Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. Цель и задачи исследования 6
1.1. Описание процесса фрезерования дорожного полотна 6
1.2 Анализ существующих средств и методов фрезерования асфальтобетонного покрытия 8
1.3 Анализ существующих систем управления рабочим органом дорожной фрезы 12
1.4 Требования к геометрической точности работ по устройству асфальтобетонного покрытия и эксплуатационному состоянию автомобильных дорог 16
1.5. Обоснование критерия эффективности 24
1.6. Цель и задачи исследования 28
2. Общая методика исследования 29
2.1. Методика теоретического исследования 29
2.2. Методика экспериментального исследования 34
2.3. Структура выполнения работы 36
3. Математическая модель 38
3.1. Обоснование расчетной схемы 38
3.1.1 Постановка цели и задачи моделирования 38
3.1.2 Принятие допущений и установка ограничений 39
3.2. Математическая модель базовой машины 40
3.3. Математическая модель микрорельефа 47
3.4. Математическая модель подъема-опускания РО 53
3.4.1. Математическая модель геометрической связи вертикальных координат точек крепления РО к раме БМ и угла наклона РО от перемещения штока падроцилиндров задней опоры рамы 53
3.4.2. Математическая модель геометрической связи перемещения штока гидроцилиндра рабочего органа и вертикальной координаты нижней точки рабочего органа 56
3.5 Математическая модель реакции асфальтобетона на рабочий орган дорожной фрезы 58
3.6. Математическая модель системы управления рабочим органом дорожной фрезы 691
3.6.1. Математическая модель электрогидропривода рабочего органа 70
3.6.2. Математическая модель устройства управления рабочим органом 72
3.7. Обобщенная математическая модель рабочего процесса дорожной фрезы 75
4. Результаты теоретических исследований 79
4.1. Исследование математической модели дорожной фрезы в статическом режиме 79
4.2. Анализ влияния возмущающего и управляющего воздействия на перемещения рабочего органа 82
4.2.1. Анализ влияния величины хода штока управляющего гидроцилиндра на перемещение рабочего органа 82
4.2.2. Анализ влияния возмущающего воздействия со стороны микрорельефа на перемещение рабочего органа 88
4.3. Анализ влияния основных геометрических параметров базовой машины на точностные характеристики дорожной фрезы 92.
4.3.1. Аппроксимация зависимостей 95
4.3.2. Математические методы оптимизации 111
4.3.3. Выбор оптимальных значений геометрических параметров дорожной фрезы 120
5. Система автоматизации проектирования основных геометрических параметров дорожной машины с фрезерным барабаном 123
5.1. САПР как объект проектирования 123
5.2. Состав, структура и виды обеспечения САПР 127
5.3. Этапы проектирования САПР основных геометрических параметров дорожной машины с фрезерным барабаном 129
5.4. Инженерная методика расчета основных геометрических параметров дорожной машины с фрезерным барабаном 132
5.5. Структура САПР основных геометрических параметров дорожной машины с фрезерным барабаном 135
Основные результаты и выводы 141
Список использованных источников 142
Приложение 149
- Анализ существующих средств и методов фрезерования асфальтобетонного покрытия
- Методика экспериментального исследования
- Математическая модель базовой машины
- Анализ влияния возмущающего и управляющего воздействия на перемещения рабочего органа
Введение к работе
С течением времени дороги изнашиваются как физически — на них появляются неровности и выбоины, так и морально - их грузоподъемность становится недостаточной. Восстановление покрытия требует значительных затрат. Дорожное полотно должно иметь одинаковую толщину по всей ширине дороги, а также боковой уклон для надежного отвода воды. Чтобы эти условия обеспечивались, профиль базовой поверхности, подготовленной для укладки асфальтобетона, должен быть очень точно выдержан [39, 42].
Подготовку профиля базовой поверхности выполняет строительная дорожная машина с фрезерным барабаном — дорожная фреза, исходя из этого, эффективность рабочего процесса исследуемой в настоящей работе машины оценивалась по планировочным качествам.
Добиться максимальной эффективности рабочего процесса можно лишь путем применения комплекса наиболее эффективных технических решений. Для этого требуется провести анализ и синтезировать различные варианты конструкций, что по ряду причин затруднительно или невозможно без применения системы автоматизации проектирования (САПР), которая позволит существенно снизить затраты времени и средств на создание новых и модернизацию существующих строительных дорожных машин [30, 52].
В предшествующих исследованиях не в полной мере были установлены закономерности влияния основных геометрических параметров дорожной фрезы на ее точностные характеристики. В связи с этим возникла необходимость исследования точностных характеристик дорожной фрезы и необходимость создания САПР обеспечивающую оптимальные геометрические параметры дорожной фрезы.
