Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
КАЛИНИН Ярослав Владимирович
СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ПРИВОДАХ ШАГАЮЩИХ МАШИН С ЦИКЛОВЫМИ ДВИЖИТЕЛЯМИ
05.02.02 Машиноведение, системы приводов и детали машин
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград - 2012
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.
Официальные оппоненты: Герасун Владимир Морисович доктор технических наук, профессор Волгоградский государственный аграрный университет профессор кафедры Сопротивление материалов и детали машин;
Кислов Сергей Юрьевич кандидат технических наук, доцент Волгоградский государственный технический университет доцент кафедры Детали машин и ПТУ.
Ведущее предприятие ОАО ЦКБ Титан, г. Волгоград.
Защита диссертации состоится 26 апреля 2012 г. в 10 часов 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. 209.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.
Автореферат разослан л26 марта 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Быков Юрий Михайлович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования Шагающие машины могут занимать особое место в классе транспортнотехнологических комплексов в различных отраслях экономики. Это обусловлено, как невозможностью движения традиционных транспортных средств на значительной части земной поверхности (пески, лёссы, болота и др.), так и особыми свойствами шагающих машин: меньшим разрушающим воздействием на грунт, реализацией повышенных тягово-сцепных свойств, принципиальной возможностью выбора мест постановки опор механизмов шагания при курсовом движении и др.
Шагающие машины могут условно подразделяться на два типа: машины грунтовой и профильной проходимости. Машины профильной проходимости могут перемещаться по сильнопересечённой местности, в том числе и по завалам, что достигается за счёт применения механизмов шагания с несколькими степенями свободы в каждом движителе и сложной системы управления такой машиной.
Машины грунтовой проходимости предназначены для движения в основном по относительно ровному рельефу. В этом случае конструкция машины и система управления значительно проще, дешевле и надёжнее, чем у машин профильной проходимости, возможно и целесообразно применение цикловых движителей.
Приводы шагающих машин могут быть различными: механическими, электрическими, гидравлическими, пневматическими и др., при этом движитель у машин всех типов обязательно содержит механическую часть, взаимодействующую с опорной поверхностью. Применение шагающих движителей имеет определённую специфику, обусловленную кинематической незамкнутостью и неуравновешенностью большинства типов механизмов шагания. Это распространяется на все типы движителей, однако, наиболее важно для машин с цикловыми механизмами шагания. Цикловыми называются такие механимы, которые в процессе движения проходят одни и те же положения, повторяющиеся через определённый период. Как правило, такие механизмы являются неуравновешенными, что обуславливает значительные потери энергии в приводах на периодический разгон-торможение неуравновешенных масс. Их применение в качестве движителей шагающих машин вызывает потребность в непропорционально мощном двигателе курсового движения при увеличении курсовой скорости.
Установлено, что затрачиваемая на движение мощность увеличивается пропорционально кубу скорости. Увеличение скорости также вызывает рост инерционной нагруженности неуравновешенных движителей. В первую очередь данными факторами обусловлены малое распространение шагающих машин с цикловыми движителями и малые скорости их движения (0,2-0,5 км/ч). Проблема повышения курсовой скорости (без значительного увеличения потерь энергии в приводах) до технологически приемлемых 1,5-5 км/ч является наиболее актуальной при проектировании и совершенствовании шагающих машин с цикловыми движителями.
Цель исследования Разработка методов уменьшения потерь энергии в приводах шагающих машин с цикловыми движителями за счёт оптимизации параметров механизмов шагания и трансмиссии, выбора режимов движения машины и шагающих движителей.
Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ закономерностей потерь энергии в приводах шагающих машин с цикловыми движителями.
2. Разработка математической модели для динамического и энергетического анализа работы привода при поступательном режиме движения шагающей машины с цикловыми движителями при действии различных внешних сил.
3. Определение оптимальных программных режимов движения шагающей машины с цикловыми движителями, обеспечивающих минимум потерь энергии в приводном двигателе при действии различных внешних сил.
4. Разработка методики определения потерь энергии в приводе при оптимальных режимах движения шагающей машины при действии различных внешних сил.
