Известны и достаточно широко используются транспортные средства на воздушной подушке (ТСВП) большой грузоподъемности (свыше 3 тонн) со скоростями движения до 120км/ч. Примерами могут служить суда, имеющие воздушную подушку, которая при скоростном движении по неровной поверхности демпфирует колебания, и сам корпус ТСВП вместе с экипажем не испытывает критических перегрузок [25, 27, 44]. В случае судов меньшей грузоподъемности (около 1.2 тонн) воздушная подушка не успевает гасить колебания. При скоростном движении по неровной поверхности на судно действуют перегрузки, выводящие из строя электронную аппаратуру, навигационные приборы и негативно воздействующие на экипаж. Вследствие этого ТСВП средней и малой грузоподъемности имеют ограничения по максимальной скорости движения. Для уменьшения перегрузок необходимо создать управляемую воздушную подушку.
Термин «воздушная1 подушка» («air cushion») появился в практике вертолетостроения для описания эффекта, появляющегося при приближении вертолета к опорной поверхности, заключающегося в увеличении подъемной силы несущего винта. При натекании на поверхность экрана воздушный поток, отбрасываемый несущим винтом, тормозится и создает вблизи экрана область повышенного давления^ или воздушную подушку, которая демпфирует движение вертолета при резком снижении.
В связи с большим многообразием компоновочных схем и типов ТСВП целесообразно установить некоторую классификацию, позволяющую отличать их по каким-то признакам. Это необходимо сделать для определения типа транспортного средства, для которого разрабатывается метод управления. Наиболее важным конструктивным признаком ТСВП является способ образования воздушной подушки, который в значительной степени определяет его назначение и технические характеристики. По известным конструктивным решениям для устройств, создающих воздушную подушку под днищем транспортного аппарата, все типы ТСВП можно разделить на следующие группы (рис. 1) [27]:
1) аппараты камерной схемы, которые, в свою очередь, подразделяются на аппараты обычной камерной схемы, камерной схемы с. протокойаппараты с гибким ограждением и аппараты с жесткими боковыми стенками-скегами;
2) аппараты, сопловой' схемы с воздушной или водяной завесой: с простым одноконтурным сопломс двухконтурным или многощелевым сопломс кольцевым или ленточным вентилятором в соплес частичной или полной рециркуляциейс боковыми стенками-скегами в сочетании с. сопловым контуром воздушной или водяной завесы;
3) аппараты лабиринтной схемы, простой или модифицированной, с частичной или полной рециркуляцией;
4) аппараты на. воздушной смазке с плоскими или профилированными опорными устройствами;
5) аппараты, с профилированным корпусом или несущими поверхностями, создающими подъемную силу.
ТСВП, использующие режим аэростатической разгрузки для движения на крейсерском режиме, можно классифицировать по их назначению и выделить следующие четыре основных типа:
— катера и суда на воздушной подушке;
— легкие экспериментальные аппараты и воздушные мотоциклы;
— воздушные автомобили;
— поезда и аппараты на воздушной смазке.
Кроме того существуют летательные аппараты, у которых воздушная подушка используется лишь на специальных режимах движения. Например, самолеты с шасси на воздушной подушке используют режим аэростатического поддержания только при взлете или посадке на все виды опорной поверхностиколесные или гусеничные маптины, в которых воздушная подушка обеспечивает частичную разгрузку для повышения проходимости по бездорожью и т. д.
Рис. 1. Классификация аппаратов на воздушной подушке.
Все типы ТСВП являются прежде всего летательными аппаратами, поэтому при их проектировании используется в большей степени опыт самолетостроения, нежели опыт автомобилеи судостроения. Конструкция ТСВП должна быть предельно легкой, чтобы аппарат мог перевозить достаточно большую полезную нагрузку, но в то же время она должна обладать необходимой прочностью и жесткостью.
Рассматриваемые в диссертации методы управления относятся исключительно для камерной схемы создания воздушной подушки.
Ранее задача управления ТСВП не поднималась в связи с тем, что в качестве воздушной подушки использовался однокамерный баллон с постоянным, одним и тем же, давлением. На большой скорости на неровных поверхностях, при повороте транспортного средства существовали значительные проблемы с управляемостью и устойчивостью ТСВП. Средствами и методами управления для такого вида транспортного средства служили горизонтальные рули, стоящие за маршевыми аэродинамическими двигателями, а также устройство регулирования величины давления в однокамерной воздушной подушке. Например, для осуществления маневра поворота на угол более 90 градусов, применялся резкий сброс давления в воздушной подушке с помощью предохранительного клапана вместе с поворотом рулей направления.
