения масс стенда и реактивного момента инерции, возникающего при разгоне на нем автомобиля последовательно на всех передачах. В качестве диагностических параметров вместо мощности могут использоваться, следовательно, время, путь и ускорение разгона или тяговая сила. Настройка стенда на соответствующую мощность может осуществляться изменением набора присоединенных вращающихся масс (см. рисунок 3.2).

         Силовой (другой термин - нагрузочный) стенд представляет собой конструкцию, схожую с инерционным стендом, разница заключается в том, что барабаны имеют меньшую массу, а «тормозит» барабан специальное управляемое устройство. Оно может быть электрическим, гидравлическим или фрикционным. Компьютерное управление строится таким образом, чтобы заставить двигатель транспортного средства работать на постоянных оборотах при определенных открытиях дросселя. Такой статический режим работы с двигателем позволяет наиболее тонко настроить системы питания и зажигания, изучить процессы, происходящие в моторе.

         Нагрузочные устройства силовых стендов выполняют в виде механического, гидравлического или электрического тормоза. Механическим нагрузочным устройством является дисковый (или колодочный) тормоз. Диск связан с одним из барабанов, колодки закреплены на качающейся тормозной стойке, при отклонении которой тензометрическии датчик косвенно замеряет величину тормозного момента стенда, а, следовательно, и тягового момента на колесах автомобиля.

         Гидротормоз достаточной мощности имеет компактные размеры и может быть размещен в одном из барабанов стенда. Обычно изменение нагрузки обеспечивается регулированием подачи воды или другой, рециркулируемой, рабочей жидкости, а крутящий момент определяют по отклонению статора реактивным моментом. Динамометры с гидротормозом хорошо подходят для испытания и в стабильном, и в переходном режиме и известны низкой покупной ценой, малым техническим уходом и надежностью. Выделяемая двигателем мощность поглощается турбулентностью и т. н. реактивным противодавлением, вызываемым специальной конфигурацией взаимодействующих поверхностей ротора и статора. Чем выше расход рабочей жидкости, проходящей через динамометр, тем сильнее тормозное действие или нагрузка. Яркими представителями таких стендов являются гидравлические динамометры компании Taylor Dynamometer (рисунки 2.14, 2.15).

         В качестве электрических нагрузочных устройств используют устройства, основанные на эффектах вихревых токов, индуктивные тормоза и электрогенераторы. Применение электрогенераторов представляется наиболее перспективным, т. к. обеспечивает очень высокую динамику, гибкость и простоту управления. Кроме того, применение обратимой электрической машины в качестве силового агрегата такого типа стендов, которое должно получить широкое распространение в будущем, позволяет не только тормозить, но и наоборот, вращать двигатель испытуемого транспортного средства через трансмиссию. В настоящее время вводят все более жесткие нормы на токсичность выбросов, и производители вынуждены доводить настройки двигателей внутреннего сгорания практически до совершенства. Исследуются не только мощностные режимы, но и такие, как например, движение транспортного средства накатом с закрытым дросселем (режим принудительного холостого хода (ПХХ) или торможения двигателем). Именно этот режим можно смоделировать на стенде с возможностью обратной раскрутки двигателя внутреннего сгорания. Таким образом настраиваются системы рециркуляции отработавших газов, подбирается момент зажигания при ПХХ, момент включения подачи топлива для уверенного перехода двигателя на холостой ход, настраивается работа клапана холостого хода и т. д.

         Преимущества нагрузочных стендов: получение точных результатов во всем диапазоне мощности и крутящего момента, на который рассчитан стенд, возможность «горячей» обкатки двигателя.

         Недостатки нагрузочных стендов: сложная конструкция, размеры, стоимость, необходимость рассеивания энергии, образовывающейся в результате торможения двигателя, сложность замера потерь на трение.

         Разработка микроконтроллерного управления приводом стенда и связи с компьютером оператора

         В этой главе рассмотрим вопросы построения математической модели движения сложного электромеханического испытательного комплекса, состоящего из испытательного стенда с управляемым с помощью электропривода барабанным имитатором и закрепленного на нем в подвесе испытуемого пневматического транспортного колеса с энергообратимым и электромеханическим движителем, выполненным на основе электромеханического каскада встречно включенных электрических машин постоянного тока, управляемого по возбуждению одной из машин.