5. Экспериментальные исследования энергетической эффективности привода шагающих машин с цикловыми движителями.
Методы исследования Методы исследования основывались на базовых дисциплинах машиноведения:
теоретической механике и мехатронике, теории механизмов и машин, а также теории электрического привода. Для поиска оптимального по введённому критерию минимума потерь энергии в приводном двигателе закона движения применялись обратные методы классического вариационного исчисления. Для решения дифференциальных уравнений движения использовались методы численного интегрирования в пакетах прикладных программ. Для проверки энергетической эффективности привода шагающих машин использовались методы физического моделирования в лабораторных условиях на основе положений теории подобия и планирования эксперимента.
Объект исследования Процессы потерь и рекуперации механической энергии в приводах шагающих машин с цикловыми движителями.
Научная новизна работы состоит в следующих основных результатах, которые выносятся на защиту:
1. Математическая модель динамики и энергетики привода при поступательном режиме движения шагающей машины, моделируемой как система твёрдых тел с цикловыми движителями, дискретно и безударно взаимодействующих с абсолютно твёрдой поверхностью при действии различных внешних сил.
2. Методика определения оптимальных программных режимов движения шагающей машины с цикловыми движителями, обеспечивающих минимум потерь энергии в приводном двигателе при действии различных внешних сил.
3. Методика определения потерь энергии в приводах при поступательном движении шагающих машин с цикловыми движителями с учётом различных внешних сил.
4. Методика выбора оптимальных параметров шагающих движителей на основе уравновешивания механизмов шагания.
5. Результаты экспериментальных исследований энергетической эффективности шагающих движителей.
Реализация результатов работы и их практическая ценность Разработанные математические модели и методики расчёта позволяют на стадии проектирования шагающих машин с цикловыми движителями осуществлять рациональный выбор параметров машины и отдельных узлов её трансмиссии, проводить модернизацию существующих машин, а также энергетически оптимально управлять движением машины при различных силах сопротивления движению.
Полученные результаты могут быть использованы при создании шагающих машин новых поколений, а также (при соответствующей модификации) применяться при оптимизации потерь энергии в приводах других цикловых механизмов.
Апробация работы Основные положения и результаты работы докладывались на:
- XIЕXIV регион. конф. молодых исследователей Волгоградской области (2006Е2009, Волгоград);
- внутривуз. научн. конф. ВолгГТУ (2008Е2012, Волгоград, ВолгГТУ);
- IV междунар. науч.-практ. конф. Прогресс транспортных средств и систем (2009, Волгоград, ВолгГТУ);
- междунар. науч. шк.-конф. Мобильные роботы (2008, 2009, Москва, МГУ);
- II Всерос. науч.-практ. конф. Экстремальная робототехника (2008, СПб);
- V науч.-техн. конф. МАУ-2008 в рамках II рос. мультиконф. по пробл. упр.
Мехатроника, автоматизация, управление (2008, СПб);
- междунар. науч.-техн. конф. ИИ-2008 Искусственный интеллект.
Интеллектуальные системы. (2008, пос. Кацивели, АР Крым, Украина);
- междунар. науч.-техн. мультиконф. ИКТМР-2009, локальная конф. ХХ междунар. науч.-техн. конф. Экстремальная робототехника. Нано-, микро- и макророботы (2009, Геленджик), - шк.-конф. с междунар. уч РОБОТЫ-2010 (2010, Москва, МГУПИ);
- 13-ой междунар. конф. по ползающим и шагающим роботам CLAWAR (NITech, Nagoya, Japan, 2010);
- 7-й науч.-техн. конф. "Мехатроника, автоматизация, управление" (МАУ-2010), в рамках 3-й мультиконф. по проблемам управления (МКПУ-2010), (2010, СПб);
- Х Всеросс. съезде по фундам. пробл. теоретич. и прикл. механики (2011, г.
Н.Новгород);
- IV Всерос. мультиконф. по пробл. упр. МКПУ-2011 (2011, Геленджик);
- междунар. науч.-техн. конф. Экстремальная робототехника (2011, СПб).