Анализ существующих средств и методов фрезерования асфальтобетонного покрытия
Сегодня профилирование старого асфальтобетонного покрытия - это автоматически управляемый процесс его фрезерования для восстановления заданного поперечного и продольного профиля, удаления бугров, выбоин, зон износа, а также других дефектов покрытия, и в итоге получения поверхности, допускающей немедленное начало движения или укладку свежего покрытия [43].
Современные дорожные фрезы (рис.2) позволяют планировать старое покрытие, текстурировать его поверхность, придавая ей утерянные сцепные и шумозащитные свойства, снимать старое покрытие послойно (с точностью до миллиметра) или сразу на всю глубину, аккуратно вскрывать места прокладки подземных трубопроводов и линий связи, освобождать от старого покрытия люки колодцев и помещениях. При необходимости дорожная фреза может прорезать в покрытии и подстилающих слоях глубокий шов, позволяющий предотвратить повреждение, растрескивание или оползание покрытия, окружающего ремонтируемый участок [62].
Несмотря на привычное разнообразие марок и моделей дорожных фрез, существуют определенные принципы компоновки и использования общие для этого типа машин. В качестве силовых установок используются дизельные двигатели. Ходовые трансмиссии, как правило, гидрообъемные, с независимым приводом каждого колеса или гусеничной тележки; количество движителей (колес или гусеничных тележек) колеблется от 3 до в зависимости от типоразмера машины. Фрезерные барабаны приводятся непосредственно от двигателей машин с помощью механической передачи. На малых типоразмерах может использоваться гидрообъемная передача [43,62].
Твердосплавные резцы расположены по многозаходной винтовой линии, их рабочий ход направлен навстречу движению машины. Фрезеруемая зона лежит, как правило, между движителями машины (исключения допускаются при фрезеровании вплотную к препятствиям или использовании узких фрез и дисковых пил большого диаметра). Все машины оборудуются системой увлажнения фрезеруемой зоны, обеспечивающей пылеподавление с одновременным охлаждением режущего инструмента [3].
Практически все фрезы (за исключением самых малых) оснащаются зачистными отвалами, подборочными устройствами и погрузочными конвейерами, обеспечивающими погрузку разрушенного покрытия в транспортные средства. Основное внимание при совершенствовании конструкции дорожных фрез уделялось увеличению производительности фрезерных барабанов [3].
Резцы на фрезерных барабанах быстро изнашивались, и их приходилось часто заменять, что было серьезной проблемой. Процесс замены занимал немало времени, а фрезы надолго выводились из работы, что резко снижало производительность. Поэтому все изготовители дорожных фрез стремились ускорить процесс замены резцов и увеличить срок службы этих деталей. Подбирали износостойкие стали для их изготовления и улучшали форму режущей кромки [43].
В современных дорожных фрезах также усовершенствована конструкция крепления резцов. На первых фрезах резцы крепились к барабану сваркой, поэтому для их замены требовалось много времени. В современных машинах резцы закрепляются болтами в резцедержателях разной конструкции, благодаря чему значительно сократилось время, необходимое для их замены. Однако на некоторых барабанах, предназначенных для фрезерования сравнительно мягких асфальтовых покрытий, сохранились привариваемые резцедержатели. Позже появились машины со сменными фрезерными барабанами разной ширины, что позволяло изменять ширину полосы фрезерования дорожного полотна [43].
Постоянно идет поиск путей повышения производительности дорожных фрез. Один из таких методов — увеличение глубины фрезерования. Следует заметить, что увеличение глубины фрезерования обеспечивает рост производительности, но, конечно, до определенного предела. Например, переход с глубины 30 мм на глубину 60 мм лишь немного замедляет рабочую скорость машины, зато удваивает объем перерабатываемого материала. По мере увеличения глубины фрезерования свыше величины, соответствующей максимальной производительности машины, снижение рабочей скорости начинает сводить на нет выигрыш в объеме снимаемого материала от более глубокого фрезерования. Так, производительность при глубине фрезерования 170 мм и медленной рабочей скорости машины может оказаться не выше, чем при глубине фрезерования 90 мм и намного большей рабочей скорости. Пока дорожная фреза сохраняет высокую скорость движения, увеличение глубины резания будет обеспечивать рост производительности и снижение затрат на резцы.
Износ резцов зависит от твердости материала и объема работы. С увеличением глубины фрезерования объем работы для резцов растет непропорционально.