         В силу неопределенности и нелинейности построенной математической модели динамики испытательного комплекса, полученной в виде нелинейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений 11 порядка с неопределенными правыми частями, указывается на целесообразность решения задачи автоматического управления в рамках беспоискового (аналитического) подхода и, следуя основополагающим работам профессора В. В. Путова (см., например, [66 - 72] и др.), дается краткая справка о методике построения беспоисковых (аналитических) адаптивных систем управления с эталонными моделями и нелинейно параметризованными с помощью, так называемых, мажорирующих функций законами управления и алгоритмами настройки их параметров. Затем, основываясь на изложенной методике и построенной модели, строятся два варианта (объединенной (или полной) и декомпозированной) адаптивных систем автоматического управления испытательным комплексом, характеризующимся нелинейной и неопределенной динамикой и неполной измеримостью с помощью датчиков его переменных состояния. Вопросы расчета и исследования построенных адаптивных систем подробно рассматриваются на примере адаптивной подсистемы управления угловой скоростью барабанного имитатора движущейся поверхности покрытия, приводятся результаты сравнительного исследования моделированием эффективности трех уровней построения системы автоматического управления (САУ): подчиненной двухконтурной САУ; модальной САУ и адаптивной САУ.

         Рассмотрим разработанный в СПбГЭТУ (на кафедре систем автоматического управления) испытательный электромеханический комплекс (см. рисунок 5.1), состоящий из электромеханического испытательного стенда с управляемым барабанным имитатором качения и закрепленной на нем подвеской транспортного колеса с энергообратимым электромеханическим движителем [66 - 68].

         Обобщенная функциональная схема электромеханического комплекса, состоящего из испытательного стенда с барабанным имитатором, управляемым с помощью электропривода постоянного тока, и установленного на нем буксируемой электромеханической установки измерения коэффициента сцепления с закрепленной на ней подвески с испытуемым транспортным колесом с энергообратимым электромеханическим движителем [73], выполненный на основе электромеханического каскада встречно включенных электрических машин постоянного тока, управляемого по возбуждению одной из машин. Его обобщенная схема показана на рисунке 5.2, а кинематическая схема - на рисунке 5.3, и состоит из испытуемого транспортного колеса (ТК), помещенного на стенд и нагруженного нормальной силой FHOpM, ступица которого соединена через редуктор РЕД1 с энергообратимым электромеханическим движителем, выполненным на основе двух электрических машин постоянного тока, включенных по схеме электромеханического каскада взаимной нагрузки, одна из которых (тормозной генератор ТГ) выполнена с постоянным возбуждением обмотки возбуждения ОВТГ, создаваемой опорным напряжением иоп, а другая (нагрузочный двигатель НД) - с независимым возбуждением обмотки возбуждения ОВНД, управляющим через посредство усилителя напряжения УН двигательными и тормозными режимами каскада (см. подробнее [73]). Каскад снабжен первичной системой подчиненного автоматического управления торможением (скольжением) с главной обратной связью по скольжению S транспортного колеса относительно поверхности барабанного имитатора стенда, играющей роль поверхности дорожного покрытия, и внутренними обратными связями по току 1Т торможения якорных цепей каскада и току 1В обмотки возбуждения НД, измеряемых датчиками ДТГ и ДТВ соответственно, Р5, Рт, Рв - передаточные функции (или коэффициенты усиления) с постоянными настройками контурных регуляторов соответственно скольжения и токов торможения и возбуждения, a us, wT и Скольжение S вычисляется по формуле S = (сонк -сотг)со к с помощью блока деления Д и вычислителя разности угловых скоростей со и сотг несущих колес транспорта и вала тормозного генератора, измеряемых датчиками ДСвди ДСТГ, u (t) - задатчик программного скольжения -ПРОГР для проведения испытаний электромеханический каскад отсоединяется от расположенного на буксируемой установке нагрузочного двигателя и присоединяется к аналогичной электрической машине НД, играющей роль нагрузочной и имеющей электропривод, выполненный на базе электрической машины ЭМ1 постоянного тока, управляемой трехфазным мостовым реверсивным выпрямителем УВ2 с обратными связями, реализуемыми датчиком С0дц - угловой скорости ДСВД нагрузочного двигателя НД и датчиком тока I - тока ДТ якорной цепи ЭМ1, измеряемому датчиком ДТ (см. рисунок 5.3). Электромеханический испытательный стенд (см. рисунок 5.3) представляет собой раму и закрепленный на ней пандус-трансформер, позволяющий формировать различные поверхности для опоры несущих колес шасси испытываемых транспортных средств. На раме стенда установлен барабанный имитатор движущейся поверхности покрытия, закрытый крышкой с прорезанным в ней окном, через которое испытуемое транспортное колесо опирается на движущуюся поверхность вращающегося барабана, имитирующего качение колеса. Барабан приводится в движение соединенным с ним через редуктор РЕД2 регулируемым электроприводом, выполненным на базе электрической машины ЭМ2 постоянного тока, управляемой трехфазным мостовым реверсивным выпрямителем УВІ. Электропривод барабана также, как электромеханический каскад снабжен первичной двухконтурной подчиненной системой автоматического управления с главной обратной связью по угловой скорости собар барабана или, что то же, по линейной скорости