Публикации По результатам диссертационного исследования опубликовано 25 печатных работы, из них 5 в периодических изданиях по списку ВАК РФ и 3 в иностранных изданиях. Результаты работы нашли отражение в научно-исследовательских отчетах кафедры Теоретическая механика ВолгГТУ, имеющих государственную регистрацию.
Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации - 136 с., в тексте содержится 5 таблиц и 38 рисунка. Список литературы из 192 наименований представлен на 21 с.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности темы исследования в связи с расширением сфер применения транспортно-технологических комплексов для специальных условий и потенциальной эффективностью применения в этих целях шагающих машин, а также общую характеристику диссертационной работы.
В первой главе показана актуальность применения шагающих машин, дана их классификация, проведён анализ образцов шагающих машин и исследований по методам моделирования динамики движения шагающих машин, управления ими, а также основным проблемам приводов и энергетики шагающих машин, представленных в трудах В.В. Белецкого, К. Бернса, Н.Н. Болотника, Е.С. Брискина, К.Дж. Валдрона, М. Вукобратовича, Ю.Ф. Голубева, С.И. Гончарова, В.Г. Градецкого, Е.А. Девянина, В.В. Жоги, А.Л. Кемурджиана, В.В. Лапшина, В.Б. Ларина, Р.Б. Макги, Ю.Г. Мартыненко, Д.Е. Охоцимского, В.Е. Павловского, А.К. Платонова, В.Е. Пряничникова, Н.В. Умнова, Ф.Л. Черноусько, В.В. Чернышева, А.С. Ющенко, С.Ф. Яцуна и др.
Анализ проведенных исследований показывает, что имеется значительный потенциал применения шагающих машин в специальных условиях, когда они превосходят по эффективности традиционные колёсные и гусеничные транспортные средства. В первую очередь это обусловлено эффективностью применения шагающих машин для перемещения по неорганизованной поверхности, в том числе при наличии на пути следования машины зон, запрещённых к наступанию. Все эти свойства обеспечивают возможность эффективного применения шагающих машин на сложно пересечённых местностях, в сельском хозяйстве, в военном деле, при ликвидации последствий техногенных и природных катастроф, для исследования поверхности планет и др.
Сформулированы цель и задачи исследования по снижению потерь энергии в приводах шагающих машин с цикловыми движителями.
Вторая глава посвящена описанию математической модели энергетики движения шагающей машины с цикловыми движителями общего вида.
Для шагающих машин с цикловыми движителями, движущихся равномерно или с переменными скоростями без остановки корпуса машины в процессе движения, правомерна постановка задачи определения такого закона изменения горизонтальной скорости центра масс корпуса шагающей машины, при котором мощность приводного двигателя курсового движения при постоянном моменте на валу двигателя во время движения будет минимальна и постоянна. При этом физическая сущность тепловых потерь в двигателе объясняется выделением и рассеянием джоулева тепла в обмотках электрических двигателей и необратимостью термодинамических процессов рабочего цикла для тепловых двигателей.
Генерируемый двигателем переменный момент вызывает повышенное выделение и рассеяние тепла (что, в конечном итоге, и обуславливает потери энергии в приводе).
Так как в целом за цикл (один оборот кривошипа ведущего звена механизма шагания) полезная работа при существующих законах управления и при энергетически эффективном управлении, минимизирующем тепловые потери, одинакова, то энергия, теряющаяся в двигателе при постоянном моменте в случае энергетически эффективного управления будет всегда не больше потерь энергии, обусловленных применением любого другого закона управления движением с переменным моментом на валу двигателя.
Необратимые потери мощности W (тепловые потери) для различных типов электрических и тепловых двигателей по разному зависят от момента М, развиваемого двигателем и в общем случае представляются полиномом:
N n W M. n 0,1,...N (1) n nПри модельной оценке энергетически эффективного поступательного движения шагающая машина представляется системой трёх твёрдых тел: корпуса и двух стоп, соединённых друг с другом безынерционными обратимыми механизмами и приводимых в движение одним двигателем. Такая модель оценки энергетики движения соответствует кинематической схеме шагающей машины Восьминог с одностепенными движителями и не может быть распространена на общий случай для движителей с большим числом степеней подвижности и/или с индивидуальными приводами. Рисунок 1 представляет расчётную схему модели.
