Трансмиссия для "Арматы"

Предложения по техническому совершенствованию комбинированного механизма поворота быстроходной гусеничной машины.

Юдинцев Д.В., Бадртдинов М.А., АО «УКБТМ»

XXXXIV Всероссийский симпозиум по механике и процессам управления,

23-25 декабря 2014 года, г. Миасс.

В трансмиссиях быстроходных гусеничных машин большое распространение получили бесступенчатые механизмы поворота (МП) с гидрообъемной передачей (ГОП). Они существенно повышают маневренность машины и облегчают управление. Однако при этом для достижения необходимых параметров поворота требуется достаточно высокая установочная мощность ГОП. Это вызывает увеличение габаритов ГОП и обслуживающих его агрегатов.

Применение комбинированных МП позволяет уменьшить потребную установочную мощность ГОП, сохраняя требуемые характеристики поворота.

Схема одного из возможных вариантов комбинированного МП, в котором параллельно ГОП МП имеется механическая ветвь с фрикционами приведена на рис. 1.

Если установочная мощность ГОП достаточна для того, чтобы обеспечить поворот машины на легких и средних грунтах в зоне наиболее представительных радиусов, то фрикцион можно включать дискретно только при крайних положениях штурвала. Таким образом, машина с радиуса поворота, обеспеченного установочной мощностью ГОП, переходит на минимальный

радиус.

Управление включением фрикционов МП организовано наиболее простым образом – при повороте штурвала на максимальный угол дается электрический сигнал на включение фрикциона и через 0,25...0,35 с после включения электромагнита, управляющего золотником, и заполнения бустера фрикциона начинается процесс буксования, который продолжается очень

короткое время (менее 0,05 с). Таким образом, в механизме поворота не предусмотрено регулирование давления управления в бустере фрикциона, следовательно, отсутствует регулирование момента трения и передаваемой мощности. Фрикцион не может быть использован в помощь ГОП при поворотах на промежуточных радиусах. Включение его сразу приводит к повороту изделия с минимальным фиксированным радиусом. Математическое моделирование режимов поворота гусеничной машины показало, что ГОП МП при поворотах на низших передачах на грунтовых дорогах работает с перегрузками. Чтобы избежать длительных перепусков рабочей жидкости через клапан ограничения давления, на ГОП МП установлена внутренняя защита ГОП от перегрузок путем введения пороговой обратной

связи управления поворотом наклонного блока гидронасоса по давлению в рабочих магистралях ГОП (автомат разгрузки). При достижении давлением в ГОП значений 45…48 МПа осуществляется сброс давления управления поворотом наклонной шайбы.

Примененная внутренняя защита ГОП от перегрузок устраняет перегрев его при срабатывании клапана ограничения давления, однако, работая преимущественно в «звонковом» режиме, приводит к развитию в системе автоколебаний с повышенной динамической нагруженностью элементов ГОП и ухудшает управляемость поворотом при движении на тяжелых грунтах. Изделие поворачивается практически в 2 раза медленнее, чем по кинематике МП, и не имеет управляемого поворота в диапазоне радиусов 6…20 м, причем, чем тяжелее грунт, тем выше граница верхнего диапазона.

Результаты проведенных экспериментальных исследований подтвердили, что ГОП МП в режимах поворотов на низших передачах на грунтовых трассах работает в условиях перегрузок, что вызывает постоянное срабатывание внутренней защиты, развитие автоколебательных процессов в ГОП и как следствие ухудшение управляемости при поворотах изделия с радиусами, менее 20 м.

Наиболее критическими для ГОП МП режимами работы являются режимы входа в поворот и особенно выхода из поворота с включенным фрикционом МП. В режимах выхода из поворота из-за инерционных задержек выключения фрикциона МП при резкой перекладке штурвала в течение 0,20…0,25 с ГОП работает при открытом клапане ограничения давления с недопустимо большим расходом жидкости через клапан. Давления в магистрали ГОП при этом могут достигать 500…560 кгс/см2, а момент на валу гидромотора 1,80…2,20 кН∙м. Фрикционы механизма поворота при существующем варианте управления ими, хотя и позволяют осуществлять повороты с минимальными радиусами, разгружая ГОП в процессе  установившегося поворота, но не обеспечивают управляемый поворот во всем диапазоне кинематически предусмотренных радиусов, а в переходных режимах из-за несогласованности

управления с ГОП только увеличивают нагруженность гидрообъемной передачи. 

