Niezgodność kinematyczna hydrostatycznego układu napędowego podwozia bazowego bezzałogowej platformy ratowniczej

Transkrypt

1 DĄBROWSKA Agnieszka 1 JASKÓŁOWSKI Mirosław 2 PRZYBYSZ Mirosław 3 RUBIEC Arkadiusz 4 Niezgodność kinematyczna hydrostatycznego układu napędowego podwozia bazowego bezzałogowej platformy ratowniczej WSTĘP Zadania stawiane bezzałogowym platformom lądowym podczas działań ratowniczych oraz realizacji misji wojskowych pociągają za sobą wysokie wymagania w zakresie ich mobilności i manewrowości. Obejmują one między innymi zdolność do przemieszczania się po znacznych nierównościach terenowych (20-30cm), wzniesieniach o kącie nachylenia 40% (22 o ), terenach o niskiej nośności CI=150kPa, pokonywania typowych przeszkód terenowych tj.: gruzowiska, kłody, rowy [1,2]. Jednym z głównych układów w pojazdach mających zasadniczy wpływ na to czy pojazd sprosta postawionym wymaganiom jest układ napędowy jazdy. Mając na uwadze specyfikę obszarów poruszania się bezzałogowych platform lądowych i uwzględniając dostępne rozwiązania można stwierdzić, że powyższe wymagania możliwe są do spełnienia przy zastosowaniu hydrostatycznego układu napędowego [3-9]. Główne zalety które za tym przemawiają, to możliwość bezstopniowej regulacji prędkości jazdy oraz możliwość osiągania prędkości pełzających pożądanych podczas pokonywania przeszkód oraz precyzyjnego manewrowania. Ponadto hydrostatyczne układu napędowe pozwalają także na osiąganie dużych wartości sił napędowych i zabezpieczają układ napędowy przed przeciążeniem. Zastosowanie omawianego układu pozwala również na elastyczne rozmieszczanie podzespołów hydraulicznych w pojeździe, co jest szczególnie pożądane z uwagi na konieczność zapewnienia dużego skoku zawieszenia kół w pojeździe poprawiającego zdolność pokonywania przeszkód terenowych [10]. Opisane zalety powodują, że hydrostatyczne układu napędowe są powszechnie stosowane w maszynach roboczych oraz pojazdach o podwyższonych wymaganiach użytkowych układu napędowego. Poruszanie się pojazdu w trudnym terenie oraz po nierównościach terenowych wymaga od układu napędowego rozwijania efektywnej siły napędowej przez każde z kół jezdnych, co w pojazdach osiąga się przez napęd wszystkich kół jezdnych, niezależnie od obciążenia. Jednym ze sposobów na osiągnięcie tego efektu w hydrostatycznych układach napędowych jest zastosowanie dzielników strumienia, zapewniający jednakową chłonność do wszystkich silników hydraulicznych. Zabezpiecza to układ przez utratą zdolności rozwijania siły napędowej wynikający ze zmniejszonej przyczepności podłoża lub utraty kontaktu z podłożem przez któregokolwiek z kół. 1. NIEZGODNOŚĆ KINEMATYCZNA UKŁADÓW NAPĘDOWYCH Jazda kołowych bezzałogowych platform lądowych po dużych nierównościach terenowych lub w przypadku zróżnicowanych wartości promieni dynamicznych kół jezdnych, spowodowanych nierównomiernym ich dociążeniem bądź różną wartością ciśnień w ogumieniu (rys. 1) powoduje, że koła powinny obracać się z różnymi prędkościami obrotowymi, zgodnie z zależnością: vki i (1) rdi gdzie: i - prędkości obrotowe poszczególnych kół, 1 Katedra Budowy Maszyn WAT, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, adabrowska@wat.edu.pl 2 Katedra Budowy Maszyn WAT, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, mjaskówski@wat.edu.pl 3 Katedra Budowy Maszyn WAT, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, mprzybysz@wat.edu.pl 4 Katedra Budowy Maszyn WAT, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, arubiec@wat.edu.pl 186