Рисунок 2 иллюстрирует схему привода шагающей машины.
Q x1, x Рисунок 1 Ч Расчётная схема поступательного движения шагающей машины Рисунок 2 Ч Структурная схема привода шагающей машины Рекуперация энергии происходит следующим образом. В той фазе цикла шага, когда требуется ускоренное движение переносимой стопы, вторая стопа, находящаяся в опоре, и корпус машины движутся замедленно. За счёт инерции корпуса, момент на ведущем валу второго механизма шагания становится отрицательным, и, при постоянстве момента развиваемого двигателем, момент на ведущем валу первого механизма возрастает. Таким образом, перераспределение кинетической энергии осуществляется от корпуса к ускоренно движущемуся механизму шагания и, аналогично, в обратном направлении при замедлении.
Следовательно, при соответствующем выборе параметров механизма шагания и системы управления им можно добиться того, чтобы мощность, развиваемая двигателем была минимальной.
Математическая модель шагающей машины при исследовании модельной задачи минимизации потерь энергии в приводном двигателе включает в себя:
дифференциальные уравнения (в форме уравнений Лагранжа I рода) движения корпуса машины и стоп, рассматриваемых как твёрдые тела, совершающие поступательные движения вдоль горизонтальной оси, уравнения голономных связей, устанавливающие зависимости между угловыми перемещениями ведущих звеньев механизмов шагания, перемещением переносимого механизма шагания и перемещением корпуса машины, а также уравнение двигателя при постоянной скорости его выходного звена. Для случая общего вида силы сопротивления движению Q x1, x1, зависящей от координаты центра масс корпуса и его скорости, получаются следующие дифференциальные уравнения механической системы:
Mx 1 Q x1, x1, mx2 2, (2) x 1 0, x2 2 0, 1 L 1 2 0, где M, m Ч масса корпуса машины и эквивалентная масса звеньев механизмов шагания, находящихся в фазе переноса, приведенная к опорной точке; x1, x2 Ч абсолютные горизонтальные координаты корпуса машины массы M и опорной точки переносимого механизма шагания массы m соответственно; 1, 2 Ч неопределенные множители Лагранжа; Q - сила сопротивления, приложенная к корпусу, зависящая в общем случае от координаты и скорости корпуса; Ч обобщенная координата приводного двигателя (например, угол поворота), при этом const ; 1 , 2 Ч передаточные функции, определяющие голономные стационарные связи между координатами двигателем и рассматриваемых тел; L Ч генерируемая двигателем обобщенная сила (в рассматриваемом случае момент).
После преобразований первых двух уравнений системы, дифференцирования по времени третьего и четвёртого уравнений (2) и подстановки всех полученных результатов в последнее уравнение системы (2) получается следующее уравнение баланса мощности механической системы L Mx1x1 mx2x2 Q x1, x1 x1 T Q x1, x1 x1, (3) где Т - кинетическая энергия механической системы.
Для того чтобы минимизировать потери энергии в приводном двигателе (например, тепловые потери в обмотках двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением), необходимо обеспечить минимум функционала 2 A L2dt T Q x1, x1 x1 dt. (4) 0 Преобразование от первого функционала (4) ко второму выполнено в силу условия голономных связей const, описываемых третьим и четвёртым уравнениями системы (2), а также при выборе параметра n в уравнении (1) равном 2.
При учёте дополнительных условий совместности перемещения корпуса и движителей машины 2 x1dt S, x2dt 2S, (5) 0 где S Ч длина шага механизма шагания, Ч период движения (период одного оборота ведущего кривошипа механизма шагания).