Предлагаемая схема комбинированного механизма поворота принципиально позволяет осуществить защиту ГОП от перегрузок и устранить зону неуправляемого поворота за счет регулирования давления управления в бустере фрикциона МП на забегающем борту. Фрикцион при этом передает часть мощности в режиме буксования не только на минимальном радиусе

поворота, но и в достаточно широком диапазоне радиусов. Закон управления фрикционом МП должен быть выбран таким образом, чтобы, с одной стороны, возможен был поворот с заданным кинематическим радиусом на тяжелом грунте на первой передаче, а с другой стороны – включение фрикциона не приводило бы к увеличению динамической нагруженности элементов МП, возбуждению фрикционных автоколебаний и повышенным износам дисков трения.

Наиболее естественным вариантом управления представляется регулирование давления управления в бустере фрикциона МП в зависимости от текущего давления в напорной магистрали ГОП. При этом, чем больше момент сопротивления повороту и чем выше нагруженность ГОП, тем больше давление управления и момент трения фрикциона на забегающем борту, т.е. тем большая доля необходимой для поворота изделия мощности передается через буксующий фрикцион.

Математически значение давления управления в бустере фрикциона Рф в зависимости от давления в ГОП РГОП может быть записано следующим образом:

Таким образом, фрикцион МП отключен до тех пор, пока давление в ГОП не достигнет значения PZ0, и при дальнейшем увеличении давления в ГОП давление управления в бустере фрикциона линейно увеличивается, достигая при давлении в ГОП РZm значения PФm.

Принципиальная схема предлагаемого устройства для регулирования давления в бустерах фрикционов механизма поворота приведена на рис. 2.

В данной схеме давление управления фрикционами изменяется положением штока (открывающего полость клапана) пропорционального электромагнита, управляемого электрическим сигналом от информационно-управляющей системы в зависимости от давления в напорной магистрали ГОП.

Достоинством такой системы является гибкость настройки и изменения законов управления. При необходимости система управления позволяет осуществлять полное включение фрикциона без пробуксовки, т.е. реализовать существующий в штатной системе управления поворот танка с минимальным фиксированным радиусом. Это очень важно при разворотах танка на месте (при нейтрали в коробке передач) на грунтовой дороге, когда требуется очень

большая мощность на реализацию поворота.

Данная схема управления позволяет, как и в штатной системе управления, по сигналу датчика, дающего сигнал о максимальном угле поворота штурвала, включать фрикцион МП, обеспечивая поворот танка с минимальным радиусом при замкнутом ФМП. Однако информационно-управляющая система в отличие от существующей системы управления должна допускать подобное включение ФМП лишь при включенной нейтрали в КП, что является признаком поворота танка на месте.

Во всех остальных случаях система управления должна обеспечивать совместное управление ГОП и ФМП по выбранному закону, т.е. при поворотах танка на всех передачах в зависимости от величины давления в напорных магистралях ГОП должно меняться давление управления в бустере фрикциона МП на забегающем борту. Тем самым через буксующий ФМП будет

передаваться часть мощности, потребной для обеспечения поворота с заданным радиусом.

Закон управления – зависимость давления управления в бустере ФМП Рф от текущего давления в напорной магистрали ГОП РГОП, в варианте электрогидравлической системы управления с использованием клапанов, управляемых пропорциональными электромагнитами, может быть реализован сколь угодно сложным. Однако есть принципиальные параметры этого закона, которые определяют как качественные, так и количественные характеристики

протекающих при повороте танка динамических процессов, влияют на характеристики поворотливости танка, на нагруженность ГОП и ФМП. Рассмотрим вначале простейшую линейную зависимость (1). Она наиболее удобна для анализа и уже этим оправдан выбор ее на начальном этапе расчетных исследований. Выбору подлежат всего два параметра:

PZ0 – минимальное значение давления в ГОП, начиная с которого при дальнейшем возрастании давления линейно возрастает и давление в бустере буксующего фрикциона МП на забегающем борту;

PФmax– максимальное значение давления в бустере ФМП при максимальном давлении ГОП РZmax.

При выборе параметра PZ0 следует учитывать, что существует граница давления в ГОП P*Z, ниже которой принимать значение параметра PZ0 нецелесообразно, так как при буксовании ФМП в зоне давлений в ГОП ниже этого уровня потоки мощности, проходящие через ГОП и ФМП, будут разного знака, т.е. фрикцион будет не помогать, а противодействовать ГОП. Эта граница определяется кинематикой механизма поворота и объемным КПД ГОП.