2 v ki - prędkości postępowe osi kół jezdnych, r di - promienie dynamiczne kół jezdnych. Zjawisko to nosi nazwę niezgodności kinematycznej i jest charakteryzowane stopniem niezgodności kinematycznej. Stopień niezgodności kinematycznej Δ układu jest stosunkiem różnic prędkości obrotowej kół ω, ω (poruszających się bez poślizgu), do prędkości obrotowej koła obracającego się z większą prędkością, rozważanym dla danej chwili czasu [11-14]: ' ' ' (2) max( ', '' ) gdzie:, - prędkości obrotowe rozpatrywanych kół pojazdu. Niezgodność kinematyczna układu napędowego może być rozpatrywana pomiędzy kołami znajdujących się na tej samej osi lub pomiędzy poszczególnymi osiami napędowymi. Praca niniejsza poświęcona jest analizie problemu niezgodności kinematycznej miedzyosiowej w bezzałogowych platformach lądowych z hydrostatycznym układem napędowym oraz burtowym układem skrętu. a) b) c) Rys. 1. Przyczyny powstawania niezgodności kinematycznej pojazdu sześciokołowego: a - przemieszczanie się po nierównościach; b - różne promienie dynamiczne kół; c - ruch krzywoliniowy pojazdu Hydrostatyczne układy napędowe charakteryzują się dużą sztywnością kinematyczną, wynikającą z małej ściśliwości czynnika roboczego. Sztywność ta wpływa na dużą dokładność kinematyczną wykonywanych ruchów, natomiast jest ona zależna głównie od przecieków wewnętrznych, wynikających z konstrukcji zastosowanych elementów układu oraz występujących spadkach ciśnień. Występowanie przecieków w układzie napędowym jazdy może nieść za sobą także pożądane rezultaty, w tym zmniejszenie sztywności kinematycznej układu umożliwiające w pewnym zakresie na różnicowanie prędkości obrotowej kół jezdnych, co z kolei jest niezbędne do dostosowania kinematycznego ruchu niezależnie każdego z kół do podłoża. Omawiane zjawisko w dalszej pracy zdefiniowano jako podatność kinematyczną (PK) układu, natomiast zdolność do dostosowania prędkości obrotowej kół do niezgodności kinematycznej nazwano zdolnością kompensacji niezgodności kinematycznej (ZKNK). W przypadku, gdy układ napędowy cechuje się ZKNK o wartości niewystarczającej do pokrycia niezgodności kinematycznej zachodzi ryzyko wystąpienia niekorzystnego zjawiska mocy krążącej, wynikającego z przyhamowywania pojazdu przez koło, na skutek jego zbyt wolnego obrotu względem podłoża. Zjawisko to powoduje zmniejszenie jego zdolności do rozwijania siły napędowej, a w dłuższej perspektywie zdecydowane zmniejszenie trwałości układu lub jego zniszczenia [15-22]. W przypadku pojazdów poruszających się po terenie wywołujących duże niezgodności kinematyczne ZKNK jest niezwykle istotna i powinna być brana pod uwagę podczas projektowania hydrostatycznych układów napędowych. Analiza dostępnych opracowań wykazuje brak wyników tego typu badań. Celem przeprowadzanych badań jest zweryfikowanie na obiekcie rzeczywistym słuszności postawionej tezy, mówiącej o tym, że możliwe jest modelowanie ZKNK na drodze przecieków wewnętrznych. 187

