Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования 5
1.1. Жизненный цикл изделия 5
1.2. Этап эскизного проектирования 9
1.3. Основные тенденции развития автогрейдеров 12
1.4. Обзор механизмов подвески рабочего органа автогрейдера 14
1.5. Блок-схема рабочего процесса автогрейдера 16
1.6. Анализ исследований по теории копания грунта 20
1.7. Анализ математических моделей микрорельефа грунта 24
1.8. Цель и задачи исследования 31
2. Методика выполнения исследований 33
2.1. Общая методика теоретических исследований : 33
2.2. Методика экспериментальных исследований 35
2.3. Анализ и обоснование критериев эффективности автогрейдера 37
2.4. Решение задачи оптимизации 43
2.5. Структура выполнения работы 47
3. Математическое описание автогрейдера 49
3.1. Морфологический анализ конструкции автогрейдера 49
3.2. Математическая модель автогрейдера 51
3.3. Математическая модель системы управления РО автогрейдера 59
3.4. Математическая модель процесса копания грунта 65
3.5. Математическая модель микрорельефа грунта 70
3.6. Обобщенная математическая модель автогрейдера 75
3.7. Выводы по главе 80
4. Теоретические основы инженерной методики проектирования автогрейдера 81
4.1. Анализ влияния параметров рабочего процесса на планирующую способность автогрейдера 81
4.1.1. Влияние угла захвата РО 81
4.1.2. Влияние соотношения базы машины и коэффициента базы к длине волны неровности обрабатываемой поверхности 85
4.1.3. Влияние параметров микрорельефа 87
4.1.4. Влияние параметров ходового оборудования 91
4.2. Анализ влияния основных геометрических параметров на планирующую способность автогрейдера 97
4.2.1. Аппроксимация зависимостей 99
4.2.2. Выбор оптимальных значений геометрических параметров автогрейдера
4.3. Тягово-сцепной расчет автогрейдера 106
4.4. Выбор шин 115
4.5. Выводы по главе 124
5. Система автоматизированного проектирования 125
5.1. Инженерная методика расчета основных параметров автогрейдера... 125
5.2. САПР автогрейдера на эскизно-техническом этапе 128
5.3. Подтверждение адекватности математической модели автогрейдера. 139
5.4. Внедрение результатов исследований 143
5.5. Выводы по главе 143
Основные результаты и выводы 144
Список литературы
- Основные тенденции развития автогрейдеров
- Анализ и обоснование критериев эффективности автогрейдера
- Математическая модель системы управления РО автогрейдера
- Влияние соотношения базы машины и коэффициента базы к длине волны неровности обрабатываемой поверхности
Введение к работе
Целью каждой проектно-конструкторской разработки является создание и выпуск изделий на уровне лучших мировых образцов. Достичь этой цели можно лишь путем применения комплекса наиболее эффективных технических решений. Для этого требуется синтезировать и проанализировать много вариантов решений, что по ряду причин затруднительно без применения вычислительной техники [52,66].
В наши дни наблюдается бурное развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) в машиностроении, которые используются для автоматизации конструкторских и технологических работ. Современные САПР применяются для сквозного автоматизированного проектирования, технологической подготовки, анализа и изготовления изделий в машиностроении, для электронного управления конструкторской и технологической документацией.
Применение САПР в промышленности позволяет существенно снизить затраты времени и средств на создание новых и модернизацию существующих машин [5].
Автогрейдер, как землеройно-транспортная машина, выполняет широкий круг работ, в том числе работ по возведению земляного полотна. Значительная часть этих работ приходится на планировочные работы [61,92,93].
До настоящего времени не было разработано САПР автогрейдера, в полной мере учитывающей закономерности влияния основных конструктивных параметров на планировочные и тягово-сцепные свойства.
В связи с этим возникла необходимость исследования планировочных, тягово-сцепных характеристик автогрейдера и создания научно-обоснованной методики по выбору рациональных конструктивных параметров при эскизно-техническом проектировании автогрейдера.
Основные тенденции развития автогрейдеров
Рабочий процесс автогрейдера рассматривается как сложная динамическая система, состоящая из подсистем, участвующих в процессе формирования профиля земляного полотна в соответствии с заданием на производство.
В такой динамической системе взаимодействуют базовая машина (автогрейдер), грунт и СУ положением РО, в свою очередь состоящие из подсистем, влияющих на точность выполнения проектных геометрических параметров земляного полотна с заданной производительностью.
