Методика и алгоритмы стендового автоматизированного контроля и диагностики рулевых механизмов со встроенными усилителями

Автомобильный парк России включает 29 млн. автомобилей. Из них ежегодно около 200 тысяч становятся участниками дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Это по официальной статистике ГИБДД без учета ДТП, в которых участники «разбираются на месте». Около 15% ДТП происходит из-за технической неисправности автомобилей. Истинная цифра существенно выше, поскольку техническая неисправность часто исчезает в размытой формулировке «не справился с управлением». Из-за отсутствия в стране требуемой по условиям дорожного движения базы и технологий контроля технического состояния автомобилей, объективной потери интереса у автовладельцев к проблеме безопасности дорожного движения (БДД), низкой правовой культуры и других причин количество автомобилей, техническое состояние которых не соответствует требованиям БДД, может достигать 30 и более процентов.

Ситуация в стране по данному вопросу близка к критической. Стал привычным поверхностный осмотр автомобилей с большими нарушениями ГОСТов и Правил проведения Государственного технического осмотра (ГТО). Формально в стране обеспечивается надзор за допуском к эксплуатации исправных автотранспортных средств (АТС), его осуществляет ГИБДД — государственная надзорная структура. По различным причинам доминантой в контроле технического состояния АТС при ГТО многие годы являются учетно-регистрационные и осмотровые операции — сверка номеров, проверка наличия аптечки, огнетушителя, знака аварийной остановки, проверка «люфта руля» покачиванием рулевого колеса и т. п. Кроме этого, существует еще и «национальная традиция» прохождения ГТО «по знакомству». Сказанное вовсе не преследует цели бросить тень на ГИБДД и упрекнуть в отсутствии у нее озабоченности проблемой безопасности, связанной с техническим состоянием АТС. Главная причина низкой эффективности надзора за соответствием конструкции АТС требованиям БДД — отсутствие достаточного количества контрольно-диагностических средств и специальной подготовки персонала, способных обеспечить требования государственных нормативов.

Управление техническим состоянием (ТС) автомобилей в развитых странах достигается благодаря системе независимого инструментального контроля (НИК), управляемой государством. Международное сообщество придает исключительную значимость росту качества инструментального контроля ТС автотранспорта. В ближайшей перспективе — введение единого сертификата, который при пересечении границы станет своеобразной визой для автотранспортного средства.

Реагируя на происходящие в мире изменения в технике и технологиях надзора за ТС автотранспортных средств, Россия также приступила к введению обязательного инструментального (приборного) контроля ТС своих АТС при техническом осмотре и перерегистрации.

Формально задача технической эксплуатации АТС и его систем, как известно, сводится к определению и реализации мероприятий по поддержанию исходного качества АТС на возможно длительном отрезке времени или пробеге. Управление уровнем качества в эксплуатации рулевых систем как совокупности их функциональных свойств в этой связи требует организации регулярных процедур контроля этих свойств. Сегодняшний уровень развития технологии и техники такого контроля признан удовлетворительным быть не может, поскольку приборному контролю в эксплуатации подвергается только люфт, в то время как современные рулевые системы представляя собой комплекс механической разомкнутой и гидромеханической замкнутой следящей систем, обладают соответствующим комплексом самых разнообразных свойств, которые присущи неавтоматическим и автоматическим системамдемпфирующих и упругих, чувствительности и точности, быстродействия и помехозащищенности и т. д.

Суть проблемы сегодняшнего дня состоит в необходимости создания производственной базы инспекционного контроля и оснащения автотранспортной отрасли такими средствами эксплуатационного контроля ТС, диагностики агрегатов и систем АТС, которые были бы способны обеспечить необходимое сопряжение эксплуатационной системы контроля с инспекционной, государственной. Потребность в разработке современного диагностического оборудования для автотранспортной отрасли приобретает в этой связи особую актуальность в приложении к различным системам автомобиля, в первую очередь к системам, определяющим БДД. К таким системам относится рулевая система автомобиля. Проблема контроля её технического состояния по существу адекватна проблеме создания стендовых систем контроля свойств управляемости автомобиля.

