автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Улучшение расходных и динамических характеристик пневматических тормозных систем

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Пневматический привод и пневматические тормозные системы.

1.2. Способы описания расхода газа в пневматических системах.

1.3. Учет теплообмена в математических моделях пневматических систем.

IA. Выводы и постановка задачи исследования.

2. ТЕПЛООБМЕН В ТОРМОЗНЫХ КАМЕРАХ ПРИ ТОРМОЖЕНИИ БОЛЬШЕГРУЗНОГО АВТОМОБИЛЯ С АБС

2.1. Гидродинамическая обстановка в рабочих полостях тормозных камер при работе тормозного привода с АБС.

2.2. Исследование осредненных нестационарных тепловых потоков в рабочих полостях тормозных камер

2.3. Исследование процессов стационарно-периодического теплообмена в тормозных камерах.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТОРМОЗНОЙ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ИСТОЩАЕМОЙ СИСТЕМЫ С МОДУЛЯТОРАМИ ДАВЛЕНИЯ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДУЛЯТОРОВ ДАВЛЕНИЯ

3.1. Основные допущения и положения математической модели.

3.2. Влияние интенсивности процессов теплообмена на энергетический ресурс тормозной пневматической истощаемой системы.

3.3. Влияние места установки модулятора на расходные и динамические характеристики тормозной пневматической истощаемой системы.

3.4. Влияние быстродействия модулятора давления на динамические и расходные характеристики тормозной пневматической истощаемой системы.

3.5. Совершенствование модуляторов давления.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ' И ТЕМПЕРАТУРЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Экспериментальная установка.

4.2. Средства измерения и регистрации давления и температуры.

4.3. Программа и методика экспериментальных исследований.

В В Е Д Е Н И Е Создание высокоэффективной техники, обеспечивающей снижение энергоемкости и повышение конкурентоспособности отечественной техники на внешнем рынке являются важными задачами, поставленными ХХУ1 съездом КПСС в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I—1985 годы и на период до 1990 года" Ы Особенно остро эта проблема стоит для истощаемых пневматических систем автономных транспортных средств, поскольку энергетический ресурс работы таких систем во многом определяет ресурс работы всего транспортного средства. Важнейшей народнохозяйственной задачей страны на ближайшее десятилетие, поставленной ХХУ1 съездом КПСС, является повышение эффективности и интенсификации всех сторон общественного производства. На автомобильном транспорте, значимость которого в общественном производстве постоянно возрастает, поставленная задача достигается путем роста производительности. Основными техническими факторами, способствующими ее увеличению, являются грузоподъемность и средняя скорость движения автотранспортных средств А Т С Примером истощаемой пневматической системы является тормозная система АТС, оснащенного антиблокировочной системой (АБС). В условиях возрастающей плотности транспортных потоков, увеличения количества большегрузных автомобилей и автопоездов на дорогах страны, а также наблюдаемого снижения качественного состава водителей, возможность повышения производительности автомобильного транспорта путем роста средних скоростей движения существенно ограничена необходимостью обеспечения безопасности. АБС является системой существенно повышающей активную безопасность автомобиля за счет предотвращения блокировки колес при торможении, что приводит к повышению устойчивости и управляемости автомобилем, удлиняет срок эксплуатации шин, но и вместе с тем существенно увеличивает расход сжатого воздуха из ресиверов тормозной системы автомобиля. ABC является системой экстремального регулирования и, как правило, состоит из трех основных элементов: датчика скорости колеса, связанного с электронным логическим блоком управления (БУ) который обрабатывает информацию датчика скорости колеса и подает команды на электропневматическйй модулятор давления, который модулирует давление в тормозной камере в соответствии с этими сигналами: если тормозной момент на тормозных колодках соответствует тормозному моменту, создаваемому в месте сцепления колеса с дорогой, то модулятор по команде БУ фиксирует давление в тормозной камере, отсекая ее рабочий объем от питающей магистрали, связывающей через тормозной кран ресивер с тормозной камерой. Если тормозной момент на колодках значительно меньше тормозного момента сцепления колеса с дорогой, то модулятор соединяет рабочий объем тормозной камеры с питающей магистралью, и давление в ней (и, соответственно, тормозной момент на тормозных колодках) растет; если же возникает опасность блокировки колеса, то модулятор по команде БУ отсекает рабочий объем тормозной камеры от питающей магистрали и соединяет его с атмосферой, после чего давление в тормозной камере (и, соответственно, тормозной момент) снижаются. Торможение осуществляется по трехфазному (наполнение выдержка сброс давления) или двухфазному (наполнение сброс давления) алгоритмам с частотой работы АБС до Гц в зависимости от состояния покрытия дороги, загруженности автомобиля и т.п. АБС должны устанавливаться на большегрузные автомобили и автопоезда без увеличения объемов ресиверов, поэтому проблема экономии расхода сжатого воздуха является весьма острой, так как существующие документы ЕЭК ООН I 2| предписывают единую методику испытания АТС с АБС с очень жесткими требованиями по расходу сжатого воздуха. В СССР работы по созданию АБС для отечественных большегрузных автонобилей КАМАЗ, МАЗ, ЗИЛ проводятся с 1972 года по планам Министерства автомобильной промышленности. Головным разработчиком АБС является отдел электронной автоматики Научно-исследовательского и экспериментального института автомой1льного и тракторного электрооборудования (НйИавтоприборов), который разрабатывает все элементы АБС, и в первую очередь БУ. В 1976 году была выпущена первая опытно-промышленная партия БУ, реализующих трехфазовый алгоритм работы АБС при торможении. Модуляторы давления разрабатывались в организациях НИйавтоприборов. Белорусском политехническом институте Ш й г. Минск), Харьковском автодорожном институте (ХАДй, г. Харьков), МВТУ им. Н.Э. Баумана и на автозаводах: ЗИЛ, МАЗ, КАМАЗ, ПААЗ. В 1978 году была выпущена первая опытно-промышленная партия трехфазовых модуляторов давления на базе ускорительного клапана, выпускаемого по лицензии фирмы "Вестингауз" Испытания спецавтомобиля, оборудованного АБС на шасси автомобиля ЗйЛ-130, показали, что разработанная система не отвечает международным требованиям 2 как по энергетическому ресурсу пневматической тормозной истощаемой системы, так и по эффективности торможения из-за низкого качества автоматического регулирования, вызванного низким быстродействием модулятора давления (35... 45 McJ и аналогового БУ (50... 70 мс), которое приводило к тому, что на всех дорожных покрытиях, за исключением льда, АБС работала фактически по двухфазовому алгоритму вместо трехфазового.9 Кроме этого, были отмечены явления понижения быстродействия модулятора давления в процессе работы АБС и повышения уровня остаточного давления в ресивере пневматической тормозной истощаемой системы с течением времени после торможения автомобиля с АБС при отключенном компрессоре. Предполагалось, что эти явления вызваны существенными изменениями температуры газа в ресивере при работе АБС. Необходимо отметить, что интенсивность процессов теплообмена и изменение температур в полостях пневматической тормозной истощаемой системы большегрузных автомобилей практически не исследовались. Это обстоятельство не позволяло предъявить обоснованных требований к материалам, из которых выполнялись узлы модуляторов давления, и в первую очередь к резинотканевым мембранам, широко используемым в модуляторах давления. Создание отечественной малорасходной АБС, отвечающей международным требованиям важная задача, поскольку ее решение не только повысит активную безопасность автомобиля, но и усилит конкурентоспособность отечественных автомобилей на внешнем рынке. Исследования выполнялись в соответствии с планом целевой комплексной научно-технической программы по автотранспортным средствам Минвуза СССР на I98I—1985 годы (проблема 03 "Тормозные качества АТС") и по приказам Минавтопрома 165 от 4.06.76, 12 419 от 25.II.8I. 1 Цель работы определялась проблемами, стоящими перед разработчиками АБС, и заключалась в создании на основании теоретических и экспериментальных исследований быстродействующих пневматических модуляторов давления, обладающих высокой степенью унификации, которые позволили бы настолько улучшить расходные и динамические характеристики отечественных АБС, чтобы большегрузный автомобиль, оборудованный АБС, соответствовал международным требо10 ваниям по энергетическому ресурсу тормозной пневматической системы и тормозной эффективности. Для того, чтобы предъявить обоснованные требования к быстродействию модуляторов давления, их конструкционным материалам и рационально установить модуляторы давления в тормозной системе, необходимо создать и исследовать физико-математическую модель пневматической тормозной истощаемой системы с учетом теплообмена, что в свою очередь требует экспериментального исследования процессов теплообмена в тормозных камерах. Основным методом теоретических исследований был метод имитационного моделирования рабочих процессов на ЭЦВМ при детерминированном изменении параметров, учитывающих теплообмен в рабочей полости тормозных камер, быстродействие модуляторов и длину соединительной магистрали» Объектами исследования являлись пневматическая истощаемая система, имитирующая работу тормозной пневматической системы большегрузного автомобиля, оборудованного АБС при торможении, и исполнительные органы АБС модуляторы давления. Научная новизна. I. Создана математическая модель пневматической истощаемой системы с учетом теплообмена в тормозной камере и ресивере. 2. Экспериментально исследован теплообмен в рабочих полостях тормозных камер, предложены зависимости, определяющие осреднениые коэффициенты теплоотдачи в зависимости от типа покрытия тормозной камеры. 3. Выявлено влияние на динамические и расходные характеристики истощаемых пневматических систем теплообмена в рабочей полости тормозной камеры, быстродействия модуляторов и длины соединительной магистрали. 4» Разработана методика повышения быстродействия модуляторов II при модульно-агрегатном принципе конструирования, позволяющая существенно повысить быстродействие модуляторов и снизить расход сжатого воздуха в существующих АБС настолько, чтобы они удовлетворяли международным требованиям.

Основные выводы и рекомендации диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Исследованы процессы теплообмена в тормозных камерах при характерных режимах работы АБС, получены безразмерные зависимости для определения осреднешшх коэффициентов теплоотдачи, позволяющих моделировать тепловые потоки в контрольные объемы тормозных камер.

2. Разработана математическая модель тормозной пневматической антиблокировочной системы с учетом реального теплообмена, Показано, что: а) экспериментально обнаруженная высокая интенсивность процессов теплообмена существенно влияет на расходные и динамические характеристики тормозного привода, ухудшает их на 6-10$. Перерасход газа по сравнению с адиабатными процессами для тормозных камер из сплава АЛ-13 составляет в среднем 11$, а для стальных тормозных камер с покрытием по ОСТ 37.002.0618 - 80 — 6%; б) размещение модулятора на тормозной камере большегрузного автомобиля улучшает динамические характеристики тормозного привода на 4-7% и снижает расход газа на 10% по сравнению с традиционной схемой установки модулятора на раме автомобиля; в) для обеспечения соответствия отечественных АБС международным требованиям необходимо повысить быстродействие модуляторов с 35^40 мс до 10-12 мс.

3. Разработана инженерная методика создания быстродействующих модуляторов давления при модульно-агрегатном принципе конструирования, позволяющая добиться соответствия быстродействия модуляторов давления предъявляемым требованиям, создан ряд быстродействующих модуляторов давления, защищенных авторскими свидетельствами.

Ожидаемый экономический эффект от использования результатов проведенных работ составляет 104538 (сто четыре тысячи пятьсот тридцать восемь) рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены данные о интенсивности процессов теплообмена в тормозных камерах, создана математическая модель пневматической тормозной антиблокировочной системы с учетом теплообмена для определения количественного влияния на динамические характеристики, энергетический ресурс АБС и уровни температуры газа в ресивере и тормозных камерах интенсивности процессов теплообмена, длины соединительных магистралей между модулятором давления и тормозной камерой и быстродействия модуляторов давления, что позволяет предъявить обоснованные требования к быстродействию модуляторов давления и его материалам, а также разработать рекомендации по улучшению расходных и динамических характеристик тормозных пневматических антиблокировочных систем.

1. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-—1985 годы и на период до 1990 года. Б кн.: Материалы XX7I съезда КПСС.-М.: Политиздат, I98I. с.131—197.

2. Приложения к Правилам Jn 13 ЕЗК ООН. Предписания, касающиеся испытаний тормозных систем, оборудованных антиблокировочными устройствами. Документ ЕЭК О Н 5/£С£/77?/Д, 1978. /2р. О 3 Архаров А .М., Марфенина И Б Рликулин Е .И. Теория и расчет криогенных систем. М Машиностроение,1978,—.,414 с.

3. Жуковский Б.С. Термодинамика. М Энергоиздат, 1983, S03 с.

4. Герц Е Б КрейпинГ.Б. Расчет пневмоприводов. М Машиностроение, 1975,-269 с.

5. Крейнин Г.Б. О влиянии теплообмена на процессы в полости постоянного объема. Б кн.: Теория пневмо- и гидропривода. М.: Наука, 1969, с.73 84. сл/ххиМръ Pop, {2SlUe>, 1971, ронгиз, I95I, 311 с. A/WA/H6S, 15р,

6. Мамонтов М.А. Некоторые случаи течения газа. М Обо

7. Метлюк Н.Ф., Автушко Б.П..Динамика пневматических и гидравлических приводов автомобилей. М Машиностроение, 1980. 211 с.

8. Бартош П.Р. Исследование динамики и повышение быстродействия пневматического тормозного привода большегрузных автомобилей. Дисс. канд.техн.наук. —Минск, 1979. 185 с.

9. Мотлюк Н.Ф. Динамика и методы улучшения переходных характеристик тормозных приводов автомобилей и автопоездов. —Дисс.

10. Кишкевйч П.Н. Исследования циклического режима работы пневматического тормозного привода большегрузных автомобилей. Дисс. канд.техн.наук. —Минск, 1980. —180 с.

11. Нефедьев Я.Н., Моисеева Г.М. Влияние аппаратурных погрешностей на динш»шку АБС. В кн.: Исследование автомобильных электронных систем автоматического управления. М НИНавтоприборов, 1978, с. 5—24.

12. Калинин Ю.М. Исследование импульсного торможения автомобиля. —Дйсс. канд.техн.наук. —Омск, 1972, 159 с.

13. Алекса Н.Н. Исследование влияния основных параметров модулятора давления в пневмоприводе тормозов па эффективность торможения автомобиля с противоблокировочным устройством, Харьков, 1978. 151 с.

14. Романенко Н.Т., Соллогуб Б.Н. Днншлические характеристики мембранных исполнительных механизмов. Изв.вузов. Сер. Машиностроение, 1968, Л6, с. 103—107.

15. ПогорелоБ В.И. Элементы и системы гидропновмоавтоматики. Л.: ЛГУ, 1979. —184 с.

16. Криогенные поршневые детандеры./Под ред. А.М.Архарова. -М.: Машиностроение, 1974. 237 с.

17. Круг лов М.Г. Термодинамика и газодинажка двухтактных двигателей внутреннего сгорания. М Машиностроение, I96I. 269 с.

18. Деккер Б.Е., Чанг Я.Ф. Нестационарные эффекты в процессе истечения сжатого воздуха из цилиндра через диафрагл1у. Тр. амер. о-ва инж.члех. Сер. Теоретические основы инженерных расчетов, 1968, JJ 3 с. 17—27. 2 1 Тепло- и массо-обмен. Теплотехнический эксперимент:

19. Лубенец Б.Д., Лунин Г.П., Широков Б.И. Моделирование пневматических истощаемых систем. Изв.вузов Сер. Машиностроение, 1984, М с. 86—91.

20. Попов Д.Н. Нестационарные гидромеханические процессы. М.: Машиностроение, 1982. —240 с.

21. Гидравлические и пневматические системы управления Под ред. Дж. Блекборна М.: ИЛ, 1962, 614 с.

22. Розенблнт Г.Б. Теплопередача в дизелях. М.: Машиностроение, 1977, с. 12 84.

23. Стсфановский Б.С. Тсплонапряженность деталей быстроходных поршневых двигателей. М Машиностроение, 1978. 246 с.

24. Поспелов Д.Р. Двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением. М Машиностроение, I97I, с. 24—121.

25. Пластинин П.И. Расчет и исследование поршневых компрессоров с использованием ЪШ. М БИШПИ, I98I. 168 с.

26. Joudm {I сопк/.:г.й€Уг to С йггПктЛ/пе/г/

27. Герман A.П. Влияние теплообмена между стенкахли цилиндра и воздухом на работу поршневых компрессоров. Изв. АН СССР Сер. Отд.техн.наук, 1947, Ж2, с. 105 114.

28. Пластинин П.И., ТвалчрелЕДзе А.К. Введение

29. Чирков А.А. Об уровне назгдных исследований теплопередачи в двигателях внутреннего сгорания. Изв. вузов Сер. Машиностроение, 1963, \1Ъ, с. 112 124.

30. Hegnodli W.C, {Ьг €Ьгай<4riJeiif£2 %z/z4.- Iepatt Tl Co/it/rzt y6-R-26 УА Ог- ment of ШесЛ<ш1са/&zjJee Ca,, 1972, 2SS. 38. V&P.d, WM /\/ишР.4 Ж 2 iHiof6a4 Рге4и/гс>г€7 "PeРй/С, ГРШ, Pal Cauf;mS,pj2-/e. PaJa/U/ea0cp/id &t, СЛг2:е

31. УльрихР.Д., Биртц Д.P.,Нун EX.Неустановившаяся теплоотдача Б закрытом сосуде при наддуве газом. Тр.азлер.о-ва инж.мех. Сер. Теплопередача, 1969, ]Ь2>, с. 187—188.

32. Ptuuctwn c?f eat cuicL Uru4ezM. /976 p. 466 -72. 43. ifiannmgJ.K. Же /uivnane JuSe fkexjnduc Muc. Jzainme/i anc7 Tlnlte €l/npdZude Pu/c !J)epoyi>tmeat c?f /TlecAcmicct/ S/l, MX T, /96Z ф.

33. Теория тепломассообмена: Учебник для вузов/ И.Исаев, И.А.Кокинов, Б.И.Кофанов и др.; Под ред. А.И.Леонтьева. М Высш. Школа, 1979. 495 с.

34. Лыков А.В. Теория теплопроводности. ш Высш. школа, 1966. 596 с.

35. Гухман А.А. Введение

36. Моисеев Н.Н. Математика ставит эксперимент. М Наука, 1979. 169 с.

37. Беляев Н.М. Системы наддува топливных баков ракет. М.: Машиностроение, 1976. 3 3 6 с.

38. Зиневич Б.Д., Гешлин Л.А. Поршневые и шестеренчатые пневмодвигатели горно-шахтного оборудования. М Недра, 1982.— 199 с.

39. Лубенец Б.Д., Лунин Г.П., Широков Е.К. Температурный реЖЖ в мембранном нсполштельном механизме (ГЖе) прк частотном 1 режиме работы. —Изв. вузов с. 88 90.

40. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперш/1ент: Справочник/ Е.А .Аметистов, Б.А .Григорьев, Б.Т.Емцев и .др.; Под общ. ред. В.А.Григорьева к Б.М.ооркна. М Энергоиздат, 1982. 512 с.

41. Меламуд Р.А. Характеристики электропневматических модуляторов противоблокировочных устройств. Конструирование, исследование и экономика производства автомобилей, 1980, №9, с.73.

42. Патент 2363527 (ФРГ) Антиблокировочная системаД/1илдред А. Изобретения в С С и за рубежом, 1979, вып.97 №6, с.20. СР

43. Патент 1630544 (ФРГ) Модулятор давления/ Бош Р. бретения в С С и за рубежом, 1972, вып.30, J©0, с.9. СР

44. Патент 2136446 (ФРГ) Модулятор давления/ Бош Р. бретения в С С и за рубежом, 1975, вып.61, №8, с.40. СР

45. Патент 2224274 (ФРГ) Антиблокировочное устройство/ Вабко Ф.Д. Изобретения в С С и за рубежом, 1973, вып.112 ЮЗ, с.II, СР

46. Ахметшйн A.M. Пневматический привод, повышающий качество работы автоматизированной тормозной системы автомобиля. Дисс. канд.техн.наук. М 1984. —252 с.

47. Бешелев Д., Гурвг.ч Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оденок. 2 о е изд., перераб. и доп. М Статистика, 1980. 253 с.

48. Сравнительные испытания исполнительных устройств пневмомодуляторов тормозного давления отечественной антиблокировочной системы для большегрузных автомобилей: тех. отчет /Белорусский рук. темы;. исп.; политехи, ин-т; ШМавтоприбороЁВ.П.Автуш1<о7 И.F.Бартош, Г.Ф.Бу- ИзоИзоСер. лашйностроение, 1983, }Ь 12,

49. Патент 2541563 (ФРГ) Антиблокировочное устройство/Бош Р. -Изобретения в С С и за рубежом, 1980, вып.27, /©В, V 3 3 СР 61. А.с. -p 850445 (СССР) Пневматический модлятор давления f ДШТУ им.Н.Э.Баутлана; Г.П. Лунин, Е,И .Широков. Опубл. в Б.И., 1980, J 28. f

50. Юшнйн Б.Б. Исследование шахтных пневматических машин электрическими методами измерения. М.: Госгортехиздат, 1963, с X .ОС).

51. Шушкевич В.А. Основы электротензометрии. —Минск: Бышейшая школа, 1978. 352 с.

52. Рушшлский Л.З. Математическая обработка резу.пътатов эксперимента. М Наука, I97I. 192 с.

53. Беденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: Колос, 1973. 196 с,