На рисунке 1.5 представлена блок-схема динамической системы планировочного процесса. Данная блок-схема включает в себя 3 основных блока: исходные данные, моделирование рабочего процесса автогрейдера, результаты работы.
В качестве исходных данных системы рассматриваются основные свойства грунта, влияющие на планирующие и тягово-сцепные характеристики автогрейдера (микрорельеф, длина волны неровности, плотность, влажность грунта, коэффициент сопротивления копанию) и задание на производство земляных работ (производительность и проектные геометрические размеры). Результаты работы оценивались векторным критерием эффективности: R = [KytKrMT, (1.1) где Ку,Ку - коэффициенты сглаживания в продольной и поперечной плоскостях, т - масса автогрейдера. Автогрейдер представлен подсистемами: рама, ходовое оборудование, навесное оборудование, СУ, гидропривод РО и сам отвал. , Грунт воздействует на базовую машину через микрорельеф на ходовое оборудование и реакцией разрабатываемого грунта на РО автогрейдера.
Подсистема ходового оборудования, воспринимая возмущающие воздействия со стороны грунта, в свою очередь, воздействует на раму базовой машины. Далее воздействие передается на РО через навесное оборудование. РО, изменяет свое положение в пространстве - заглубляется или выглубляется.
Управление РО осуществляется СУ с помощью гидропривода по двум параметрам: продольному и поперечному уклонам профиля земляного полотна, формируемыми положением отвала автогрейдера.
Подсистемы соединены между собой векторными связями, отражающими прохождение информации от блока к блоку.
Вектор требуемых геометрических параметров земляного сооружения (Pi) задается проектной документацией.
Реальные геометрические параметры (Ръ) снимаются с обработанного грунта и являются выходными координатами сложной динамической системы.
В реальных процессах формирования земляной поверхности Рз Ф Р\. Подсистема ходового оборудования воспринимает возмущающие воздействия от грунта ( PA,PS ). В свою очередь подсистема ходового оборудования является источником воздействия ( Рб) на раму автогрейдера. Подсистема рамы приводит к перемещениям навесного оборудования ( Pi ). Подсистема навесного оборудования своими воздействиями ( Р& ) изменяет положение РО относительно машины. СУ получает информацию от датчиков положения отвала ( Р9 ), сравнивает ее с проектными параметрами (Рі), по определенному алгоритму обрабатывает ее и формирует управляющие воздействия на гидропривод РО (Р10). Подсистема гидропривода РО реализует управляющие воздействия ( Рп), перемещает элементы навесного оборудования, компенсируя неуправляемые перемещения ( Pi) со стороны рамы машины.
Подсистема РО, двигаясь вместе с ЗТМ, осуществляет копание грунта; реакция которого ( Ріг) влияет на положение РО в пространстве. Изменяя свое положение (вертикальную координату, угол наклона РО в поперечной плоскости, угол захвата РО, угол резания), РО в разрабатываемом грунте формирует земляную поверхность с фактическими геометрическими параметрами ( Рз).
Процессам взаимодействия отдельных подсистем друг с другом посвящено достаточно много исследований, анализ которых позволяет сделать вывод о возможности их использования при решении поставленной в работе проблемы.
Выбор модели процесса взаимодействия РО с разрабатываемым грунтом базируется на следующих предпосылках: обеспечение требуемой точности геометрических параметров земляного сооружения происходит на завершающих проходах ЗТМ по обрабатываемому участку, грунт при этом, как правило, разрыхлен, а толщина срезаемой стружки грунта не более 0,07 м. Сопротивление копанию зависит от физико-механических свойств грунта, толщины стружки, параметров РО [63,64,110].
Существующие теории копания можно разделить на две группы [4,9,35,36]: - теории, базирующиеся на результатах экспериментальных исследований (В.П.Горячкин, А.Н.Зеленин, Ю.А.Ветров, а также зарубежные авторы: И.Ратье, Т.Кюн, Р.Шилд и др.); - теории, основанные на положениях механики сплошной среды и теории прочности (К.А.Артемьев, В.И.Баловнев и др.).
Данные теории позволяют определить сопротивление резанию и копанию при условии, что известны параметры РО, режим работы и параметры грунта [101].
В реальных условиях большинство этих параметров носят случайный характер. Поэтому математическая модель силового воздействия со стороны грунта при проведении планировочных работ должна быть реализована как случайный процесс, изменения реакции F грунта на отвале автогрейдера, предлагается представить в виде:
Анализ и обоснование критериев эффективности автогрейдера
Комплексный метод исследований, предполагает проведение экспериментальных исследований, основными задачами которых являются: подтверждение адекватности математической модели объекта исследования; определение численных значений параметров, входящих в математические модели объекта; подтверждение работоспособности и эффективности технического решения, внедренного в производство [86,80].