Фактическое значение P*Z определяется экспериментально. Это как раз то значение давления в ГОП, которое имеет место при установившемся повороте с полностью включенным ФМП. По результатам испытаний для анализируемой ГОП МП этот уровень составляет 16…20 МПа. Таким образом, в качестве нижней границы PZ0 можно принять P*Z = 20 МПа.

На рис. 3 приведены расчетные зависимости влияния максимального значения давления в бустере ФМ PФmax на следующие характеристики поворотливости: Руст – давление в ГОП, МПа и РФmax-уст – давление в бустере ФМП, соответствующее Руст, МПа; RТ – теоретический радиус поворота, м (изменение радиуса поворота обусловлено изменением объемного КПД ГОП

при изменении давления в напорной магистрали); NГОП, NФМП, Nсум – значения мощности, передаваемой ГОП, буксующим ФМП и суммарное, соответственно, кВт.

Анализ приведенных расчетных зависимостей показывает, что значение параметра PФmax должно быть не менее 0,70 МПа. Это гарантирует значение установившегося давления ГОП в рассматриваемом наиболее тяжелом повороте танка на первой передаче ниже уровня 40 МПа. С некоторым запасом может быть принято значение PФmax = 0,75 МПа. Принимать более высокое значение нецелесообразно, так как это будет только способствовать росту колебательных составляющих процессов.

 Таким образом, предварительно можно рекомендовать линейный закон управления ФМП с параметрами: PZ0=24 МПа, PZm=45 МПа и PФmax=0,75 МПа. В процессе экспериментальной проверки возможна некоторая корректировка указанных параметров и даже, при  необходимости, переход к нелинейной характеристике.

В качестве примера на рис. 4 приведены экспериментальные и расчетные процессы изменения давления в напорной магистрали ГОП и момента на валу гидромотора при повороте гусеничной машины на первой передаче на грунтовой дороге. Выбран фрагмент заезда, где четко зафиксированы участки прямолинейного движения, входа в поворот, движения в повороте и выход из поворота. Поворот осуществлялся не при максимальном угле поворота

штурвала, а при некоторых колебаниях угла в пределах 0,7...0,9 от максимального. И, тем не менее, ГОП МП работает с перегрузкой. Давление в напорной магистрали постоянно превышает номинальный уровень 42 МПа, достигая предельных значений 50...51 МПа, соответствующих срабатыванию клапана ограничения давления. Постоянно срабатывает внутренняя защита ГОП, обеспечивающая снижение давления в напорной магистрали за счет сброса давления управления и препятствующая открытию клапана. Максимальный момент на валу гидромотора достигает 1,75...1,80 кН∙м, превышая на 20 % допускаемое значение.

На рис. 5 приведены экспериментальные процессы режима поворота на первой передаче, полученные при рекомендуемой системе управления. На рисунке наглядно видно, как в процессе входа в поворот после того, как нарастающее давление в напорной магистрали ГОП превысило уровень 24…25 МПа, начинает нарастать давление в бустере фрикциона механизма

поворота, достигнув значения 0,50 МПа. Передаваемый буксующим фрикционом момент вместе с моментом, передаваемым ГОП, оказался достаточным для ввода изделия в поворот. Максимальное давление в ГОП не превышает 38…40 МПа, а максимальный крутящий момент на валу гидромотора ГОП составил всего 1,30 кН∙м.

Вывод. На теоретическом и расчетном уровне обоснована целесообразность введения регулируемого управления момента трения буксующего фрикциона механизма поворота в комбинированном механизме поворота в зависимости от давления в напорной магистрали ГОП МП , обеспечивающего без перегрузки ГОП управляемый поворот быстроходной

гусеничной машины во всем диапазоне предусмотренных кинематикой МП радиусов на любых грунтах и всех передачах за счет передачи через буксующий фрикцион на суммирующие ряды механизма поворота недостающей мощности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бадртдинов М.А., Белоутов Г.С., Гусев М.Н. Предложения по техническому  совершенствованию комбинированного механизма поворота быстроходной гусеничной машины. СПб: НПО Специальных материалов. Труды десятой Всероссийской научно-практической конференции. Бронетанковая техника и вооружение. Том 3. 2007.

2. Бадртдинов М.А., Белоутов Г.С. Разработка методики расчетной оценки поворотливости гусеничной машины с комбинированным механизмом поворота в установившемся повороте. Труды десятой Всероссийской научно-практической конференцию. Бронетанковая техника и вооружение. Том 3. 2008.

3. Колесов В.А. Развитие механизмов поворота танков. // Вестник транспортного машиностроения. - 1993. - № 1. - С. 33-12; - 1993. - № 3-4. - С.67-73: - 1994. - № 1. - С. 42-48.