Rozdział 8 jest praktyczną egzemplifikacją zaproponowanej koncepcji symulacji eksploatacyjnych obciążeń układu napędowego i wraz z pozytywną weryfikacją uzyskanych wyników dowodzi jej praktycznej przydatności i merytorycznej poprawności.
Przedstawione szczegółowe źródła i sposoby wykorzystania danych do tworzenia macierzy warunków eksploatacji oraz przedstawiona wcześniej baza danych zawierająca sygnały o obciążeniu momentem wału napędowego oraz jego prędkościach obrotowych są głównymi zbiorami danych wejściowych do procesu symulacji.
Dane weryfikowano w różny sposób:
– analizowano przebywane podczas symulacji (składane z fragmentów plików danych) długości trasy – uzyskiwano rozbieżności pomiędzy przystankami poniżej 1 m co stanowiło mniej niż kilka dziesiątych procenta,
– analizowano łączne czasy przejazdu trasy – dla wszystkich 7 przejazdów dojazd do pętli mieścił się w zakładanym czasie pozwalającym wygospodarować przerwę przed kolejnym wyjazdem na trasę,
– analizowano rozkład wartości momentu obrotowego i porównano go z danymi zebranymi na trasie 172 w innych badaniach realizowanych przez firmy ZF i Timiken.
Dla wszystkich tych trzech sposobów weryfikacji uzyskano pozytywny wynik, co pozwala stwierdzić, że zaproponowana metoda pozwoliła przy wykorzystaniu wyników badania obciążeń eksploatacyjnych dla fragmentów eksploatacji uzyskać obraz tych obciążeń dla założonego dłuższego procesu eksploatacji, który w porównaniu z wynikami badania procesu eksploatacji w sposób ciągły dał oszacowanie o relatywnie niedużych różnicach, co do wartości szacowanych poziomów momentu i ich udziałach. Uzyskany błąd można uznać za efekt zarówno losowych różnic w poszczególnych realizacjach procesu eksploatacji, jak i efekt niedoskonałości doboru fragmentów procesu eksploatacji.
Opracowane procedury programu Matlab, są gotowym, utylitarnym efektem realizacji przykładu wykorzystania zaproponowanej w pracy koncepcji. Zamieszczono je w załączniku do pracy.
9 PODSUMOWANIE PRACY
W toku pracy zrealizowano podstawowe jej założenia wyrażające się celem głównym i pośrednimi pracy, uzyskując osiągnięcie zarówno celów naukowych, jak i utylitarnych (technicznych), co jest istotne z punktu widzenia zadania, które w swojej końcowej postaci ma bardzo realne praktyczne znaczenie.
UZYSKANE EFEKTY NAUKOWE
Zasadniczym celem pracy było opracowanie metody szacowania obciążeń układu napędowego autobusu miejskiego w oparciu o cząstkowe badania i bazującą na nich symulację procesów eksploatacyjnych. Cel ten zrealizowano dokonując analizy specyfiki budowy układu napędowego autobusu miejskiego, specyfiki jego eksploatacji wraz z analizą zmienności warunków eksploatacji. Zaproponowano dwa alternatywne podejścia do uzyskania danych o przebiegach czasowych zmienności prędkości i momentu obrotowego niezbędnych dla oszacowania widma obciążeń wału napędowego:
– badania drogowe momentu i prędkości obrotowej wału napędowego,
– badania drogowe profili prędkości autobusu i symulacja na ich podstawie momentu obrotowego i prędkości obrotowej wału napędowego.
Dla pierwszego podejścia zaproponowano i przetestowano metodykę pomiaru momentu obrotowego z wykorzystaniem oryginalnego wału napędowego oraz telemetrycznego systemu transmisji sygnału pomiarowego. Opracowano także oprogramowanie do analizy uzyskanych wyników badań i zbudowano bazę danych sygnałów o eksploatacyjnym obciążeniu wału napędowego i odpowiadających mu prędkościach obrotowych.
Dla drugiego podejścia - symulacji obciążenia wału napędowego momentem obrotowym - zaproponowano metodykę i narzędzia symulacji (model i procedurę w programie Matlab/Simulink) pozwalające na oszacowanie sygnału momentu obrotowego na podstawie symulacji momentu oporów ruchu zredukowanego do wału napędowego dla zadanego profilu prędkości pozyskanego w badaniach eksploatacyjnych. To drugie podejście jest znacznie mniej wymagające w zakresie metodyki badań, ze względu na postęp techniczny, jaki dokonał się w zakresie wyznaczania i rejestracji prędkości pojazdu z wykorzystaniem odbiorników GPS.
Dla potrzeb symulacji sygnału momentu, jak i symulacji procesu eksploatacji przeanalizowano i zilustrowano sposoby pozyskania danych o czynnikach różnicujących warunki eksploatacji – zapełnienie autobusu (jego obciążenie), zmienna prędkość średnia, zmienne nachylenie dróg. Wskazano na istotne znaczenie nowoczesnych technik pomiaru wykorzystywanych w systemach ITS (Inteligentne Systemy Transportowe) w celach zliczania ilości pasażerów, planowania tras podróży, czy też rozliczania opłat za przejazd, jako źródłach danych eksploatacyjnych istotnych dla analiz obciążenia układu napędowego autobusu.
Dla oceny specyfiki eksploatacji układu napędowego autobusu miejskiego przeprowadzono szczegółową analizę uzyskanych w badaniach drogowych danych z podziałem na procesy rozpędzania, jazdy oraz zwalniania. Określono typowe zakresy zmienności analizowanych sygnałów. Na podstawie ich analizy oraz zapisu warunków badań, dokonano segregacji fragmentów plików odpowiadających poszczególnym warunkom jazdy.
W końcowej części pracy przedstawiono opracowaną w jej ramach procedurę symulacji procesu eksploatacji wykorzystującą zbiór wyodrębnionych fragmentów plików oraz dane sterujące w postaci macierzy warunków eksploatacji określające podstawowe czynniki różnicujące warunki eksploatacji - warunki ruchu (zdefiniowane poprzez średnią prędkość), obciążenie autobusu (stopień zapełnienia) oraz zmienne nachylenie drogi (topografię trasy). Opracowaną procedurę zapisano w skryptach programu Matlab/Simulink i wykonano symulację dla wybranej trasy autobusu miejskiego (trasa nr 172 w Warszawie). Dla tej trasy porównano uzyskany wynik szacowania momentu z wynikiem obliczeń widma momentu uzyskanym przez producenta mostu napędowego w tych samych warunkach.
W szczegółowej analizie różnic oszacowanych wartości momentu obrotowego dla wybranych udziałów procentowych częstości występowania stwierdzono, że większe różnice wystąpiły dla wartości momentu z przedziału momentu hamowania układem napędowym (spowalniani autobusu) - średnio było to niedoszacowanie na poziomie ok. 18%, w przypadku napędu to niedoszacowanie wyniosło ok. 10%. W wartościach bezwzględnych największe niedoszacowanie dotyczyło niecałego 1% wartości przewyższających moment hamujący równy ok.
1800 Nm. Z kolei duże niedoszacowania w wymiarze względnym dotyczyły najmniejszych wartości momentu – mniejszych niż -500 Nm (ok. 20% maksymalnych wartości momentu hamującego), co ma znacznie mniejsze znaczenie przy szacowaniu trwałości. Dla wartości momentu powyżej 900 Nm poziom niedoszacowania nie przekraczał 18%, przy czym w dla niektórych poziomów udziału procentowego wystąpiły też niewielkie (maksymalnie 16,3%) przeszacowania wartości momentu.
Dla analizy częstości występowania danej wartości momentu stwierdzono, że największe różnice względne wystąpiły dla wartości momentów o niewielkich udziałach procentowych.
Średnio dla całego zakresu udziałów względne różnice szacowanego udziału zawarły się w 10%.
Dla udziałów rzędu 10 i więcej % różnice mieściły się w zakresie kilkunastu %.