3 Do analizy wykorzystano układ Robota Inżynieryjnego Wsparcia Marek o masie własnej 4200 kg i rozstawie osi kół wynoszącym 1 m. W robocie zastosowano szeregowy oraz równoległy sposób zasilenia silników hydraulicznych (rys. 2a). a) b) Rys. 2. Inżynieryjny robot wsparcia Marek: a widok pojazdu; b - hydrostatyczny układ napędowy: 1 silniki hydrostatyczne do napędu kół; 2 - dzielniki strumienia; 3 pompy zmiennej wydajności [9] Zaproponowany układ napędowy składa się z dwóch głównych pomp wyporowych o zmiennej wydajności (3), z których każda odpowiada za zasilanie silników hydrostatycznych o konstrukcji gerotorowej (1) należących do osobnej burty oraz zębatych dzielników strumienia czynnika roboczego (2) (rys. 2b). Układ wyposażony został w zawory pozwalające na zmianę połączenia silników w sposób szeregowy i równoległy. Pojazd posiada niezależne zawieszenie kół jezdnych w postaci wahaczy wzdłużnych. 2. METODYKA BADAŃ 2.1. Tor pomiarowy Badanie zdolności ZKNK polegało na wykonanie u przejazdu przez pojazd przez wytypowane przeszkody terenowe w kierunku do przodu a następnie ba biegu wstecznym. Dokonując wyboru przeszkód terenowych kierowano się odwzorowaniem przeszkód, które rzeczywiście mogą wystąpić w obszarze działania bezzałogowych platform lądowych, a jednocześnie powodujących wystąpienie wysokich wartości niezgodności kinematycznych. W tym celu w Katedrze Budowy Maszyn WAT przygotowany został tor badawczy składający się z następujących stanowisk: rów, wał ziemny i zbocze. Badanie niezgodności kinematycznej układu napędowego występującej podczas pokonywania rowów drogowych wykonano na specjalnie przygotowanym wykopie o wymiarach długości 5 m, niesymetrycznej wysokości brzegów, wynoszącej 70 i 50 cm, szerokości dna 40 cm oraz zboczach o nachyleniu 50 % (rys. 3). Rys. 3. Widok poprzeczny wykopu 188

4 Badanie niezgodności kinematycznej układu napędowego występującej podczas pokonywania nasypów określono pokonując wał ziemny (rys. 4a) o zarysie pokazanym na rysunku 4b. Wał o wysokości 80 cm został usypany bez zagęszczania. a) b) Rys. 4. Nasyp: a - zdjęcie poglądowe, b - profil nasypu Niezgodność kinematyczna układu napędowego występujące podczas pokonywania zbocza badano na zboczu usypanym bez zagęszczenia o kącie nachylenia 18o i zarysie przedstawionym na rysunku 15. Rys. 5. Widok boczny zbocza nachylonego pod kątem 18o W celu zmniejszenia błędu pomiaru oraz weryfikacji powtarzalności pomiarów, każdy manewr powtórzono pięć razy. Podczas pokonywania przeszkody utrzymywano prędkość przejazdową ok. 0,5m/s. Badanie przeprowadzono dla równoległej konfiguracji zasilenia silników hydraulicznych z wykorzystaniem dzielników strumienia. Podczas badań rejestrowano: prędkości obrotowe kół jezdnych należących do jednej burty oraz ciśnienia w poszczególnych liniach zasilających silniki hydrauliczne napędu tych kół. W ten sposób możliwe było zarejestrowanie różnic spadków ciśnień w silnikach hydraulicznych oraz wynikających z tych różnic prędkości obrotowych kół Układ pomiarowy W skład układu pomiarowego (rys. 6) (prawa burta robota), wchodzą następujące elementy: 1. czujniki ciśnienia KOBOLD SEN-8700: a) koło przednie: linia zasilająca - zakres pomiarowy bar, klasa pomiarowa 0,5, b) koło środkowe: linia zasilająca - zakres pomiarowy bar, klasa pomiarowa 0,5, c) koło tylne: linia zasilająca - zakres pomiarowy bar, klasa pomiarowa 0,5, d) linia zlewowa wspólna dla wszystkich kół zakres pomiarowy bar, klasa pomiarowa 0,5, 2. czujniki prędkości obrotowej kół RHEINTACHC Messtechnik, zamontowanych bezpośrednio w silnikach hydraulicznych z wyjściem częstotliwościowym o zakresie 0,1Hz 20 khz, 80Hz 1 obr/s, 3. system akwizycji danych IO Tech Personal DAQ 3005, 4. komputer rejestrujący pomiary. 189