В 90-х годах XX века в ЦАГИ имени Н. Е. Жуковского была разработана принципиально новая схема создания гибкого ограждения воздушной подушки транспортного средства. Многосекционная воздушная подушка, формируется навесными элементами, закрепленными на расположенном по периметру аппарата баллоне [22, 23, 32]. В носовой и кормовой секции аппарата баллон разделён непроницаемыми диафрагмами на две бортовые полости, каждая из которых имеет свою вентиляторную установку. Баллонные части воздушной подушки служат гибкими проточными ресиверами между нагнетателями и отдельными сменными эластичными проточными элементами.
Гибкое ограждение позволяет выделить в воздушной подушке 4 секции-ресивера (рис. 2а). Из каждого ресивера воздух поступает во множество элементов, находящихся под соответствующей секцией (рис. 26). Потом часть потока воздуха идет на создание воздушной подушки транспортного средства, а «лишний» воздух выбрасывается в атмосферу. Этот способ создания воздушной подушки зарекомендовал себя с лучшей стороны, так как, во-первых, увеличилась устойчивость транспортного средства, и, во-вторых, появилась возможность регулирования давления в секциях воздушной подушки. В связи с этим данный способ выбран для дальнейшего исследования.
Направлением данной работы является проблема, связанная с созданием адаптивного к внешним воздействиям привода для системы управления ТСВП, движение которого происходит по неровной поверхности. При решении указанной проблемы необходимо, прежде всего, определить способы управления транспортным средством и рассмотреть задачу выбора оптимальных по нескольким критериям исполнительных устройств (приводов) системы управления. а) Продольное сечение б) Поперечное сечение.
Рис. 2. Разбиение воздушной подушки на секции (4 ресивера, 64 элемента,.
64 подэлемента, центральная часть).
При движении ТСВП по неровной поверхности одной из важнейших задач является задача управления колебаниями углов тангажа «9 и крена у (рис. 3) для снижения динамической нагруженности транспортного средства, улучшения его проходимости и устойчивости, увеличения допустимой скорости движения. Такого эффекта предполагается достичь путем управления силами, приложенными со стороны воздушной подушки. Это возможно осуществить за счет изменения давления в соответствующих секциях.
Благодаря перераспределению потоков воздуха между носовой и кормовой частями бортовых полостей баллонов можно направленно изменять давления в секциях, а значит и продольный момент, действующий от воздушной подушки на корпус, управляя, таким образом, продольными колебаниями транспортного средства.
Самыми опасными колебаниями, с точки зрения перегрузок на экипаж являются колебания, обусловленные поворотом ТСВП на угол тангажа 3, относительно оси в плоскости «ХОУ» [44]. Назовем эти колебания продольными. В связи с этим возникли требования к управлению транспортным средством:
— повышение плавности хода при движении по неровной опорной поверхности и, соответственно, снижение динамической нагруженности ТСВП;
— уменьшение сопротивления движению ТСВП;
— повышение максимальной скорости движения при оптимальном использовании подводимой мощности.
С целью выбора схемы, органов и методики управления транспортным средством, при которых удастся в наибольшей степени снизить динамическую нагруженность и, соответственно, поднять допустимую скорость движения при наличии волн на водной поверхности, целесообразно определить оптимальные варианты регулирования давления в секциях воздушной подушки.
В качестве рассматриваемого натурного объекта управления рассматривалось ТСВП с секционированной воздушной подушкой производства фирмы «Комвен» (Москва) (рис. 4а). Данный аппарат был разработан специалистами фирмы при активном участии инженеров из «Московского комплекса ЦАГИ». При разработке компоновки натурного.
ТСВП была создана лабораторная модель — уменьшенный в масштабе 1:2,5, динамически подобный образец транспортного средства (рис. 46). а) натурное ТСВП б) лабораторная модель.
Рис. 4. Натурное и модельное транспортное средство на воздушной подушке.
Модельный аппарат представляет собой корпус с закрепленной снизу многосекционной воздушной подушкой, имеющей 64 элемента. Сверху прикреплены две нагнетательных установки, подающих воздух в баллоны. Вентиляторы приводятся в действие от одного электродвигателя посредством ременной передачи. Воздух подается в ресиверы, расположенные с правого и левого бортов, далее два потока воздуха разделяются дроссельными заслонками на четыре потока соответственно — по два в носовую и кормовую часть воздушной подушки транспортного средства. На корпусе модели имеется шарнирный механизм для крепления штанги крана к буксировочному механизму. При этом лабораторная модель имеет две степени свободы: вращение относительно поперечной оси и поступательное движение вдоль оси «07».
В результате исследования ТСВП данного класса, имеющих подобную компоновочную схему, были предложены (в эскизном проекте) следующие варианты изменения давления в секциях воздушной подушки:
1) Регулирование изменением частоты вращения вентиляторов, нагнетающих воздух в ВП (рис. 5).
Преимущества данной схемы заключаются в простоте реализации, в возможности обеспечения работы вентилятора при регулировании в области наибольших значений его КПД и отсутствии дополнительных гидравлических сопротивлений в полостях воздушной подушки. К недостаткам этой схемы относится значительное запаздывание потребного изменения частоты вращения вентиляторов, обусловленного инерционностью их вращающихся частей и привода.
Рис. 5. Регулирование давления в секциях воздушной подушки путем изменения частоты вращения вала вентилятора.
На рис. 5 обозначено: рв, <2Й — давление и подача вентилятораvJX: вп — поступательная скорость ТСВПЭ — угол тангажапх — частота вращения.
• •• • •• вала вентилятора, п = /(«9, «9, у, у, у, р,).
2) Регулирование поворотом лопаток направляющих аппаратов перед вентиляторами для изменения расхода воздуха, нагнетаемого в воздушную подушку (рис. 6). Преимущество второй схемы по сравнению с первой состоит в существенно меньшем запаздывании. Однако использование направляющих аппаратов с регулируемым углом поворота лопаток в потоке перед колёсами вентиляторов приведёт к технологическому усложнению системы управления. Минусом этого метода (как и первого) является и то, что для регулирования давления в воздушной подушке для выбранного ТСВП необходимо четыре, а не два, вентилятора.
3) Регулирование поворотом лопаток вентиляторов воздушной подушки.
По запаздыванию при регулировании давления в секциях воздушной подушки данная схема практически не отличается от второй. Однако она конструктивно еще сложнее. Для системы управления необходимо четыре вентилятора.
Рис. 6. Схема вентилятора с изменяющимся углом лопаток На рис. 6 обозначено: рв, ?>" - давление и подача вентилятораа1 — угол поворота лопаток, а = /(3, 3, 3, у, у, у, р
4) Регулирование поворотом дроссельных заслонок, установленных в потоке за вентиляторами (рис. 7а). Схема, разработанная автором диссертации в своем дипломном проекте, отличается невысоким запаздыванием, как и в случаях применения поворотных рис. 6). лопаток направляющего аппарата или колеса (второй и третий метод управления). Она проста в конструктивном плане. К недостатку схемы относится увеличенное гидравлическое сопротивление в канале за вентилятором [52].
Преимуществом данной схемы является и то, что для управления по тангажу в этом случае достаточно использовать два вентилятора.
Дроссельные заслонки, которые необходимо устанавливать по каждому борту, соединены общим поворотным механизмом (рис. 76). а) Схема управляемой по тангажу б) Дроссельные заслонки, установленные модели с 2-мя вентиляторами в потоке за вентилятором.
Рис. 7. Схема лабораторной модели транспортного средства нового поколения с регулируемой воздушной подушкой.
После проработки возможных вариантов управления ТСВП на эскизном этапе для проведения численных и экспериментальных исследований управления колебаниями по тангажу в качестве органов регулирования давления в полостях масштабной модели транспортного средства использовались поворотные дроссельные заслонки в потоке за вентиляторами (4 вариант). Они надежны в работе и просты в изготовлении. Для определения необходимой мощности двигателя в приводе поворота заслонок были рассчитаны как аэродинамические силы и моменты, действующие на заслонку, так и инерционное сопротивление.
Исходя из уже имеющейся лабораторной модели ТСВП и данных о предварительных испытаниях этой модели, а также в связи с дальнейшим применением разрабатываемого метода на натурном образце, были сформулированы необходимые требования к приводу: а) возможность осуществления поворота дроссельных заслонок в диапазоне ±30°- б) время поворота-заслонки из одного крайнего положения в другое: т = 0,4с (частота / = 2,5Гц) — в) работоспособность привода в широком диапазоне температур г = (-20. + 40)" С и относительной влажности воздуха 100%- г) защищенность от атмосферной и морской коррозиид) сохранение работоспособности при перегрузках до (3-^).
Диссертационная? работа состоит из введения, пяти глав и одного.
Выводы и заключение.
В диссертации разработана система управления лабораторной моделью ТСВП в масштабе 1:2,5, исполнительная часть которой включает поворотные дроссельные заслонки, перераспределяющие массовые расходы воздуха в носовые и кормовые секции подушки транспортного средства. Технический проект, содержащий чертежную документацию механизма поворота регулирующих органов, был выполнен ранее в дипломном проекте автора диссертации.
Для управляемого по давлению ТСВП была составлена, нелинейная математическая модель движения по неровной опорной, поверхности. В качестве исполнительных механизмов, поворачивающих заслонки, рассматривались три различных типа привода:
— электромеханический привод с двигателем постоянного тока;
— однокаскадный электропневматический сильфонный привод типа «сопло-заслонка»;
— автономный электрогидравлический привод с регулируемым аксиально-поршневым насосом с изменением. активного хода нагнетания поршеньков.
Для каждого привода составлена объектно-ориентированная математическая модель с целью проведения многокритериальной оптимизации. Следует отметить, что для однокаскадного электропневматического привода в модели предусмотрена смена режима течения воздуха (с критического на" докритический и наоборот). Модель такого привода более близка к реальному аппарату.
Для каждого привода были составлены массивы, варьируемых параметров. Критериями качества движения ТСВП являлись:
— динамический параметр, характеризующий перегрузки ТСВП при т и •• движении / = j («9+ a-y)'t'dt —» min, рад, о где: Т — время интегрированияэ — вторая производная угла тангажа- •• у — ускорение ТСВП по вертикальной осиа — весовой коэффициент;
— мощность, потребляемая приводом, Nnp min, кВт;
— коэффициент полезного действия вентиляторов, нагнетающих воздух в подушку 77 -" шах.
С помощью метода ЛП-т поиска, алгоритм которого включен в математическую модель, получены оптимальные проектные варианты для каждого привода.
Проведены экспериментальные исследования статических и динамических испытаний лабораторной модели ТСВП с управлением электромеханическим приводом. Сравнение расчетных и экспериментальных результатов подтверждает адекватность математической модели нерегулируемого и регулируемого ТСВП.
Предлагаемая методика позволяет находить наилучшие параметры приводов, обеспечивающих оптимальные значения выбранных критериев" качества. Таким образом, при решении модели движения ТСВП по неровной опорной поверхности в интерактивном режиме инженер-конструктор получает некоторый массив проектных решений. Затем, анализируя полученные результаты в виде таблиц или графиков, он выбирает точки, лежащие на парето-оптимальной поверхности или близко расположенные к ней. Таким образом, еще в эскизном проекте фактически проходит численный эксперимент с различными параметрами привода и выбирается наилучший, обеспечивающий заданные техническим заданием параметры движения ТСВП (критерии качества).
Применение такого метода управления на лабораторной модели при ее движении по водной взволнованной поверхности позволило уменьшить амплитуды вертикальных колебаний и угла тангажа, и как следствие, уменьшить вертикальные перегрузки и увеличить плавность хода ТСВП.
В соответствии с теорией подобия был произведен пересчет ТСВП с системой дроссельных заслонок с модели на натурный образец. Для натурного ТСВП в связи с большими силами, действующими на-исполняющие элементы, был разработан автономный электрогидравлический привод с регулируемым аксиально-поршневым насосом, особенностью которого является саморегулирующийся активный ход поршеньков на нагнетании. С помощью уже отработанного метода ЛП-т поиска найден оптимальный проектный вариант привода.
Учитывая, что ТСВП может двигаться по различным поверхностям (вода, грунт, песок, снег, болото) с многообразными неровностями, в системе управления был предусмотрен адаптивный контур, подстраивающийся к параметрам движения транспортного средства: В1 условиях недостаточной определенности объекта или входных возмущений целесообразно адаптивный, контур представить в виде электронной эталонной модели с изменяющимися* коэффициентами.
Показано, что ТСВП с адаптивной системой управления при движении по различным видам неровностей идет достаточно плавно, вертикальные перегрузки ниже на 15.20%, чем ТСВП с обычной' системой регулирования давления"В" секциях воздушной подушки.
Разработанная в диссертации и отработанная в экспериментальных исследованиях методика управления лабораторной модели ТСВП, а также выбор оптимального проектного решения привода для натурного образца предложены заказчику (ЗАО «Комвен») для модернизации натурного ТСВП и оснащения его адаптивной системой управления.
Получен акт внедрения результатов диссертации, используемых при разработке следящих приводов поворота дроссельных заслонок натурных ТСВП.