При проведении экспериментальных исследований возможно использование двух методов: активного и пассивного [1].
Пассивный эксперимент предусматривает наблюдение за выходными координатами без вмешательства в процесс функционирования системы [1]. Результаты пассивного эксперимента используются для подтверждения адекватности математических моделей, проверки работоспособности конструкторских разработок, определения эффективности предложенных инженерных решений.
Активный эксперимент предусматривает формирование детерминированных воздействий на подсистемы и сложную динамическую систему в целом. Выходные координаты и переходные процессы дает информацию о свойствах объекта.
В данной работе целесообразно использовать методологию как пассивного, так и активного эксперимента, в силу того, что внешние возмущающие воздействия имеют стохастическую природу, а при подтверждении адекватности моделей целесообразно формировать детерминированные воздействия.
В качестве оценки достоверности экспериментальных данных использовалась доверительная вероятность - Рх. В данной работе достаточной считалась доверительная вероятность Рх « 0,95.
Исключение грубых ошибок измерений проводилось в соответствии с ГОСТ 11.002-73. Для этого по данным упорядоченной выборки х\ Х2 ... хп вычислялось среднее арифметическое выборки: 1 » тх=- х, (2.1) П =1 и дисперсия: D - ix.-mJ, (2.2) П - 1 =1 где х, — значение /-го наблюдения; п — число наблюдений. Грубой считается ошибка, при которой выполняется неравенство /50/: где t/ a — табличное значение параметра распределения Стьюдента при
Степени СВОбоДЫ к = П - 1 И ДОВерИТеЛЬНОЙ ВерОЯТНОСТИ рд — 1 - ОСу , ГДЄ СХу — уровень значимости (сСу 1 - рд).
С учетом принятого в работе допущения о нормальном законе распределения результатов наблюдений, истинное значение математического ожидания с вероятностью рд лежит в пределах [86,110]: тх - - тх тх +Щ , (2.4) -\]п -sin где tp — величина, характеризующая для нормального закона распределения число средних квадратических отклонений, откладываемых от центра рассеивания в обе стороны для того, чтобы вероятность попадания в полученный участок была равна рд. Для среднеквадратического отклонения можно записать [86,110]: Р х . Р х /О С\ 2п s}2n
Применение на этапе разработки автогрейдеров научно обоснованных методов оценки, построенных на базе технико-экономического анализа систем, позволяет сократить нерациональное расходование средств на освоение новой продукции и обеспечить производство новейших, более эффективных машин [13, 69].
Оценка эффективности рабочего процесса автогрейдера обычно осуществляется на базе комплекса числовых характеристик, называемых критериями эффективности, которые оценивают степень соответствия машины выполнению поставленных задач. Без учета критерия эффективности нельзя решить вопросы оптимизации основных параметров автогрейдера [13].
Согласно толковому словарю критерий (от греческого KRITERION -средство для суждения) - мерило оценки, суждения. Для того чтобы используемый критерий эффективности отвечал своему предназначению, необходимо при его выборе учесть основные требования, предъявляемые к нему. Согласно этим требованиям, критерий прежде всего должен обладать представительностью, т. е. соответствовать целям и задачам исследуемого процесса, быть критичным (чувствительным) к исследуемым параметрам, быть достаточно удобно вычисляемым, иметь ясный смысл. Кроме того, необходимо соблюдение определенности (однозначности), результативности (возможности оценки при любых значениях исследуемых параметров) и объективности критерия .
Обоснование и выбор критерия или системы соответствующих показателей эффективности автогрейдера является важнейшим этапом в решении задач оптимизации и совершенствования параметров машины [57].
При формировании показателя эффективности необходимо учитывать следующее [64]: - показатель должен отражать влияние на эффективность машины всего многообразия определяющих факторов: технических параметров, условий производства, эксплуатации и др.; - должен обеспечить получение обоснованных рекомендаций для выбора рациональных технических параметров машины, совокупность которых определяет ее технико-экономическую эффективность; - обеспечить решение вопросов, касающихся установления технико-экономической целесообразности практического применения объекта в группе машин разного типоразмера с учетом условий эксплуатации, производства, потребностей и перспектив развития промышленности.