С учетом изопериметрических по смыслу ограничений (5) функционал (4) следует преобразовать к виду, обеспечивающему учёт введённых интегральных ограничений, и решать задачу методом неопределённых множителей Лагранжа H T Q x1, x1 x1 1x1 2x2 dt, (6) где 1, 2 - неопределенные множители Лагранжа.
Определение законов движения корпуса и переносимого механизма шагания, доставляющих минимум функционалу (6), при различных видах зависимостей сил сопротивления сводится к одному общему дифференциальному уравнению, которое обобщает их и описывает соответствующую энергетической оптимальности по критерию минимизации тепловых потерь энергии в приводном двигателе специфику движения шагающей машины d 2 T Q x1, x1 x1 0 T Q x1, x1 x1 Q x1, x1 x1dt Qcpx1cp. (7) dt Причём постоянство мгновенной мощности механической системы корпуса и переносимого движителя при наличии сил сопротивления следует из введённых изопериметрических условий и налагаемых граничных условий, описывающих скорости корпуса и опорных точек в момент смены опорных точек механизма шагания (в момент переступания) x1 0 x1 2 x10, (8) x2 0 x2 2 0, где x10 - скорость корпуса шагающей машины в момент переступания.
Дальнейшее исследование ведётся с использованием безразмерных критериев, которые обеспечивают простоту и наглядность исследования процессов, описываемых размерными уравнениями Согласно основным теоремам теории подобия, вводятся следующие безразмерные критерии:
m M Ч безразмерная масса;
q Q Ma Ч безразмерная сила сопротивления;
ta x10 Ч безразмерное время;
x10 a Ч угол поворота ведущего звена механизма шагания (для шагающей машины Восьминог угол поворота кривошипа), при котором, двигаясь равнозамедленно с ускорением a, шагающая машина останавливается; где угловая скорость ведущего кривошипа механизма шагания;
2 x2 x10 Ч безразмерная скорость опоры механизма шагания в фазе переноса отнесённая к максимальной скорости корпуса.
Такая система безразмерных критериев, состоящая из пяти параметров (, q, , , 2) при обеспечивает полноту и замкнутость, необходимую для исследования дифференциальных уравнений движения, получаемых в результате решения вариационной задачи на минимум потерь энергии в приводном двигателе и содержащих восемь размерных параметров (m, M, Q, a, t, , x2, x10 ). Разница между числом размерных и безразмерных критериев составляет 8 - 5 = 3 используемых в исследованиях размерности (время, масса и длина).
Законы движения корпуса шагающей машины и переносимых масс определяются на основе уравнений движения, следующих из (7) при задании движения корпуса, а из полученных уравнений движения определяется закон движения переносимой массы Система из двух уравнений, с двумя неизвестными функциями (движение корпуса и движение опорной точки механизма шагания, находящегося в переносе), следующих из решения вариационной задачи, свелась к одному уравнению, связывающему эти функции, и поэтому можно, задавая одну из них, получать вторую, обеспечивающую минимум функционала (6). С целью обеспечения минимума ускорения корпуса машины целесообразно принять равнопеременный закон его движения, удовлетворяющий (8) x10 at, 0 t 4, x1 (9) x10 a at , 4 t 2.
4 Интегрирование (7) при учёте (8, 9) и использовании безразмерных критериев даёт искомые зависимости x2 t или x2 , которые и будут обеспечивать движение с минимумом потерь энергии на разгон-торможение неуравновешенных движителей при учёте подъёма-опускания корпуса машины или без такого учёта (рисунок 3).
Полученные графики энергетически оптимального движения для постоянной силы сопротивления и переменной силы, обусловленной постоянной составляющей и подъёмом-опусканием корпуса по прямым достаточно схожи, так как при подъёме-опускании корпуса по прямым фактически на разных четвертях периода шага действуют различные, но постоянные силы сопротивления. В случае подъёмаопускания по прямым происходит лишь сдвиг оси вертикальной симметрии графика относительно четвертей оборота (полного поворота) кривошипа.