         Базовые структуры прямых адаптивных законов с параметрической настройкой и мажорирующими функциями

         Сформулируем задачу управления испытательным электромеханическим комплексом в рамках построенной математической модели его динамики в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений (5.1) - (5.18) следующим образом: построить систему автоматического управления программным движением линГР (0 барабанного имитатора, обеспечивающую (диссипативное) сближение семейства возбуждаемых множеством допустимых программных управлений и\ (7) интегральных кривых (траекторий) дифференциальной системы (5.1) - (5.18) с заданными (эталонными) интегральными кривыми (траекториями) с динамической точностью и быстродействием, близкими к предельным показателям, достигаемым в рамках стандартных систем подчиненного управления электроприводами с одномассовыми («жесткими») полностью измеримыми линейными объектами с известными постоянными параметрами, в условиях реально имеющих место нелинейных многорезонансных (многомассовых) упругих деформаций, возбуэюдающихся при действии программных управлений, нелинейности электромагнитной динамики, неопределенности параметров и нелинейных электрических и механических характеристик и неполной измеримости испытательного комплекса как объекта управления. Поставленную задачу управления целесообразно решать в рамках адаптивного подхода и строить аналитическую (беспоисковую) прямую (с эталонной моделью) адаптивную систему автоматического управления объектом (5.1) - (5.18) с параметрическими алгоритмами настройки и мажорирующими функциями, обеспечивающими ту или иную нелинейную параметризацию неизвестных нелинейных функций в правых частях дифференциальных уравнений (5.1) - (5.18) [77]. Можно указать три варианта решения поставленной задачи управления электромеханическим испытательным комплексом в силу того, что он является объектом управления с двумя скалярными входами: иг (t) и u {t) и может трактоваться как объект, состоящий из двух взаимосвязанных подобъектов, описываемых двумя подсистемами дифференциальных уравнений: первый подобъект седьмого порядка, состоящий из транспортного колеса с управляемым электромеханическим движителем и трехконтурной подчиненной системой управления (14) со скалярным входом "Е И программным управлением wow? описывается уравнениями (5.1), (5.2), (5.8) - (5.14), (5.16) - (5.18); второй подобъект четвертого порядка, состоящий из барабана с управляемым электроприводом движения и двухконтурнои подчиненной системой управления (5.15) со скалярным входом MsvU и программным управлением иоУ)} описывается уравнениями (5.3) - (5.7), (5.15) - (5.18), причем оба подобъекта связаны друг с другом через общую силу трения скольжения, описываемую уравнениями (5.16) - (5.18), общими для уравнений обоих подобъектов. Отметим, что дифференциальные уравнения одномассовых («жестких») подобъектов, упомянутых в постановке задачи управления, могут быть получены для каждого объекта соответствующим упрощением исходных уравнений подобъектов, а именно: первый «жесткий» подобъект описывается упрощенной дифференциальной системой вида Учитывая полученные описания «жестких» подобъектов (5.19), (5.14) и (5.20), (5.15), сформулированную задачу управления можно переформулировать так: построить адаптивную систему автоматического управления линейной (угловой) скоростью барабанного имитатора, обеспечивающую диссипативное сближение динамики нелинейных упругих подобъектов (5.1) - (5.18) с динамикой соответствующих одномассовых «жестких» подобъектов (5.19), (5.14) и (5.20), (5.15) с наперед заданными эталонными показателями точности и быстродействия процессов диссипативного «убывания» ошибок адаптации. Обсудим два основных варианта построения адаптивной системы автоматического управления движением барабанного имитатора электромеханическим испытательным комплексом: первый вариант -построение полной (полноразмерной) адаптивной системы управления объектом управления (5.1) - (5.18) одиннадцатого порядка по входу иТ(і); второй вариант - построение декомпозированной адаптивной системы, состоящей из двух адаптивных подсистем, построенных для каждого из нелинейных упругих подобъектов соответственно седьмого и четвертого порядков по входам иг {t) и иг (t). . Методика построения беспоисковых (аналитических) адаптивных систем управления с параметрической настройкой для нелинейных динамических объектов с функционально-параметрической неопределенностью В этом пункте рассмотрим методы построения беспоисковых (аналитических) адаптивных систем управления многомассовыми нелинейными упругими электромеханическими объектами, базирующиеся на приближенном описании неопределенных нелинейных объектов дифференциальными уравнениями с мажорирующими функциями в правых частях. На основе предлагаемого подхода, названного методом мажорирующих функций, теоретическому обоснованию и исследованию которого посвящены работы профессора В. В. Путова, построим полную и упрощенные прямые адаптивные системы с параметрической настройкой и мажорирующими функциями. Практическое применение данного метода в построении практических систем управления позволяет значительно упростить структуры адаптивных законов и алгоритмов настройки и, следовательно, делает возможным построение легко реализуемых на практике адаптивных регуляторов. Мы будем использовать пакет MATLAB -SIMULINK для моделирования и исследования разрабатываемых систем.

         Похожие диссертации на Автоматизированный электромеханический стенд для полунатурных испытаний буксируемых измерителей коэффициента сцепления

         Разработка и исследование методов и систем управления электромеханическими стендами для испытаний разветвленных трансмиссий в авиационной техникеСвидерский, Сергей Борисович

         Разработка и исследование электропривода стенда для испытания вертолётных трансмиссийХолин, Андрей Владимирович

         

         Разработка алгоритмов автоматизированного цифроаналогового стенда для испытаний систем возбуждения электротехнических комплексовТимощенко Константин Павлович

         Разработка, исследование и промышленное внедрение электромеханических энергосберегающих автоматических стендов для комплексных испытаний трансмиссий летательных аппаратовШмелев, Владимир Александрович

         

         Электрогидроимпульсный стенд для динамических испытаний вагоновКолосовская Нинель Алексеевна

         Инвариантный электромеханический стенд с рекуперацией энергии для испытания механических трансмиссийЗахаренко, Владимир Сергеевич

         

         Улучшение устойчивости движения трехосного полноприводного автомобиля при торможении на поверхности с низким коэффициентом сцепления Пономаренко Владимир Сергеевич

         

         Повышение величины и стабильности коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами путем применения модификаторов трения : На примере электровоза ВЛ-80Лубягов Александр Михайлович

         

         Совершенствование методов исследования безопасности движения с учетом вариативности коэффициента сцепления макрошероховатых дорожных покрытийСухов Алексей Алексеевич

         

         Повышение коэффициента сцепления колес локомотива избирательной дозировкой вводимых в зону контакта магнитных порошков Протасов Александр Васильевич