III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

 

Диагностика автомобильных дорог является основой системы управления состоянием автомобильных дорог, в том числе планирования, распределения и использования средств, направляемых на содержание, ремонт и реконструкцию дорог, оптимизацию программ дорожных работ.

Цель диагностики автомобильных дорог состоит в получении полной, объективной и достоверной информации о транспортно - эксплуатационном состоянии дорог, условиях их работы, а также степени соответствия фактических потребительских свойств дороги, их параметров и характеристик требованиям безопасности движения. Результаты диагностики и оценки состояния дорог должны служить надежной информационной базой для решения управленческих задач двух уровней:

• определение и оценка технического уровня, транспортно-эксплуатационного состояния, потребительских свойств автомобильных дорог;
• управление состоянием дорожной сети на основании рационального использования финансовых средств и материально-технических ресурсов.

Эффективность измерения многих параметров дорог все еще остается невысокой, отсутствует возможность одновременного измерения нескольких параметров, процесс измерения производится на малой скорости, что снижает производительность диагностических работ. В настоящее время большое значение приобретает развитие механизированных и автоматизированных методов обследования и оценки состояния автомобильных дорог, к которым предъявляются прежде всего такие требования, как:

• оперативность получения информации;
• объективность информации, скорость и простота её обработки;
• применение высокопроизводительных приборов и оборудования;
• возможность обработки полученной информации с применением ЭВМ.

Для диагностики транспортно - эксплуатационного состояния дорог, паспортизации, оперативного контроля качества дорожных работ в России, в основном, используют передвижные лаборатории типа КП - 514МП, выпускаемые Саратовским научно - производственным центром РОСДОРТЕХ (рисунок 1). Выпускаются различные модификации лабораторий, в том числе и на различных шасси (автобусов, микроавтобусов, легковых автомобилей).

Управление измерениями, обработка данных, запись результатов измерений на магнитный носитель производится с помощью бортового вычислительного комплекса.

Измерение основных геометрических параметров дорог в лабораториях осуществляется с использованием гироскопических датчиков. В процессе движения по обследуемой дороге измеряются продольный, поперечный уклоны проезжей части, изменение курсового угла. Измерения производятся в привязке к пройденному пути. В качестве датчика пути применяется специальное мерное колесо. Обработка показаний гироскопов позволяет определить радиусы кривых в плане трассы дороги, радиусы вертикальных выпуклых и вогнутых кривых, расстояние видимости проезжей части дороги, наличие виражей, переходных кривых, имеющих переменный радиус.

Одним из важнейших параметров, определяющих транспортно-эксплуатационное состояние проезжей части дорог, является показатель ровности. В передвижной лаборатории для оценки ровности используют толчкомер или прицепную установку типа ПКРС-2У.

При разработке новых технических средств диагностики автодорог следует применять датчики, обеспечивающие следующие требования к точности измерения параметров автомобильных дорог

В результате исследований разработаны основные положения концептуального плана, которым должны соответствовать перспективные лаборатории диагностики:

• применение компьютера и современных цифровых устройств управления и обработки измерительных сигналов;
• модульный принцип построения, предусматривающий стандартные интерфейсы обмена измерительных данных;
• применение эффективных технологий обработки измерительных сигналов с целью повышения точности и надежности измерений;
• применение инерциальных и спутниковых навигационных систем;
• комплексирование измерительных каналов;
• возможность привязки и внесение дорожной информации в электронные карты местности;
• автономная система энергообеспечения;
• диагностика и самодиагностика измерительных модулей;
• калибровка измерительных систем в полевых условиях;
• мониторинг измерительных систем при подготовке и в процессе измерений.

Центральной частью измерительной лаборатории является бортовой вычислительный комплекс, включающий блок управления и компьютер, и осуществляющий сбор информации, управление измерениями, обработку результатов измерений и диагностику функциональных узлов.

Данные по основным элементам плана и профиля следует определять с помощью гироскопической аппаратуры, установленной на машине. Можно также воспользоваться выпускаемыми в России интегрированными системами навигации.

Необходимо исследовать возможность применения инклинометров (электронных уклономеров) в качестве датчиков продольных и поперечных уклонов.

Экспериментальные исследования датчика пути, встроенного в привод спидометра, с целью количественной оценки влияния различных факторов на точность измерений (остановки, изменение давления в шинах, различные степени ровности дорожного покрытия и т.д.), и использование полученной поправки, а также мерного колеса как эталона, позволят повысить точность измерения пройденного пути.

Для получения географических координат объектов на дороге при работе с приложениями ГИС (геоинформационными системами) и коррекции измерений длины пройденного пути желательно применить приемную аппаратуру системы глобального позиционирования GPS/GLONASS.

Комплексирование измерительных каналов (датчики углов тангажа и курса, датчик мерного колеса, GPS/GLONASS приемник) с применением алгоритмов фильтрации информационных сигналов позволят повысить точность определения координат в плане и длины пройденного пути.

Одним из основных результатов измерений колейности на основе бесконтактных методов будет визуализация распределения деформаций дорожного покрытия и возможность оптимального выбора метода ремонтных работ по ликвидации колейности и расчета объемов строительных материалов.

В настоящее время сплошной контроль ровности дорожных покрытий осуществляют с помощью передвижной установки ПКРС или толчкомера.

Применение акселерометров для измерения вертикального перемещения колеса ПКРС позволит устранить помеховые воздействия паразитных колебаний рамы прицепа на точность измерений. Фильтрация, корреляционный и спектральный анализ результатов измерений дают возможность определения структуры неровностей по длинам волн, а также поможет выработать рекомендации по количественной оценке продольной ровности и структуры неровностей.

Перспективным является также использование ультразвуковой (лазерной) линейки для определения как поперечной, так и продольной ровности одновременно.

В целях повышения точности, датчики, измеряющие параметры дороги, предлагается установить на гиростабилизированную платформу. Стабилизаторы бывают - непосредственного, силового или индикаторного типа. Выбираем индикаторный гиростабилизатор, кинематическая схема которого представлена на рисунке 2.

Под действием вредного момента, действующего по оси стабилизации (у) платформа начнет поворачиваться вокруг этой оси. Гироскоп, установленный на платформе, сохраняет неизменным свое положение в пространстве. Следовательно, угол поворота платформы измеряется ДУ1, установленным на оси подвеса ДНГ. Этот сигнал через усилитель поступает на стабилизирующий двигатель СД1. Двигатель создаст момент, уравновешивающий вредный момент, который вызвал поворот платформы, поэтому она будет стабилизирована вокруг оси (у). Аналогичным образом осуществляется стабилизации вокруг оси (х). Сигнал с ДУ2 поступает на стабилизирующий двигатель 2.

Чтобы платформа находилась в плоскости горизонта, применена система коррекции, которая состоит из акселерометров, установленных на платформе и двигателей, которые находятся на осях подвеса платформы.

При отклонении платформы от плоскости горизонта вокруг оси (у), с акселерометра (1) снимается сигнал, который поступает на стабилизирующий двигатель СД1 и двигатель возвращает платформу в плоскость горизонта.

При отклонении платформы вокруг другой оси (х), с акселерометра (2) снимается сигнал и подаётся на стабилизирующий двигатель СД2, который возвращает платформу в плоскость горизонта.

Оба акселерометра однокомпонентные, работают как измерители наклона платформы относительно плоскости горизонта, т. е. они должны измерять проекцию только ускорения силы тяжести на их оси чувствительности.

Таким образом, платформа будет находиться в плоскости горизонта, с той точностью, которую мы должны обеспечить. При движении объекта с ускорением система коррекции отключается.

Так как платформа реализует плоскость горизонтальна, то установив ДУ на ее осях стабилизации х и у, с них получаем информацию о продольном и поперечном уклонах проезжей части.

Датчики, измеряющие параметры дороги, устанавливаются  на платформе  и будут всегда находится в плоскости горизонта, независимо от рельефа местности.

Исходя из принципа работы стабилизированной платформы, рассчитаем моменты, которые действуют на платформу.

Предварительное определение возмущающих моментов необходимо для решения двух существенно различных задач проектирования: энергетического расчета при выборе привода системы стабилизации (СС) и определения параметров регулятора, обеспечивающих требуемую статическую и динамическую точность.

В данном разделе основное внимание  будет уделено определению возмущающих моментов для выбора привода СС. При этом будем иметь в виду следующее обстоятельство. В индикаторных ГСП компенсация возмущающего момента происходит только за счет момента, развиваемого двигателем стабилизации. В то же время даже небольшое и кратковременное превышение возмущающим моментом момента разгрузки приведет (ввиду малости рабочих углов точных гироскопов) к потере устойчивости ГСП.

Поэтому наша цель - определение верхней границы возмущающего момента в наихудших условиях эксплуатации, т. е. при одновременном действии таких возмущающих факторов, как линейные и угловые ускорения, вибрация, угловые скорости. Будем считать, что возмущающие моменты от каждого фактора действуют в одну сторону (складываются).

Основные причины, вызывающие возмущения вокруг осей стабилизации, следующие:

• трение в осях карданового подвеса;
• несовпадение центра масс с осью вращения;
• упругость гибких токоподводов (в осях с ограниченным углом вращения)
• неравножесткость конструкции рам;
• взаимное влияние каналов стабилизации;
• инерция рам карданова подвеса (при некоторых типах эволюций объекта);
• инерция ротора и противо - ЭДС двигателей стабилизации при угловым движении лбъекта (для ГСП с редукторным двигателем)

Важнейшим параметром чувствительных ШП приборов точной механики является момент трения. Трение всегда возникает там, где соприкасаются под нагрузкой поверхности перемещаются относительно друг друга.

По полученной мощности выбираем двигатель из числа  асинхронных управляемых двигателей типа АДП, который применяется в приборостроении, навигационных системах на морском и речном транспорте в качестве исполнительных двигателей в следящих системах и системах автоматического регулирования.

 

Расчет усилителя

Передаточная функция усилителя имеет вид

Погрешность, обусловленная возмущающим моментом гиростабилизатора определяется как                                  .

При заданной погрешности  найдем общий коэффициент передачи системы:

Через параметры выбранного двигателя определим коэффициент демпфирования двигателя:

Зная К, можно найти коэффициент передачи усилителя:

Гиростабилизатор представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, поэтому необходимо определить условия его устойчивой работы. В первом приближении можно считать, что каналы стабилизации работают независимо друг от друга. Поэтому анализ устойчивости проводим для одного канала, структурная схема которого представлена на рисунке 4.

В качестве ДУ выбираем вращающийся трансформатор серии СКТ, который представляет собой трехобмоточную или четырехбомоточную машину. Электрическая схема показана на рисунке 5.

Обозначение выводов обмоток: возбуждения - В1, В2, квадратурной - В3, В4, синусной - С1, С2, косинусной - К1, К2. Режим работы - продолжительный.

Волновые редукторы - точность современных технологий. В условиях активно развивающейся отечественной промышленности появляется все больший интерес инженеров и разработчиков к высокотехнологичным прецизионным компонентам электропривода и, в том числе, к редукторам.

Важным условием для успешного внедрения и реализации передовых разработок, особенно в таких областях, как машиностроение и станкостроение, робототехника и медицинское оборудование, космическое приборостроение и оптические системы, является обеспечение компонентов электропривода высокими рабочими показателями. К таким показателям относятся высокие моменты нагрузки и точность (отсутствие люфтов и зазоров в передаче), большие допустимые осевые и радиальные усилия, широкий диапазон передач и прочее.

Редукторы с прямой и планетарной зубчатой передачей не могут обеспечить все требования конструкторов по точности и нагрузкам. В связи с этим все более популярными и интересными с точки зрения практического применения становятся редукторы с волновой передачей. Одним из ведущих производителей этой продукции является компания Harmonic Drive (Германия). Линейка продукции Harmonic Drive включает волновые редукторы с широким диапазоном передач, специализированные сервоприводы и сервоактюаторы с волновыми редукторами, в том числе с полым валом.

            Основными составляющими конструкции волнового редуктора являются 3 элемента: эллиптическая шайба Wave Generator, эластичная втулка Flexpline и внешнее зубчатое кольцо Circular Spline. Основной

Принцип функционирования такого редуктора заключается в следующем: шайба Wave Generator, являясь приводной частью, изменяет через шарикоподшипник форму втулки Flexpline, которая в противолежащих частях большой эллиптической оси входит в соприкосновение с внутренним зубчатым зацеплением зафиксированного кольца Circular Spline. При вращении подвижной шайбы Wave Generator  изменяется положение большой оси и, как следствие, мест соприкосновения зубчатых соединений. Разница в количестве зубьев у втулки Flexpline и у кольца Circular Spline составляет два зуба. Поэтому после половины оборота шайбы Wave Generator происходит относительное смещение между втулкой и кольцом на один зуб, а после полного оборота - на два зуба.

Такой принцип работы обеспечивает ряд ключевых преимуществ волнового редуктора по сравнению с другими конструкциями:

• отсутствие зазоров, в волновых редукторах Harmonic Drive на протяжении всего срока службы зазоры в зубчатом зацеплении не увеличиваются и не вызывают расшатывания;
• высокая переносимость движения и точность. Повторяемость волновых редукторов составляет несколько угловых секунд. Переносимость движения достигает менее 1 угловой минуты;
• высокий вращающий момент. Поскольку область зубчатого зацепления увеличена, волновые редукторы способны осуществлять передачи больших моментов, чем для обычных редукторов;
• высокая передача на одной ступени. Благодаря конструкции редуктора удается получить передаточные числа от 30:1 до 320:1 на одной ступени;
• высокий КПД. КПД серийных редукторов Harmonic Drive достигает 85%;
• высокая надежность и долгий срок службы;
• возможность исполнения редукторов с полым валом.

Указанные компоненты редуктора вместе составляют так называемый сборочный комплект. Разработчик оборудования самостоятельно обеспечивает сборку и установку элементов комплекта в узле своего устройства. Это предоставляет конструктору простор для реализации инженерных решений. Кроме того, в собранном виде с установленным ведущим подшипником данные компоненты образуют законченное изделие - волновой редуктор, готовый к установке (рисунок 6) в оборудования заказчика.

Диапазон наружных диаметров составляет от 30 до 330 мм. Максимальный крутящий момент составляет 9180 Нм, а диапазон передаточных чисел - от 30:1 до 160:1 в стандартном исполнении.            Посчитаем передаточное отношение редуктора:

Выбираем редуктор двухступенчатый с волновой передачей.

Основные преимущества этих редукторов: высокое передаточное число; высокие крутящие моменты на выходном звене; компактность; высокий КПД; малый момент инерции; высокий уровень динамичности; малый угловой зазор; малая вибрация; высокая надежность и продолжительный срок службы.

В качестве чувствительного элемента гиростабилизатора применим динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ). Вибрационным гироскопом (ВГ) называется вращающаяся или колеблющаяся динамическая система, гироскопическая реакция которой на переносную угловую скорость основания вызывает колебания (или отклонение) ее чувствительного элемента относительно опоры в соответствии со значением и знаком переносной угловой скорости.

Различают роторные вибрационные гироскопы (РВГ), у которых чувствительный элемент - ротор - вращается с помощью специального привода, и осцилляторные вибрационные гироскопы (ОВГ), у которых чувствительный элемент совершает колебательное движение с помощью возбудители колебаний.

В РВГ чувствительный элемент связан с основанием посредством упругого, электромагнитного, гидродинамического подвеса или их комбинации. Наиболее распространен упругий подвес.

В РВГ с упругим подвесом может быть осуществлена динамическая настройка, при которой обеспечивается совпадение собственной динамической частоты РВГ с собственной частотой вращения его ротора. В этом случае РВГ становится  интегрирующим гироскопом. Для динамической настройки РВГ необходимо создать динамический момент, компенсирующий упругий момент подвеса. В таком РВГ имеется элемент подвеса с собственным кинетическим моментом.

На рисунке 7 показана кинематическая схема ДНГ, в которой используется вращающийся карданов подвес ротора, называемый также шарниром Гука или универсальным шарниром.

Основным элементом ДНГ (рисунок 7) является ротор 1, подвешенный с помощью упругих подвесов 4 и 5 и внутреннего кольца (рамки) 3 вращающемся от привода 6 валу 2. В ДНГ взаимно компенсируются при динамической настройке два вида возмущающих моментов, создаваемых вращающимся внутренним кардановым подвесом, - упругий восстанавливающий и динамический опрокидывающий.

Схема ДНГ с параллельным соединением колец находит в настоящее время более широкое применение.

По сравнению с поплавковыми гироскопами ДНГ имеет ряд преимуществ:

• технологичность конструкции;
• отсутствие поддерживающей жидкости, поэтому - меньшее число функциональных элементов, а, следовательно, повышенная надежность;
• возможность функционирования в широком диапазоне температур при малом времени готовности прибора;
• малая потребляемая мощность;
• благодаря наличию внутреннего карданова подвеса, ДНГ имеет меньшие размеры и массу;
• большое расстояние между приводом и чувствительным элементом - ротором, следовательно, малое влияние тепловыделения в приводе на точность ДНГ.

Достоинства ДНГ определили их успешное использование в качестве гироблоков индикаторных стабилизаторов и бесплатформенных инерциальных навигационных систем и позволили им успешно конкурировать с гироскопами других видов, особенно в системах ориентации и навигации среднего класса точности.

В ДНГ взаимно компенсируются при динамической настройке два вида возмущающих моментов, создаваемых вращающимся внутренним кардановым подвесом, - упругий восстанавливающий и динамический опрокидывающий.

Основными элементами ДНГ с внутренним упругим кардановым подвесом являются: ротор, упругие оси и элементы регулировки, преобразователь угла, преобразователь момента, привод с двигателем и опорами, герметизированный корпус.

На рисунке 8 показаны схемы ДНГ с различным расположением ротора 1 в кардановом подвесе чувствительного элемента (ЧЭ) относительно электродвигателя, имеющего ротор 2 и статор 3, и шарикоподшипников 4, устанавливаемых в корпусе 5.

На рисунке 8-а показана схема с двумя симметрично расположенными электродвигателями обращенного типа. При такой схеме уменьшается изменение постоянной составляющей ССП при изменении температуры окружающей среды. Однако технологически обеспечить симметрию конструкции трудно, кроме того, статоры электродвигателей (источники теплоты) близко расположены к ЧЭ, поэтому схема нашла малое применение.

Схема, приведенная на рисунке 8-б, позволяет обеспечить большую угловую жесткость крепления вала (путем увеличения расстояния между опорами) при заданных габаритных размерах.

Меньшей угловой жесткостью крепления вала отличается схема, приведенная на рисунке 8-в, г, однако электродвигатель (источник теплоты и магнитных полей) удален от ЧЭ и экранирован.

В схемах, приведенных на рисунке 8-б, в, г, применяют электродвигатели обычного исполнения - ротор 2 электродвигателя внутри статора 3. Наибольшее распространение получила схема, приведенная на рисунке 8-г. В ДНГ часто используют гистерезисные электродвигатели. Стабильность частоты вращения обеспечивают специальные электронные cxeмы управления. В качестве опор вала применяют магнетные шарикоподшипники или шарикоподшипниковые опоры.

Выбор конкретной схемы ДНГ зависит от заданных точности, габаритных размеров, диапазона изменения температуры окружающей среды. Материал ротора должен быть не магнитным, однородным, хорошо обрабатываемым, обычно применяют стали. Кольца делают из алюминия, бериллия или титана.

Для нашей установки выбираем динамически настраиваемый гироскоп ГВК - 16, который обладает следующими свойствами: большой диапазон входных угловых скоростей; высокая ударная прочность (до 100 ед.); высокая точность; высокая стабильность характеристик; приборы герметичны; относительно невысокая стоимость.

На рисунке 12 представлена конструкция разработанного гиростабилизатора для установки аппаратуры, измеряющей параметры, характеризующие профиль дороги (вид спереди и сверху).

Код для цитирования: Скопировать