При сопоставлении реализуемого в машине Восьминог и оптимального законов движения для постоянной силы сопротивления и подъёма-опускания корпуса по траектории, близкой к отрезкам прямым, на этапе опоры законы близки, а на этапе переноса могут отличаться на величину порядка 15-40%.
x2r S Рисунок 3 - Сопоставление законов переноса механизма шагания в относительном движении x2r x2 x1 2 1 при S = 0,940 м, Q = 500 H;
Vcp = 2,0 м/с; = 0,005; 1 - машина Восьминог; 2 - оптимальное с точки зрения потерь энергии движение при учёте силы сопротивления без подъёма-опускания корпуса; 3 - оптимальное с точки зрения потерь энергии движение при учёте силы сопротивления и подъёма-опускания корпуса по прямым при k = 0,04 (где k y x1 x1 - параметр несовершенства траектории опорной точки механизма шагания).
В третьей главе рассматривается энергетика оптимального режима движения и статическое уравновешивание рычажных механизмов шагания Чебышева-Умнова.
Величина потерь энергии будет пропорциональна квадрату выражения T Q x1, x1 x1, значение которого определяется из условия равенства значений интегралов от T Q x1, x1 x1 и от константы С, следующего из их равенства друг другу. При этом интегралы удобно взять за половину периода оборота ведущего кривошипа механизма шагания, так как при этом равен нулю интеграл от T при установившемся движении. В общем виде потери энергии:
2 2 4 A Wdt Q x1, x1 x1dt dt. (10) 2 2 0 0 Для частного случая постоянной силы сопротивления:
Q2Vcp A . (11) Для случая переменной силы сопротивления, зависящей только от координаты:
, 0 x1 S / kxQ x1 k S / 2 x1, S / 2 x1 S выражение для потерь энергии имеет вид:
4 k2Vcp A . (12) 512для машины, корпус которой совершает колебания в вертикальной плоскости за счёт несовершенства траектории опорной точки механизма шагания, по закону, 0 x1 S / kxy x1 k S / 2 x1, S / 2 x1 S (13) 2 2 2 M g2k S2 M g2k2SA .
2 Vcp При этом тепловые потери в электродвигателях приводов реальных шагающих машин (в том числе шагающей машины Восьминог) растут пропорционально кубу скорости, а при обеспечении энергетически оптимального закона переноса движителя линейно зависят от периода его движения .
Чем выше средняя скорость, тем меньше и, следовательно, меньше тепловые потери в двигателе. Это достигается постоянством развиваемого двигателем момента, что, например, для двигателей постоянного тока соответствует постоянному по величине току, для двигателей переменного тока Ч постоянному действующему значению тока, для тепловых двигателей Ч постоянному часовому расходу топлива.
На основе общей теории уравновешивания с применением трёхвекторных контуров, позволяющих легко определять аналитические зависимости для угловых скоростей и ускорений всех звеньев, входящих в рычажный четырёзхвенный механизм шагания, возможно осуществить полное статическое уравновешивание механизма шагания без увеличения его массово-габаритных параметров, за счёт отказа от коромысел с заменой их на профилированные направляющие, видоизменения шатуна с целью облегчения (рисунок 4).
Проведённые структурные изменения в механизме шагания и предлагаемая схема присоединения уравновешивающих грузов, позволяют осуществить полное статическое уравновешивание механизма шагания при неизменной массе механизма шагания и машины в целом (снижение приведённой массы движителя на 24,32% по сравнению с исходным - по методике сравнения эквивалентных движителей), а также без изменения кинематических характеристик движителя.
а) б) Рисунок 4 - Исходный а) и видоизменённый и уравновешенный статически б) механизмы шагания Чебышева-Умнова В четвертой главе приводится методика и результаты экспериментальных исследований энергетики прямолинейного движения на колёсно-шагающем макете (рисунок 5). Приведен анализ результатов, выводы и рекомендации.
1 Рисунок 5 - Общий вид колёсно- шагающего макета Основной измеряемой величиной в экспериментальном исследовании была сила тока в двигателе постоянного тока при постоянном напряжении. Погрешность измерений напряжения цифровым мультиметром со встроенным АЦП с двойным интегрированием MS 8226 DMM и силы тока токовыми клещами со встроенным АЦП 266 FT Clamp Meter составила не более 5%, расхождение потерь энергии с теоретическим прогнозом оказалось менее 10%, что свидетельствует об адекватности разработанных математических моделей.