UZYSKANE EFEKTY UTYLITARNE
Podstawowym efektem o charakterze utylitarnym jest zaproponowana metodyka, jak i egzemplifikacja w postaci przetestowanej procedury symulacji widma obciążeń eksploatacyjnych układu napędowego – zamieszczony w załączniku program symulacyjny. Jest ona istotnym narzędziem mogącym wspomagać prace konstrukcyjne, w tym dobór elementów układu napędowego. Co ważne - zaproponowana i przetestowana metodyka pozwala znacznie obniżyć koszt pozyskania takich danych, kosztem akceptowalnego pogorszenia dokładności uzyskiwanych danych. Jest to niezwykle istotne przy bardzo konkurencyjnym rynku producentów autobusów i krótkim czasie dostępnym na rozwiązywanie problemów konstrukcyjnych.
Zaproponowana metoda symulacji obciążeń układu napędowego momentem obrotowym ma także szersze znaczenie - po pewnym rozwinięciu o symulację wewnętrznej struktury źródła napędu, może posłużyć także do szacowania zużycia energii - zarówno w autobusach o napędzie konwencjonalnym, jak i elektrycznym.
Dodatkowym utylitarnym efektem pracy jest uzyskanie informacji o typowych wartościach zmienności podstawowych warunków pracy autobusu miejskiego takich, jak zmienność obciążenia pasażerami (wartości zapełnienia), zmienność nachylenia drogi, czy też profilu prędkości.
Wskazano również nowoczesne źródła danych dla tych parametrów, często niedostępne jeszcze kilka lat temu.
Ich wykorzystanie pozwala na szacowanie obciążeń układu napędowego w miejscach eksploatacji dopiero planowanych (nowe miasta użytkowania autobusu). Możliwe jest to przy założeniu posiadania bazy plików ilustrujących zmienność prędkości lub prędkości i momentu obrotowego dla typowych warunków eksploatacji oraz danych o ukształtowaniu terenu oraz
zmienności średnich prędkości na kolejnych fragmentach tras autobusowych wraz z porą dnia lub tygodnia. Dane takie coraz częściej są dostępne w serwisach mapowych (GIS) na podstawie danych uzyskiwanych od wielu setek tysięcy użytkowników telefonów komórkowych z aktywną usługa lokalizacji.
Metodyka symulacji obciążeń eksploatacyjnych układu napędowego może być wykorzystana także w planowaniu przyspieszonych badań trwałościowych, zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i w warunkach badań poligonowych na torze prób.
PROPOZYCJA DALSZYCH PRAC
Uzyskanie założonych dla niniejszej pracy celów nie zamyka drogi przed stawianiem kolejnych celów i dalszymi badaniami nad udoskonaleniem zaproponowanej metody. Jednym z ważniejszych zadań byłaby szersza weryfikacja zaproponowanej metodyki związana z rozbudową bazy danych dotyczących zarówno profili prędkości, jak i informacji o typowych zapełnieniach autobusu. Warto uwzględnić możliwość pozyskiwania informacji o obciążeniu momentem obrotowym z systemów diagnostyki pokładowej pojazdu.
Zagadnieniem badawczym jest też dobór kroku dyskretyzacji danych dotyczących zmienności warunków eksploatacji – z jednej strony istnieją ograniczenia co do dostępnych danych, ale z drugiej, jeśli nie zawsze istnieje możliwość zagęszczenia tych danych, to ich rzadsze dyskretyzowanie może ograniczyć czas trwania symulacji.
Uszczegółowieniem szacowania trwałości wału napędowego może być dodatkowe uwzględnienie zmian jego geometrii - szczególnie na ulicach o niskiej jakości nawierzchni powodujących zwiększone zmiany geometrii ułożenia poszczególnych segmentów wału napędowego, a tym samym generujących pojawianie się fluktuacji momentu związanych z nierównobieżnością wałów. Dane niezbędne do tego można pozyskać z systemów sterowania zawieszeniem pneumatycznym.