Математическая модель системы управления РО автогрейдера
В данной работе в качестве задающих параметров приняты высота средней точки режущей кромки отвала УРОз и угол поперечного наклона отвала УРОЗ- В качестве информационных параметров — вертикальные координаты правого и левого краев отвала YPOn и Урод. После установки на задатчиках требуемых геометрических параметров дорожного полотна УРОз, УРОЗ СУ РО устанавливает отвал в требуемое положение с помощью правого и левого гидроцилиндров. За счёт неровностей микрорельефа под колёсами и силы реакции разрабатываемого грунта на отвал возникают неуправляемые перемещения базовой машины как в продольной, так и в поперечной плоскостях, что приводит к изменению положения РО. Лазерные приёмники высотного положения, установленные на краях отвала, считывают текущие вертикальные координаты. Элементы сравнения вычисляют рассогласование между текущими и заданными значениями параметров, и как только эта величина становится больше ширины зоны нечувствительности порогового элемента, подаётся сигнал управления на золотник соответствующего электрогидрораспределителя, в результате чего начинает перемещаться шток соответствующего гидроцилиндра, поднимая или опуская свой край отвала, до тех пор, пока разность сигналов датчика и задатчика не станет меньше ширины зоны нечувствительности, т.е. отвал вернётся в заданное положение.
Лазерный приёмник вертикальной координаты представляет собой безинерционное звено. Он преобразует перемещение своего чувствительного элемента в электрический сигнал по пропорциональному закону [77]. где Кд— коэффициент пропорциональности преобразования. Пороговый элемент представляет собой электронное реле с регулируемой зоной нечувствительности. Поскольку быстродействие электронных схем является высоким в сравнении с другими элементами, пороговый элемент описан как безинерционное реле.
Пороговыми значениями для каждого контура управления являются допустимые отклонения значений соответствующих параметров.
Одной из важнейших составляющих сложной динамической модели формирования земляного полотна является электрогидравлический привод РО, осуществляющий его перемещение относительно базовой машины и, соответственно, изменяющий параметры формируемого земляного полотна. Решение задач анализа и синтеза гидропривода невозможно осуществлять без его математической модели [110].
Существует множество схем гидроприводов, но все они представляют собой совокупность малого количества функциональных элементов гидроаппаратуры: насос, гидромотор, .гидроцилиндр, гидролиния, дроссель, клапаны и др. Поэтому гидропривод автогрейдера, без количественного учёта гидроэлементов, можно представить в виде блок-схемы (рисунок 3.6).
В настоящее время можно выделить два направления математического описания гидроприводов.
Первое направление заключается в представлении гидроэлементов в виде передаточных функций типовых динамических звеньев известных из теории автоматического управления. Представление элементов гидропривода в виде передаточных функций основывается на экспериментальных исследованиях, при этом реальный переходный процесс элементов гидропривода аппроксимируется с некоторой точностью передаточными функциями.
Точность моделирования гидропривода при этом способе определяется точностью аппроксимации переходных процессов и точностью замеров, проводимых в ходе эксперимента. При этом способе достаточно сложно учесть большое количество параметров влияющих на работу гидропривода, что ведет к упрощению математической модели гидропривода в целом.
Второе направление заключается в том, что для каждого из элементов, входящих в гидропривод, составляется своя математическая модель, представляющая собой дифференциальные уравнения, а затем находится общее дифференциальное уравнение, описывающее гидропривод машины в целом.
Данный способ обладает высокой точностью описания динамических процессов происходящих в гидроприводе и при наличии мощных вычислительных систем легко реализуется на ЭВМ.
Однако, для решения задач динамики гидрофицированной машины в целом, когда наибольший интерес представляет движение выходного звена исполнительного электрогидропривода при подаче на вход управляющего воздействия, то есть "макродинамика" гидропривода, его математическое описание может быть значительно упрощено. При этом не будут рассматриваться процессы, связанные с работой отдельных гидроэлементов.
При описании электрогидропривода в качестве входного воздействия принята выходная координата порогового элемента, в качестве выходной координаты - перемещение штока гидроцилиндра.
Так как объемный гидропривод обладает такими общими свойствами, как время запаздывания и постоянная скорость перемещения штоков исполнительных гидроцилиндров в установившемся режиме, переходные процессы разгона и торможения штока гидроцилиндра, то можно выделить следующие характерные стадии переходного процесса: - чистое запаздывание тг в течение которого шток находится в покое после включения, распределителя; -стадию разгона Тр, в течение которой шток разгоняется до номинальной скорости; - стадию установившегося движения.
Влияние соотношения базы машины и коэффициента базы к длине волны неровности обрабатываемой поверхности
Для исследования влияния параметров микрорельефа использованы стохастические воздействия на ходовое оборудование автогрейдера, математическая модель которых описана в главе 3. Выходными параметрами приняты YP0, ур0 при этом 2 из 3 параметров микрорельефа а, /?, т остаются фиксированными. Таким образом, проявляется зависимость планирующей способности автогрейдера от конкретного параметра.
На рисунке 4.9 изображен график переходного процесса величины вертикальной координаты земляного полотна до и после прохода автогрейдера при подаче стохастического воздействия под передние колеса Y = f(t) при следующих параметрах микрорельефа а =0,6 , (3 =1,0 , а =0,2. Численные значения геометрических параметров автогрейдера соответствуют данным таблицы 4.1, угол захвата =45. Как видно из рисунка происходит значительное сглаживание микрорельефа грунта.
На рисунках 4.10-4.15 представлены графики зависимостей Ку=/(а), Ку = ЯР), Ку = Я), Ку = /(а), Ку = ЯР) , Ку = Ясг) где а,Р а - параметры корреляционных функций, описывающих микрорельеф.
Значение параметра а незначительно влияет на коэффициенты К , К , интервал колебаний их значений не превышает 10%). Максимум функций Ky=f(a), Ку = f(cr) наблюдается при значении 7=0,105 (рисунки 4.10, 4.11), минимум - при значении а=0,04. Влияние параметра /? на коэффициенты К , Ку выражено сильнее (рисунки 4.12, 4.13). Функция Ку=/(Р) монотонно возрастает. Функция Ку = f(P) достигает максимума при /?=1,1, минимума при /?=0,1. Интервал колебаний значений коэффициентов Ку , Ку при изменении параметра а находится в пределах 20% (рисунки 4.14, 4.15). Функция Ку = /(a) монотонно убывает. Функция К =/(a) достигает максимума при а =1,2, минимум при or =0,35.
Значения коэффициентов вязкого трения и жесткости шин менялись следующим образом: номинальное значение, значения минимально и максимально возможные. На рисунках 4.21,4.22 изображены графики зависимости YP0 = f(t) , уРО = f(t) при различных значениях коэффициента жесткости шин сш , на которых проявляется зависимость планирующей способности автогрейдера от величины коэффициента жесткости. С увеличением жесткости шин планирующая способность автогрейдера ухудшается. На рисунках 4.23, 4.24 изображены графики зависимостей Ку = /(сш), Ку = /(сш).
Планирующая способность автогрейдера практически не зависит от величины коэффициента вязкого трения шин, что подтверждается графиками зависимостей К = /(b), К = /(b), изображенными на рисунках
Во второй части главы на основании составленной математической модели проведены исследования, позволившие проанализировать влияние основных геометрических параметров на планирующую способность автогрейдера, найти связывающие их зависимости и оптимальные значения [11,34].
Перед проведением исследований параметры модели были разделены на три группы: - фиксированные; - случайные; - варьируемые. К фиксированным параметрам были отнесены: 1. Колея базовой машины L3. t 2. Угол захвата (р. 3. Рабочая скорость V. 4. Коэффициенты жесткости С и вязкого трения Ъ элементов ходового оборудования.
К случайным параметрам были отнесены: 1. Возмущения со стороны микрорельефа. 2. Сила реакции разрабатываемого грунта на РО. К варьируемым параметрам были отнесены: 1. База машины L. 2. Коэффициент базы К. 3. Межосевое расстояние колес балансирной тележки ЬБ.
Данное разделение параметров математической модели обусловлено тем, что дальнейшие исследования сводились к изучению влияния основных геометрических параметров на планирующую способность автогрейдера, которое оценивалось на основе выбранных критериев эффективности Ку,Ку [83].
В качестве входного воздействия использовались возмущения микрорельефа на элементы ходового оборудования и сила реакции разрабатываемого грунта на РО.
При реализации полнофакторного эксперимента на математической модели определяются значения критериев эффективности для всех возможных сочетаний значений варьируемых параметров [79,90]. В данном случае имеется 3 варьируемых параметра, каждый из которых может принимать п значений, следовательно, для осуществления полного факторного эксперимента необходимо поставить п опытов.
Далее необходимо провести аппроксимацию методом наименьших квадратов полученных зависимостей критериев эффективности от анализируемых конструктивных параметров с целью получения уравнений регрессии [32,40,43].
Следующим шагом является постановка задачи условной оптимизации: - критерии эффективности показывают, какое решение должно быть оптимальным; - ограничения устанавливают зависимости между переменными; - граничные условия показывают, в каких пределах могут изменяться значения параметров в оптимальном решении.