На рисунке 6 представлены зависимости силы тока в двигателе в течение одного цикла шага.
На рисунке 7 представлены зависимости максимальной силы тока в цепи двигателя привода курсового движения колёсно-шагающего макета при различных длинах звеньев механизма шагания.
Рисунок 6 - Ток в двигателе в течение цикла Рисунок 7 - Влияние изменения геометрии звеньев на энергетику движения шагающей машины (на примере колёсно-шагающего макета) Проведённые экспериментальные исследования показали высокий потенциал простой и надёжной схемы шагающего механизма Чебышева-Умнова для дальнейшего совершенствования. Также экспериментальные исследования подтвердили правильность и надёжность теоретических выводов, позволяющих улучшить динамические и энергетические свойства этого циклового механизма шагания.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработанная математическая модель динамики и энергетики поступательного движения шагающей машины, моделируемой как системы твёрдых тел на плоской твёрдой горизонтальной поверхности, позволяет определять и минимизировать потери энергии в приводном двигателе при различных законах изменения внешних сил. Адекватность разработанных математических моделей подтверждается хорошей сходимостью с экспериментальными данными.
2. Предложена методика синтеза оптимальных программных режимов движения на основе разработанной математической модели.
3. Разработана методика определения потерь энергии в приводном двигателе при реализации оптимального закона движения корпуса шагающей машины и переносимого механизма шагания.
4. Предложена схема уравновешивания шагающего движителя, состоящего из сдвоенных механизмов шагания Чебышева-Умнова. При этом удаётся сохранить относительною простоту конструкции шагающей машины, а, следовательно, и надёжность, а также полностью статически уравновесить движитель при незначительном увеличении его массы при сохранении габаритов, что и у неуравновешенного движителя.
5. Проведены экспериментальные исследования по уравновешиванию шагающих движителей на аналоге балансировочного станка для шагающих движителей и энергетики движения на макете шагающей машины типа рикша, основанные на методе определения токов в двигателе при неизменном напряжении питания. В результате численного моделирования движения шагающей машины были подтверждены известные и предсказанные теоретически динамические и энергетические эффекты, возникающие при движении шагающей машины.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих 15 работах (из общего числа 25 печатных работ):
Статьи в периодических изданиях перечня ВАК 1. Калинин, Я.В. Оценка энергетической эффективности шагающих машин с цикловыми движителями / Я.В. Калинин // Изв. ВолгГТУ. Сер. "Актуальные проблемы упр-я, выч. техники и информатики в техн. системах". Вып. 7 : межвуз.
сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2009. - № 12. - C. 40-44.
2. Шаронов Н.Г., Калинин Я.В. Синтез алгоритма управления приводом цикловых движителей шагающей машины в особых условиях // Изв. ВолгГТУ.
Серия "Актуальные проблемы упр-я, выч. техники и информатики в техн.системах".
Вып. 9 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 11. - C. 40-43.
3. Брискин, Е.С. Об энергетически эффективных алгоритмах движения шагающих машин с цикловыми движителями / Е.С. Брискин, Я.В. Калинин // Изв.
РАН. Теория и системы управления. - 2011. - № 2. - C. 170-176.
4. Брискин, Е.С. Энергетическая эффективность цикловых механизмов робототехнических систем / Е.С. Брискин, Я.В. Калинин, В.В. Чернышев // Вестник Нижегородского ун-та им. Н.И. Лобачевского. - 2011. - № 4 (часть 2). - C. 69-71.
5. Калинин Я.В., Шаронов Н.Г., Серов В.А. Энергетически эффективные режимы управления приводами при согласованном групповом движении транспортных модулей / Я.В. Калинин // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы упр-я, выч. техники и информатики в техн. системах". Вып. 12: межвуз.
сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 11. - C. 16-19.