Действующая практика контроля технического состояния рулевых систем, а следовательно, и сохранения в эксплуатации свойства управляемости АТС при инспекционном контроле сегодня узаконила концепцию оценки ТС рулевых систем «слепым» методом визуальным осмотром. Применение научного термина «органолептический метод» не меняет его сути — он определяет ТС рулевых систем и управляемости АТС «на глазок». Отсутствие технологий строгой оценки в эксплуатации ТС рулевых систем, систем сложных, многофункциональных с элементами автоматики привело к невосприятию в эксплуатации вообще свойства управляемости автомобилей, как объекта внимания специалистов, приучило эксплуатационников к мысли об отсутствии необходимости владеть технологией управления этим свойством автомобиля, к мысли о том, что его управление значимо для этапов проектирования и производства и что использование этой проектно-производственной технологии для выработки собственных, эксплуатационных и инспекционных методик оценки управляемости автомобильной техники лишено смысла. Такое восприятие проблемы ошибочно. Управляемость АТС — важнейшее для БДД свойство автомобиля и должно обеспечиваться на всех этапах его жизни технологиями контроля как совокупности научно обоснованных алгоритмов расчетной и экспериментальной оценки измерителей этого свойства и поддержания его в условиях эксплуатации на уровне измерителей, соответствующих этапам проектирования и производства. В поле зрения эксплуатационных служб в силу невладения ими природным механизмом формирования этого свойства и влияния на БДД сохраняются только задачи выдержки сроков и полноты профилактических работ по элементам рулевой системы. Незнание указанного механизма объясняет тот факт, что технология выполнения этих работметодика, оборудование, приборы, персонал, часто технически и морально несовершенны и не отвечают требованиям строгой оценки всех свойств рулевых систем, формирующих свойство «управляемость автомобиля» .

Отечественная практика эксплуатации и контроля состояния рулевых систем не отследила момент, когда их конструкция во многих современных автомобилях стала принципиально отличаться от классических механических рулевых систем, не восприняла даже отечественного многообразия этих конструкций, которое многократно увеличилось вместе с притоком в парк страны большого числа иномарок. Реакции эксплуатации не последоваловзгляд на рулевые системы и уход за ними все еще сохраняется «классическим»: контроль и обслуживание сводятся к регламентным работам и замене «рулевых наконечников». Инспекционный контроль, как уже отмечалось выше, также сохраняет «классический характер»: проверяется состояние рулевой системы все тем же «покачиванием» рулевого колеса.

Конструкции современных рулевых систем переместились в новый класс — класс комбинированных автоматизированных систем с параллельными силовыми следящими т. е. автоматическими, каналами, использующими энергию внешних источников, преимущественно гидравлических, реже электрических. Они отличаются принципиально новой структурой функциональных свойств и исключительно широким спектром конструктивных решений (схемы МАЗ, ЗИЛ, ГАЗ, УРАЛ, Zahnradfabrik, Ikarus, Fiat, Kalconi, Fulmina, Ford, Bendix, Vickers, Orbitroi и многие другие). Последние делают частные их варианты структурно различными и, следовательно, различающимися по свойствам, а часто и по методам оценкирешений, изменяющих структуру своих математических моделей в различных режимах движения автомобиля, а значит, требующих применения разнообразных аналитических и экспериментальных средств познания их свойств и управления этими свойствами на различных этапах их жизненного цикла.

С учетом изложенного, становится очевидной необходимость создания контрольно-диагностического оборудования для оценки ТС рулевых системоценки поэлементной и в сборе. Каким должно быть это оборудование, если рулевая система как объект диагностирования при общем функциональном назначении отличается множественностью компоновочных схем каналов усилителей, конструкцией демпферов, регуляторов расхода рабочей жидкости конструкций узлов традиционных механических конструкций? Очевидно, что будущее за универсальным и многофункциональным стендовым оборудованием [43], что принятая сегодня структура, точность и методы измерения диагностируемых параметров не предел, что оборудование должно быть прогрессивным, способным к модернизации при возникновении новых, конструктивных схем рулевых систем с усилителями, при сохранении исходных принципов и концепцийчто должны быть учтены сегодняшние мировые приемы создания контрольно-диагностического оборудования, которые базируются на широком применении автоматики и компьютерных технологий [27,28,32,40,41], обеспечивающих полноту контроля, его высокую точность, низкий уровень требований к обслуживающему персоналу, возможность быстро анализировать и хранить информацию, прогнозировать техническое состояние объектов диагностирования.

Из всего многообразия комбинированных рулевых систем наибольшую сложность для контроля ТС представляет самый распространённый в практике их тип — системы с интегральным усилителем, который собран в общем с рулевым механизмом картере и представляет собой собственно гидроусилитель (золотниковый распределитель) как устройство управления энергией внешнего источника и силовой цилиндр. Такая компоновка сегодня наиболее часто реализуется в конструкциях АТС. Чтобы избежать методических ошибок представляется целесообразным вконцепцию многофункциональных стендов для контроля ТС таких комбинированных рулевых механизмов с интегрально собранными гидроусилителями. положить математические модели их функционирования в режимах с определённой точностью приближенных к реальным. Математические модели, как отображение реальной физики процессов функционирования систем являются единственным средством, способным сохранить необходимую строгость разрабатываемой технической идеологии, предупредить уход на интуитивные методы разработки сложного оборудования. Это требование может быть обеспеченно, если математическая модель объекта диагностирования адекватно отображает структуру и свойства оригинала, т. е. является его абстрактной копией. Такая адекватность обеспечивается, если задать модель объекта на уровне его принципиальной схемы. Опыт разработки таких моделей в отечественной науке на сегодняшний день имеется.

Несмотря на то, что число работ посвященных решению проблемы экспериментальной оценки технического состояния рулевых систем и их элементов, измеряется многими десятками, а число самых разнообразных изобретений, различных приспособлений и устройств для такой оценки превысило цифру 100 — проблема по-прежнему остаётся до конца нерешённой.

Настоящая работа является развитием работ, выполненных ранее в автомобильно-дорожном институте СпбГАСУ (бывшем ЛИСИ), и посвящена разработке методики автоматизированной стендовой диагностики комбинированных рулевых механизмоврулевых механизмов с интегральными гидроусилителями (РМУ).

Разрабатываемая методика должна обеспечить обоснование всей совокупности присущих РМУ функций и их измерителей, а также обоснование массива экспериментально определяемых параметров, достаточных для вычисления всего множества измерителей и, следовательно, обеспечивающих полную наблюдаемость технического состояния РМУ как объекта контроля.

Такая методика в оценке свойств сложного объекта реализует научные принципы необходимости и достаточности. Она способна обеспечить высокий уровень достоверности контроля, унифицировать приёмы, которые во всех его иерархических уровнях.

— производственном (эксплуатационном), отраслевом и государственном инспекционном, способна приостановить распыление интеллектуальных и материальных ресурсов, расходуемых на затянувшийся процесс поиска рациональных вариантов контрольно-диагностического оборудования, обеспечить возможность обоснованной и целенаправленной модернизации применяющихся средств контроля, в том числе зарубежных, интенсивно проникающих в российскую практику, но в отношении рулевых систем, сохраняющих черты прежних традиционных подходов.

Изложенное выше позволяет отнести решение рассматриваемой проблемы к актуальным и своевременным задачам практики контроля состояния автомобильных рулевых систем.

В связи с изложенным целью работы является:

— обоснование полного множества наименований функциональных свойств, подлежащих стендовому контролю на всех этапах жизненного цикла рулевой системы и им соответствующее множество измерителей;

— обоснование необходимого и достаточного объёма испытаний по экспериментальной оценке свойств РМУ подмножества её параметров, подлежащих экспериментальному определению и достаточных для оценки всей совокупности измерителей функциональных свойств РМУ, то есть для полной наблюдаемости их технического состояния, а также алгоритмов автоматизированного стендового контроля, соответствующего стендового оборудования и структуры информационного обеспечения задач контроля.

Задачи исследований:

— разработка обобщённой математической модели РМУ в стендовом режиме функционирования;

— обоснование совокупности свойств РМУ, обеспечивающих полную оценку их технического состояния;

— разработка расчётно-аналитического обеспечения процедур контроля — моделей расчётной оценки измерителей всех свойств РМУ;

— обоснование первичных или базовых параметров РМУ, участвующих в расчётной оценке измерителей его свойств и подлежащих экспериментальному определению;

— разработка методики экспериментального определения первичных или базовых параметров РМУ и им соответствующие алгоритмы автоматизированного стендового контроля;

— разработка системы требований и принципиальной схемы стенда автоматизированного контроля свойств РМУ, обеспечивающего полную наблюдаемость его технического состояния.

Научная новизна работы: в разработке множества частных математических моделей и обобщённой модели рулевых механизмов со встроенными каналами гидроусилителей, снабжённых регуляторами производительности насосных установок в зависимости от скорости движения автомобиляв разработке моделей формирования измерителей всех свойств рулевых систем в стендовом режиме функционированияв обосновании математических моделей, реализуемых в стендовых режимах контроляв обосновании подмножества первичных (фундаментальных) или базовых параметров, участвующих в формировании всех измерителей свойств рулевой системы и определяемых только экспериментальным методомв разработке требований к стендовой установке, её принципиальной схемы и алгоритмов автоматизированного определения указанных базовых параметров РМУ.

Практическая значимость работы состоит:

— в создании методики стендового контроля и оборудования, предназначенного для целей контроля РМУ на всех этапах их жизненного цикла и на любом уровне иерархии систем контроля;

— в разработке алгоритмов автоматизации всего комплекса контрольно-диагностических операций, обеспечивающих их высокую производительность и точность, снижение уровня требований к профессиональной квалификации контролёров.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1. Выполненный обзор методов и технических средств для испытаний РМУ показал их низкую информативность, неуниверсальность, низкий уровень автоматизации контрольно-диагностических операций и наблюдаемости состояния объекта контроля в процессе испытаний, подтвердил целесообразность и возможность создания полностью автоматизированных испытательных средств, обеспечивающих реализацию в них всех качеств современных информационно ёмких технологий испытаний.

2. Разработан массив известных типов принципиальных схем РМУ, их частные математические и структурные модели в стендовых режимах функционирования.

3. Разработана обобщённая структурная модель РМУ в стендовом режиме функционирования и на её основе — комплекс измерителей всех функциональных свойств РМУ и их аналитические зависимости от параметров конструкции — как теоретическая база организации стендовых испытаний.

4. Показано, что в основе всей совокупности измерителей свойств РМУ лежит общая группа базовых параметров, экспериментальная оценка которых способна обеспечить последующую оценку всей совокупности измерителей, существенно сократить объёмы испытаний РМУ и обеспечить полную наблюдаемость его технического состояния.

5. Разработан комплекс алгоритмов и методик автоматизированного контроля свойств РМУ и на их основекомплекс требований к конструкции соответствующего стендового оборудования.

6. Разработана принципиальная схема стендового комплекса, обеспечивающего автоматизированный контроль свойств РМУ и полную наблюдаемость его технического состояния.

7. Выполненный эксперимент подтвердил возможность реализации на практике разработанной методики экспериментальной оценки в автоматическом режиме всего комплекса базовых параметров РМУ.