5 Rys. 6. Schemat blokowy układu pomiarowego podczas badania hydrostatycznego układu napędu jazdy Inżynieryjnego Robota Wsparcia 3. WYNIKI BADAŃ Warunki badań, wybrane przebiegi czasowe prędkości obrotowej poszczególnych kół jezdnych oraz spadki ciśnień przedstawione zostały na rysunkach 7- pokonywanie przeszkody terenowej typu rów, rysunku 8- pokonywanie przeszkody terenowej typu zbocze, rysunku 9 - pokonywanie przeszkody terenowej typu wał ziemny. Oznaczenia poszczególnych linii dla poszczególnych przebiegów czasowych zamieszczonych na rysunkach 7b,8b, i 9b oznaczają odpowiednio: nk1- prędkość obrotowa koła przedniego, nk2- prędkość obrotowa koła środkowego, nk3- prędkość obrotowa koła tylnego, pk1- spadek ciśnienia na kole przednim, pk1- spadek ciśnienia na kole środkowym, pk1- spadek ciśnienia na kole tylnym. Podczas pokonywania przeszkody typu rów można wyróżnić następujące fazy jazdy: s- pokonywanie przeszkody jadąc w kierunku do przodu, 6-10 s- pokonywanie przeszkody jadąc w kierunku do tyłu. a) 190

6 b) Rys. 7. Badanie pokonania przez pojazd przeszkody terenowej typu rów: a - widok pojazdu, b - przebieg czasowy zmian prędkości obrotowych kół jezdnych oraz spadków ciśnień na silnikach hydraulicznych Podczas pokonywania przeszkody typu zbocze można wyróżnić następujące fazy jazdy: 0.6-6s- pokonywanie przeszkody jadąc w kierunku do przodu, 6-10s- pokonywanie przeszkody jadąc w kierunku do tyłu. Największa różnica prędkości obrotowej pomiędzy kołami wystąpiła w ósmej sekundzie, w której spadek ciśnienia na silniku pierwszym spada do wartości p1=1 MPa, co skutkuje osiągnięciem różnicy prędkości obrotowej pomiędzy kołami osiągającej n=35%. W przedziale pomiędzy ósmą a dziewiątą sekundą zapasu, a więc podczas pokonywania przez kolejne koła dna rowu, zanotowano największe zmiany różnic prędkości obrotowych. Jest to efekt występowania w tym etapie badań największej niezgodności kinematycznej ruchu kół. a) 191

7 b) Rys. 8. Badanie pokonania przez pojazd przeszkody terenowej typu zbocze: a - widok pojazdu, b - przebieg czasowy zmian prędkości obrotowych kół jezdnych oraz spadków ciśnień na silnikach hydraulicznych Podczas pokonywania przeszkody typu wał ziemny można wyróżnić następujące fazy jazdy: 0.6-6s - pokonywanie przeszkody jadąc w kierunku do przodu, 6-10s - pokonywanie przeszkody jadąc w kierunku do tyłu. W przypadku przeszkody terenowej typu wał, największa różnicę prędkości obrotowej pomiędzy kołami wystąpiła w przedziale pomiędzy trzecią a czwartą sekundą badań, i wyniosła ona n=30%. Zjawisko to zaobserwowano w chwili odciążania koła przedniego (spadek ciśnienia na silniku spada do wartości p1=0 MPa) na skutek pokonywania garbu wzniesienia. a) 192

8 b) Rys. 9. Badanie pokonania przez pojazd przeszkody terenowej typu wał ziemny: a - widok pojazdu, b - przebieg czasowy zmian prędkości obrotowych kół jezdnych oraz spadków ciśnień na silnikach hydraulicznych Podczas pokonywania przeszkody typu zbocze można wyróżnić następujące fazy jazdy: s - pokonywanie przeszkody jadąc w kierunku do przodu, 6-10 s - pokonywanie przeszkody jadąc w kierunku do tyłu. Największa różnica prędkości obrotowej pomiędzy kołami wystąpiła podczas jazdy do przodu pomiędzy pierwszą a drugą sekundą, w którym koło przednie zostało odciążone, oraz podczas jazdy w kierunku do tyłu w czasie pomiędzy ósmą a dziewiątą sekundą, w którym spadek ciśnienia osiąga wartość p1 0 MPa. WNIOSKI Analiza wyników otrzymanych podczas przeprowadzonych badań wykazała, że w przypadku rozpatrywanego hydrostatycznego układu napędowego możliwe jest osiągnięcie kompensacji niezgodności kinematycznej na poziomie 25-35%. Wartość ta wyznaczona została na podstawie procentowych różnic prędkości obrotowej kół jezdnych w funkcji różnic spadków ciśnień na poszczególnych silnikach hydrostatycznych napędzających koła. Dowodzi to słuszności postawienia tezy, że możliwe jest modelowanie ZKNK na drodze oceny przecieków wewnętrznych podzespołów układu napędowego. Uzyskana wartość jest obarczona błędem wynikającym z przyjęcia do analizy jedynie wartości prędkości obrotowych kół jezdnych oraz spadków ciśnień na silnikach hydraulicznych. W celu zwiększenia dokładności wyników przeprowadzonych badań, w dalszej części prac badawczych, należy uwzględnić sztywność przewodów hydraulicznych, która wpływa na charakter zmian otrzymanych wyników. W celu poprawy dokładności wyników, podczas dalszych badań, należy rozbudować układ pomiarowy o czujniki przepływu, co pozwoli na zarejestrowanie wartości wydajności dostarczonej do każdego z silników hydraulicznych, a tym samym odnosząc tą wartość do prędkości obrotowej kół, pozwoli to uzyskać informację o rzeczywistej wartości strat wolumetrycznych w silnikach hydraulicznych oraz dzielniku przepływu. 193

9 Streszczenie Zadania stawiane bezzałogowym platformom lądowym podczas działań ratowniczych oraz realizacji misji wojskowych pociągają za sobą wysokie wymagania w zakresie ich mobilności i manewrowości. Jednym z głównych układów w pojazdach mających zasadniczy wpływ na wymienione cechy jest układ napędowy jazdy. Zalety hydrostatycznych układów napędowych takie jak możliwość bezstopniowej zmiany przełożenia przekładni, zabezpieczenie silnika napędowego przed przeciążeniem, szeroki zakres prędkości obrotowych silników hydraulicznych powoduje, że są one powszechnie stosowane w pojazdach oraz maszynach przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach terenowych, przykładem których są maszyny robocze. W niniejszym opracowaniu przedstawiony został problem niezgodności kinematycznej hydrostatycznych układów napędowych pojazdów wysokiej mobilności oraz jej wpływ na występowanie niekorzystnego zjawiska mocy krążącej. Ponadto zaprezentowane zostały wyniki badań niezgodności kinematycznej hydrostatycznego układu napędowego przeprowadzonych na obiekcie fizycznym oraz analiza zdolności kompensacji niezgodności kinematycznej. Obiektem przyjętym do badań eksperymentalnych była sześciokołowa bezzałogowa platforma lądowa Marek o burtowym układzie skrętu. Experimental studies of kinematic discrepancy in unmanned ground vehicles equipped with hydrostatic drive systems and skid steering Abstract Tasks that have to be performed by unmanned ground vehicle (UGV) during rescue operations and military missions set up high requirements for their mobility and maneuverability. A significant impact on these features has vehicle drive system. Advantages of hydrostatic drive systems like steeples changing of the gear unit, engine from overload protection, and a wide range of rotational speed in hydraulic engines make them commonly used in vehicles and machines intended for heavy terrain works. In this paper the problem of kinematic discrepancy of hydrostatic drive systems in high mobility vehicles and its influence on occurrence of disadvantageous effect of circulating power was presented. Moreover, the results of research concerning kinematic of discrepancy hydrostatic drive system carried out on a physical object were described and an analysis of the ability of kinematic discrepancy compensation was presented. BIBLIOGRAFIA 1. Sprawka P.: The methods of evaluation the mobility of off - road vehicles. Solid State Phenomena Vol. 180, Trans Tech Publications, Switzerland Łopatka, M. J.: Praca zbiorowa, Inżynieryjny Robot Wsparcia IOD/EOD usuwania ładunków niebezpiecznych, Sprawozdanie z projektu rozwojowego Nr OR /PBR, Warszawa Bartnicki A., Łopatka J., Muszyński T.: Szacowanie oporów skrętu burtowego wieloosiowych platform kołowych, Logitrans Budny E.: Napęd i sterowanie układów hydraulicznych w maszynach roboczych. ITE, Radom Bartnicki A., Sprawka P.: Zastosowanie hydrostatycznych układów napędowych we współczesnych maszynach i pojazdach lądowych. LOGITRANS, Szczyrk Comellas M., Pijuan J., Potau X., Nogue s M., Roca J.: Active bogies, chassis levelling and transmission efficiency for avehicle operating in rough terrain. Journal of KONES Powertrain and Transport, nr Comellas M., Pijuan J., Potau X., Nogue s M., Roca J.: Analysis of a hydrostatic transmission driveline for its use in off-road multiple axle vehicles. Journal of Terramechanics, nr Stryczek S.: Napęd hydrostatyczny. Tom I. Wydawnictwa Naukowo - Techniczne, Warszawa Bartnicki. A., Muszyński. T.: Koncepcja układu napędowego dla bezzałogowej platformy lądowej o skręcie burtowym. Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Napędy i Sterowania Hydrauliczne i Pneumatyczne. Wroclaw Łopatka M. J., Muszyński T., Rubiec A.: Load Analysis of skid steer drive systems, 18th International Conference of Methods and Models in Automation and Robotics MMAR