Статьи и доклады в российских изданиях 6. Об энергетических требованиях к цикловым механизмам шагания / Е.С.
Брискин, Я.В. Калинин, В.А. Шурыгин, Л.А. Рабинович // Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ-2008): 5 науч.-техн. конф. в рамках 2 рос.
мультиконф. по пробл. управления: матер. конф., Санкт-Петербург, 14-16 окт. 20г. / Гос. науч. центр РФ ЦНИИ "Электроприбор" [и др.]. - СПб., 2008. - C. 154-157.
7. Брискин, Е.С. Об энергетических характеристиках цикловых механизмов шагания / Е.С. Брискин, Я.В. Калинин, В.А. Шурыгин // Экстремальная робототехника. Нано-, микро- и макророботы (ЭР-2009), матер. ХХ междунар.
науч.-техн. конф. / ЮФУ [и др.]. - Таганрог ; СПб., 2009. - C. 159-162.
8. Калинин, Я.В. Об энергетической эффективности цикловых шагающих движителей / Я.В. Калинин // Прогресс трансп. ср-в и с-м - 2009: матер. междунар.
н.-пр. конф., Волгоград, в 2 ч. Ч. 2 / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2009. - C. 171-172.
9. Калинин, Я.В. Методы построения энергетически оптимальных алгоритмов движения шагающих машин / Я.В. Калинин // Вестник Волгогр. гос. унта. Серия 9, Исследования молодых учёных. - 2010. - Вып. 8, ч. 2. - C. 124-128.
10. Брискин, Е.С. Об энергетически эффективных механизмах мобильных роботов / Е.С. Брискин, А.В. Малолетов, Я.В. Калинин // Экстремальная робототехника: тр. междунар. конф. с элементами науч. школы для молодёжи, 12-окт. 2010 г. / СПбГПУ, ЦНИИ РТК. - СПб., 2010. - C. 214-217.
11. Брискин, Е.С. Построение алгоритмов движения шагающих машин, минимизирующих энергозатраты / Е.С. Брискин, Я.В. Калинин // Матер. 7-й науч.техн. конф. "Мехатроника, автоматизация, управление" (МАУ-2010), проводимой в рамках 3-й мультиконф. по проблемам управления (МКПУ-2010), 12-14 окт. 2010 г. / ГНЦ РФ ОАО "Концерн "ЦНИИ Электроприбор" [и др.]. - СПб., 2010. - C. 83-86.
12. Энергетически эффективные движители шагающих машин / Е.С.
Брискин, Я.В. Калинин, А.В. Малолетов, В.В. Чернышев // Четвёртая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления. МКПУ-2011 (с.
Дивноморское, Геленджик, 3-8 окт. 2011 г.) : матер. / Ин-т машиноведения им. А.А.
Благонравова РАН, НИИ многопроцессорных вычислит. систем им. проф. А.В.
Каляева ЮФУ [и др.]. - М. ; Таганрог, 2011. - Т. 2. - C. 179-181.
Статьи и доклады в иностранных изданиях 13. Брискин, Е.С. О минимизации энергозатрат при движении шагающей машины с цикловыми движителями / Е.С. Брискин, Я.В. Калинин // Искусственный интеллект (Украина). - 2008. - № 4. - C. 522-532.
14. Walking machines (elements of theory, experience of elaboration, application) / Е.С. Брискин, В.В. Жога, В.В. Чернышев, А.В. Малолетов, Я.В. Калинин, Н.Г. Шаронов // Emerging Trends in Mobile Robotics : proc. of the 13th Int. Conf. on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, Aug.- 3 Sept. 2010 / NITech. - Nagoya, Japan, 2010.- P. 769-776. - Англ.
15. Брискин, Е.С. On Energetically Efficient Motion Algorithms of Walking Machines with Cyclic Drives / Е.С. Брискин, Я.В. Калинин // Journal of Computer and Systems Sciences International. - 2011. - Vol. 50, № 2. - C. 348-354. - Англ.
Подписано в печать ___.___.2012 г. Заказ № 227. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0.
Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета 400005, г. Волгоград, ул. Советская,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям