На правах рукописи
Леонард Александр Валерьевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИВОДОВ
ТРАНСПОРТНО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ЦИКЛОВЫМИ
ШАГАЮЩИМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ
05.02.02
«Машиноведение, системы приводов и детали машин»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград – 2013
Работа выполнена на кафедре «Теоретическая механика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»
Научный руководитель доктор физико – математических наук, профессор Брискин Евгений Самуилович, зав. каф. «Теоретическая механика»
ВолгГТУ.
Официальные оппоненты: Ющенко Аркадий Семенович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Робототехнические Системы»
МГТУ имени Н. Э. Баумана, Академик Международной Академии Информатики;
Карабань Василий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» ВолгГТУ.
Ведущее предприятие Институт прикладной математики им.
Келдыша РАН.
Защита диссертации состоится 20 декабря 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.06 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. им. В.И.
Ленина, 28, ауд. 210.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.
Автореферат разослан «19» ноября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Быков Юрий Михайлович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Наземное транспортное средство может перемещаться в различных эксплуатационных условиях в зависимости от своего целевого назначения. Если этими условиями являются территория с хаотически расположенными препятствиями, то применение машин с традиционными движителями может быть весьма затруднено. Передовыми научными коллективами ведутся исследования по созданию шагающей техники: экзоскелетов (США: компания Raytheon, Япония: компании Cyberdyne и Daiwa Hous), антропоморфных роботов (Япония: компания HONDA, США:
компания BostonDynamics), шагающих грузотранспортеров (США: компания BostonDynamics, Финляндия: компания Plustech, Россия: Волгоградский государственный технический университет) соответствующей подобным условиям. При передвижении крупногабаритных грузов по поверхностям с низкой несущей способностью (транспортировка тяжеловесных конструкций промышленного назначения) или территориям, принадлежащим к не возобновляемой категории (торфозаготовка, полевые самоходные системы дождевального орошения) оправдано использование шагающей техники типа машины «Восьминог» (ВолгГТУ). Цикловые сдвоенные шагающие движители в составе привода этой машины отличаются простотой конструкции и управления (одна степень подвижности), но обладают недостатками (отсутствие прямолинейной опорной фазы у траектории характерной точки стопы, неравномерность горизонтальной скорости центра масс корпуса), снижающими энергоэффективность шагающей машины (периодические подъем – опускание, разгон – торможение центра масс корпуса). Поэтому актуальной задачей является создание циклового шагающего движителя с прямолинейной траекторией стопы и постоянной скоростью центра масс корпуса в опорной фазе.
Объект исследования: цикловый механизм шагания с направляющей, как составная часть привода движителя шагающей машины.
Цель исследования: совершенствование привода машины с цикловым шагающим движителем для снижения энергозатрат.
Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ критериев энергетической эффективности шагающих движителей;
2. Синтез кинематической схемы энергетически эффективного циклового шагающего механизма.
3. Разработка математической модели шагающей машины с движителями на основе синтезированного механизма;
4. Сопоставление результатов натурных и численных исследований;
Научная новизна работы.
1. Предложено и научно обосновано применение циклового шагающего механизма с криволинейной направляющей, реализующего прямолинейность траектории опорной точки в фазе взаимодействия с 2. Определены законы программных режимов движений исполнительных приводов, обеспечивающих перемещение центра масс корпуса шагающей машины вдоль прямой линии (с постоянной скоростью и одинаковой продолжительностью фазы опоры и переноса механизмов шагания) и отсутствие ударов в приводе поворота при ее плоском движении.
3. Получены условия асимптотической устойчивости программных режимов движения шагающей машины на базе цикловых шагающих механизмов с направляющими вдоль прямой линии с постоянной скоростью и одинаковой продолжительностью фазы опоры и переноса механизмов шагания.
Положения, выносимые на защиту:
1. Кинематическая схема циклового шагающего механизма с направляющей, реализующего прямолинейную опорную фазу траектории 2. Методика синтеза циклового шагающего механизма с направляющей;
3. Математическая модель шагающей машины с цикловыми движителями на основе сдвоенных механизмов шагания с направляющими;
4. Методы расчета программных устойчивых, энергоэффективных режимов работы приводов шагающей машины с движителями на базе сдвоенных цикловых механизмов шагания с направляющими.
5. Лабораторная модель циклового шагающего механизма с криволинейной направляющей и движителя – на его основе.
Методы исследования. Использовались методы теории машин и механизмов, теоретической механики, сопротивления материалов, теории управления техническими системами, оптимизации, планирования эксперимента. Решение дифференциальных уравнений движения осуществлялось методами численного интегрирования при помощи специальных программ и программного инструмента, разработанного автором.
Достоверность научных результатов. Адекватность предложенных методик подтверждается корректностью использования математических методов, согласованностью с научными результатами других авторов и результатами физического моделирования.
Синтезированный цикловой механизм с направляющей представляет собой новый механизм [Пат. № 2422317 РФ], который может быть использован, как в составе привода энергоэффективного шагающего движителя, так и в области техники, где требуется преобразование вращательного движения в прямолинейное перемещение исполнительного звена. Предложенные критерии энергоэффективности шагающего движителя и качества цикловых шагающих механизмов позволяют проводить качественную и количественную оценку циклового шагающего механизма. С помощью разработанных методик синтеза циклового шагающего механизма с направляющей, силового анализа и расчета на прочность конструкции нового механизма можно создавать цикловые механизмы с направляющей с заданными параметрами соответствующими решаемой задачи. Рассмотренные методики управления шагающим движителем, состоящим из сдвоенных механизмов, позволяют реализовать энергоэффективные режимы работы приводов шагающей машины.
Апробация. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на конференциях:
XII, XIII, XIV, XVI регион. конф. молодых исследователей Волгоградской области (2007 – 2011 гг., Волгоград, ВолгГТУ);
внутривуз. научн. конф. ВолгГТУ (2008 – 2013 гг., Волгоград, ВолгГТУ) IV, V междунар. науч.-практ. конф. «Прогресс транспортных средств и систем» (2009 г., 2013 г., Волгоград, ВолгГТУ);
Всероссийская молодежная конференция «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА» (2011 г., Санкт – Петербург, ЦНИИ РТК );
Четвёртая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления.
МКПУ-2011 (2011 г., с. Дивноморское, Геленджик, Ин-т машиноведения им.
А.А. Благонравова РАН, НИИ многопроцессорных вычислит. систем им. проф.
А.В. Каляева ЮФУ );
Управление в технических, эргатических, организационных и сетевых системах – УТЭОСС-2012 (2012 г., Санкт – Питербург, ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор");
Проблемы механики современных машин,V междунар. конф. (2012 г., УланУдэ, ВСГУТУ);
Математические методы в технике и технологиях - XXV междунар. науч.
конф. (2012 г, Волгоград, ВолгГТУ);
Молодые учёные – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке (2013 г., Ижевск, ИжГТУ им. М. Т. Калашникова).
Общее количество конференций: 17.
Публикации.
опубликовано 18 печатных работ, из них 4 в периодических издания по списку ВАК РФ. В том числе выдано положительное решение на Пат. 2422317 РФ, МПК В 62 D 57/032. Работа выполнена при поддержке РФФИ и Минобрнауки России, результаты работы нашли отражение в научно – исследовательских отчетах, имеющих государственную регистрацию.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации (без списка литературы) - 148 с., в тексте содержится 23 таблицы и 112 рисунков. Список литературы из наименований представлен на 15 с.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит общую характеристику диссертационной работы, обоснование актуальности темы и формулировку цели исследования.
Приводятся сведения об апробации, публикациях и практической значимости результатов работы.
В первой главе обосновывается актуальность применения шагающих машин, приводится классификация и сведения о современной шагающей технике. Проводится анализ существующих образцов шагающих движителей, представленных в международных патентных документах. Анализируются достоинства, недостатки сдвоенных шагающих механизмов машины «Восьминог» (рис. 1, а) и пути их совершенствования. Выработаны критерии энергетически эффективного циклового шагающего механизма.
Формулируется цель и задачи исследования по повышению энергетической эффективности приводов машины с цикловыми шагающими движителями.
Вторая глава посвящена вопросу синтеза циклового шагающего механизма с направляющей, удовлетворяющего предъявляемым требованиям.
Основным критерием улучшения свойств циклового механизма является прямолинейность траектории опорной точки C механизма шагания в фазе взаимодействия с грунтом при максимальном коэффициенте режима (отношении временной продолжительности фазы опоры к фазе переноса).
Рис. 1. а) Шагающий движитель машины «Восьминог» на базе циклового шагающего механизма Чебышева–Умнова, б) Кинематическая схема механизма Чебышева–Умнова и синтезируемого механизма.
На рис. 1: 1 — кривошип, 2 — шатун, 3 — стопа, 4 — коромысло, 5 — направляющая, 6 — ролик. Для этого в кинематической схеме (рис. 1, б) механизма Чебышева – Умнова коромысло — 4 заменяется на криволинейную направляющую — 5, подлежащую определению и жестко связанную с корпусом механизма, по которой перемещается ролик — 6, соединенный с шатуном — 2.
Ставится условие максимизации радиуса кривизны траектории точки B, обеспечения максимально возможного коэффициента режима и высоты подъема стопы на этапе переноса. Таким образом, критерием оптимизации является линейная функция:
k1, k 2, k 3 — весовые коэффициенты, отражающие приоритетность где параметров синтезируемого механизма в соответствии с техническим заданием, r — длина кривошипа, H — максимальная высота подъема стопы, 1 — угловая координата кривошипа, соответствующая началу опорной фазы (т. C1 );
2 — угловая координата кривошипа, соответствующая концу опорной фазы (т. C2 ).
В результате синтеза, при весовых коэффициентах k1 7, k 2 1, k 3 1, был получен цикловый шагающий механизм с направляющей (рис. 2), имеющий I 15,82. Для циклового механизма шагающей машины «Восьминог»
r 0 0,264 м; 1 0,62 м; 0 0,718 м; 0 54,65; I 0 17,06.
Рис. 2. Цикловый шагающий механизм с скорости корпуса) путем сравнения с приводом машины «Восьминог», высота подъема центра масс корпуса машины «Восьминог»; L — длина шага циклового механизма Чебышева - Умнова, L* — длина шага механизма с направляющей (оба механизма имеют одинаковую длину кривошипов), f — глубина прессования грунта под стопами шагающих машин, h — высота подъема стоп для модифицированных движителей над поверхностью земли, xmax — максимальная горизонтальная скорость стопы в фазе переноса относительно корпуса, M, m — масса корпуса и переносимых стоп, A — работа, затрачиваемая на подъем центра масс корпуса машины и необратимую деформацию грунта при использовании циклового механизма Чебышева – Умнова, A* — работа, совершаемая приводом модифицированной машины по преодолению силы тяжести переносимых стоп, силы инерции стоп вдоль горизонтальной оси и силы сопротивления прессуемого грунта. Расчет работ осуществляется за одинаковый пройденный путь S.
Рис. 3. Энергоэффективность сравниваемых механизмов Согласно (2) и Рисунку 3 (кривая 1) привод модифицированной машины (снаряженная масс M равна 4500 кг, масса переносимых стоп - 160 кг) с синтезированным механизмом и управлением, обеспечивающим постоянство курсовой скорости и отсутствие вертикальных колебаний корпуса на 10% энергетически эффективней привода машины «Восьминог» при движении по жесткой поверхности f 0.01 м. Если уменьшить массу переносимых стоп в четыре раза (кривая 2), что практически достижимо, то энергетические затраты модифицированной машины будут в три раза меньше затрат машины «Восьминог» при движении по жесткой поверхности и – до 50% на относительно мягкой 0.01 f 0.05 м. Применение механизма с длиной шага равной длине шага механизма «Чебышева - Умнова» и массой переносимых стоп до 40 кг (кривая 3) обеспечит снижение энергетических затрат привода шагающей машины более чем на 50% не зависимо от типа грунта 0 f 0.25 м. Установлено, что привод модифицированной машины, состоящий из двух двигателей, потребляет половину электрической мощности привода машины «Восьминог» (один двигатель на пару механизмов шагания).
В третье главе исследуется влияние режимов работы привода движителя образованного сдвоенными синтезированными механизмами на динамику движения шагающей машины. Рассматриваются две возможные кинематические схемы привода шагающего движителя: одномоторное управление сдвоенными синтезированными механизмами через самоблокирующийся дифференциал и согласованное управление сдвоенными механизмами посредством пары двигателей постоянного тока. Решается зада устойчивого поступательного движения центра масс корпуса шагающей машины вдоль прямой линии и безударного поворота.
Применение схемы привода с дифференциалом позволяет устранить вертикальные колебания центра масс корпуса шагающей машины, обусловленные не одинаковой продолжительностью фазы опоры и переноса механизмов, но не устраняет проскальзывание стоп и неравномерность курсовой скорости машины. Добиться отсутствия неравномерности горизонтальной скорости движения у шагающей машины (порождающей горизонтальные инерционные нагрузки) и проскальзывания стоп можно при помощи соответствующего управления двигателями, приводящими в движение пару механизмов, образующих движитель (рис. 4). В качестве исходных уравнений, описывающих динамику движения шагающей машины, используются уравнения Лагранжа II рода с множителями.
Рис. 4 Расчетная схема для составления — роторов двигателей, T3 — Рис. 5 Процентный вклад слагаемых стопа при его перемещении Уравнения динамики движения машины в развернутой форме принимают вид:
где x1 — горизонтальная координата оси вращения кривошипa (т. O) в абсолютной системе координат Cxy, x2 — горизонтальная координата центра масс системы шатун–стопа (т. C ' ) в относительной системе координат Oхoуo, 1, 2 — угловые координаты для механизма, находящегося в опоре и в переносе соответственно, j — неопределенные множители Лагранжа, M 1, m1, m2, m3 — масса корпуса машины, кривошипа, шатуна, стопы, P — сила сопротивления, приложенная к корпусу шагающей машины; L1, L2 — моменты, развиваемые двигателями, обеспечивающими движение машины и перенос механизма шагания, П1 1, П2 2 — функции положения стопы и центра масс системы шатун – стопа относительно оси вращения кривошипа.
С целью выполнения условий — отсутствия проскальзывания стоп относительно грунта, вертикальных колебаний корпуса и минимизации инерционных нагрузок в качестве закона изменения 2 принимаются функции, удовлетворяющие поставленным условиям:
где 2 и 2 — значения углового положения и угловой скорости кривошипа в начальный момент времени; 2 и 2 — значение углового положения и угловой скорости кривошипа на входе в опорную фазу. При выходе на стационарный режим работы движителя, 2 2, 2 2, где 2, 2 — значения угловой координаты и скорости кривошипа на выходе из опорной фазы, 1 — продолжительность фазы опоры по углу, а задается равным T/4.
В случае применения в приводе двигателей постоянного тока, характеризующихся статическими характеристиками:
управляющие напряжения с учетом (3, 4) U1, U 2 изменяются скачком (рис. 6).
Где 1 и 2 — параметры двигателей постоянного тока. При расчете значений управляющих воздействий использовались приближенные параметры макета шагающей машины: M 21 кг; m 0.4 кг; 1 5.1 Н м / В; 2 153 кг м / с;
Исследование уравнений (3-5) на устойчивость по первому приближению показало, что для математической модели, получающиеся нестационарные коэффициенты уравнений ошибок:
Рис. 6 Управляющие напряжения коэффициентами обратных связей предложенной системой управления устойчиво.
Рис. 7 Структурно - функциональная схема системы управления приводом Плоское движение шагающей машины (рис. 8) задается уравнениями:
тогда дифференциальные уравнения, описывающие работу системы приводов, (линейного и поворотного) имеют вид:
В этом случае перемещение машины будет сопровождаться ударами в приводе поворота движителя относительно корпуса (рис. 9). Где — угол между осями x1 и x2 ; — расстояние между т. C1(2) и E1(2) ( 1(2) ); VM — скорость точки M корпуса машины; — угловая скорость поворота корпуса; h — расстояние между т. D и т. E1(2) ; R — расстояние между т. M и т. D; VM — линейная скорость т. M; — угловая скорость корпуса.
Рис. 8 – Кинематическая схема шагающей машины поступательное движение несущей рамы — 2; аккумулятора — 3; опорных катков — 4; двигателя постоянного тока — 5; шарикоподшипника — 6; направляющей — 7; шатуна — 8; сменной стопы — 9. Экспериментально полученная кривая незначительно отличается Lтеор. / Lэксп. 0,96; H теор. / H эксп. 0,99. Параметры лабораторной модели:
Mкор=13,37 кг (масса корпуса); m1= 0,16854 кг (масса кривошипа); m4= 0,316 кг (масса стержня AB); m5=0,316 кг (масса балки, перпендикулярной к AB); m3=0, кг (масса стопы); r = 0,1316 м; r1=0,3048 м; a2=0,171 м (расстояние между точкой A и точкой крепления балки, несущей стопу); r3=0,353 м; b=-0,41 м;
a1=-1,34; a2= -2,18; d=0,01 м (диаметр шарниров); g=1,066.
Рис. 10. а) Лабораторная модель циклового шагающего механизма с При помощи H – мостовых схем управления двигателями постоянного тока на биполярных транзисторах и микроконтроллера Atmega2560 была осуществлена идентификация параметров привода курсового движения для правого и левого борта шагающего движителя (рис. 10, б; рис. 11, 12).
Полученные характеристики позволят осуществить корректное регулирование любого из режимов работы привода движителя. Где i — уровень напряжения, генерируемый цифровой системой управления. Проведенные эксперименты по реализации энергетически эффективного перемещения физической модели движителя подтвердили теоретические выводы о необходимости наличия обратной связи в системе управления.
Рис. 11 - Характеристика управления приводами курсового движения Рис. 12 – Статические характеристики приводов курсового движения
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Для квазистатического режима движения шагающей машины, синтезированный цикловый механизм шагания с направляющей обеспечивает повышение энергетической эффективности привода до определенной глубины прессования грунта под стопами. Увеличение площади опорной поверхности стоп уменьшает глубину прессования грунта, тем самым расширяя область применения привода с синтезированным механизмом, как более энергетически эффективного по сравнению с приводом машины «Восьминог».2. Предложенная кинематическая схема циклового шагающего механизма с прямолинейной опорной фазой исключает энергетические затраты, связанные с несовершенством траектории стопы механизма - прототипа.
3. Разработана методика синтеза циклового шагающего механизма с направляющей. Предложены критерии сравнения.
4. Создана математическая модель динамики перемещения движителя на базе пары синтезированных цикловых шагающих механизмов, которая позволяет реализовать поступательное (без вертикальных перемещений и неравномерности горизонтальной скорости корпуса) энергетически выгодное движение шагающей машины.
5. Установлено, что система управления с обратными связями по угловым координатам и ускорениям позволяет реализовать устойчивые режимы работы приводов, обеспечивающие энергетически эффективное движение шагающей машины.
«