10 11. Studziński K.: Teoria I sterowanie. Samochód. WKŁ, Warszawa Konopka S., Łopatka M. J., Przybysz M.: Kinematic Discrepancy of Hydrostatic Drive of Unmanned Ground Vehicle, ITELMS 2013, May 23-24, 2013, Panevėžys, Lithuania. 13. Wong J. Y.: Theory of ground vehicle, ISBN: , August Konopka S., Sprawka P., Muszyński T., Spadło K.: Investigating resistance of turn six-wheel skidsteer vehicle, ITELMS 2013, Panevėžys, Lithuania, May 23-24, Li X., Yin X., Zhang Y., Yuan S.: Turning resistance coefficient model for skid-steer wheeled vehicles, Automotive Engineering Mi H., Yuan H., Wang Q., Zhao J.: Algorithm Research and Realization of the Turning Control System for Heavy Transportation Vehicle, Chinese journal of mechanical engineering, Vol. 25, No. 3, Cao F., Zhou Z. Y., Xu L. Y., Zhang M.: Study on Hydro-mechanical Differential Dynamic Turning Process of Tracked Vehicle, Second International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation Haggag S., Alstrom D., Cetinkunt S., Egelja A.: Modeling, Control, and Validation of an Electro- Hydraulic Steer-by-Wire System for Articulated Vehicle Applications, IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL. 10, NO. 6, DECEMBER Łopatka M. J.: Influence of Power Steering System of Directional Stability of Articulated Wheel Loader, ITELMS 2013, Panevėžys, Lithuania, May 23-24, Bartnicki A., Dąbrowska A., Łopatka M. J., Muszyński T.: Experimental Research on Directional stability of articulated Tractors, XIV Konferencja automatyzacji i Eksploatacji systemów Sterowania i Łączności ASMOR 2013, Jastrzębia Góra Bartnicki A., Łopatka M., J., Muszyński T., Jaskółowski M.: The Researches of Stability Evaluation Articulated Loader while Working on Slopes, ITELMS 2013, Panevėžys, Lithuania, May 23-24, Konopka S., Krogul P., Łopatka M. J.: Simulation Research of Hydrostatic Power System Control of Engineer Robot Manipulator, ITELMS 2013, Panevėžys, Lithuania, May 23-24,