Методика экспериментального исследования
Принятый в настоящей работе комплексный метод исследований предполагает такой этап работы как проведение экспериментальных исследований. Основными задачами экспериментальных исследований являются: экспериментальные определения численных значений параметров, необходимых для расчета коэффициентов математических моделей; подтверждение адекватности математических моделей; подтверждение работоспособности конструкторских разработок. При проведении экспериментальных исследований возможно использование двух методов: активного и пассивного [12]. Пассивный эксперимент предусматривает наблюдение за выходными координатами без вмешательства в процесс функционирования системы III. 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 11.004-74. Для этого по данным упорядоченной выборки xi x-i ... хп вычислялось среднее арифметическое выборки: и дисперсия: где Xj — значение z -ro наблюдения; п — число наблюдений. Грубой считается ошибка, при которой выполняется неравенство /50/: где tk,a — табличное значение параметра распределения Стьюдента при СТепеНИ СВОбоДЫ к = П - 1 И ДОВерИТеЛЬНОЙ ВерОЯТНОСТИ рд = 1 - ОСу\ ГДЄ ОСу — уровень значимости (cty= 1 -рд). С учетом принятого в работе допущения о нормальном законе распределения результатов наблюдений, истинное значение математического ожидания с вероятностью рд лежит в пределах: 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 равная Для среднеквадратического отклонения можно записать [41, 76]: Количество необходимых измерений определяется исходя из заданной относительной погрешности измерений математического ожидания и среднеквадратического отклонения, по формулам [41, 76]: где Sm и 8a - относительные погрешности для математического ожидания и среднеквадратического отклонения соответственно; щ — коэффициент вариации измеряемой величины.
Математическая модель базовой машины
Для составления структурной схемы математической модели базовой машины дорожной фрезы необходимо принять допущения: рассматриваются изменения больших значений обобщенных координат звеньев расчетной схемы; машина представлена упрощенно в виде многозвенника, отражающего раму машины с двигателем, трансмиссией, задней осью и задними колесами; переднюю ось с колесами; РО; РО шарнирно крепится к раме и зафиксирован гидроцилиндрами; звенья многозвенника и опорная поверхность абсолютно жесткие; колеса от опорной поверхности не отрываются и имеют с ней точечный контакт. С учетом принятых допущений была составлена пространственная расчетная схема дорожной фрезы, которая представлена на рисунке 3.1. Для выполнения расчетов в инерциальной системе координат 00X0Z0Yo задается плоскость отсчета, обозначенная пунктиром и проходящая через оси ОоХоиОоУо[6]. На рисунке 3.1 даны следующие обозначения: Znn - высота неровностей микрорельефа под передним правым колесом; Zrm - высота неровностей микрорельефа под передним левым колесом; Z-sn — высота неровностей микрорельефа под задним правым колесом; Zзл - высота неровностей микрорельефа под задним левым колесом; Zpon - изменение глубины фрезерования по правому краю РО. Zpcm - изменение глубины фрезерования по левому краю РО. L - длина базы дорожной фрезы; Li -расстояние от оси передних колес до оси РО; L2 - расстоянии от оси задних колес до оси РО; Ьз - ширина базы машины; L6ap - ширина фрезерного барабана; Y ро - угол поперечного наклона РО; CI,..., С4 - коэффициенты жесткости элементов ходового оборудования; Ы,..., Ь4 - коэффициенты вязкости элементов ходового оборудования. Для получения математических зависимостей перемещения рабочего органа в пространстве от перемещений передних и задних колес составим расчетную схему положения рабочего органа (рис.3.2) [6]. До настоящего момента мы предполагали, что радиус качения колеса принимается постоянным. Однако для внедорожных колесных машин такое допущение часто является слишком грубым. Колебания отдельной оси машины можно представить в виде одномассной системы (рис. 3.3) [29, 63, 70]: где m — масса, приходящаяся на ось; уш — коэффициент демпфирования шин; Сщ - коэффициент жесткости шин; Z - вертикальная координата перемещения оси; q(t) — неровности профиля дороги.
Тогда радиус качения колеса необходимо представить в виде [29, 63]: к г zCT Z, (3.17) где г — свободный радиус колеса; ZCT — статический прогиб колеса под нагрузкой; z — динамическое изменение прогиба колеса. Систему уравнений, описывающую работу движителя с учетом изменения радиуса колеса можно записать в виде [29,63, 70]: т (3.18) Исходя из вышеизложенного, можно составить структурную схему базовой машины дорожной фрезы, которая представлена на рисунке 3.4. Рисунок 3.4 - Структурная схема базовой машины дорожной фрезы На рисунке 3.4. даны следующие обозначения: ZMPII - высота неровностей микрорельефа правой колеи; ЯМРЛ- высота неровностей микрорельефа левой колеи; TL — время, за которое дорожная фреза проедет расстояние L (расстояние между осями); кп - коэффициент передачи переднего колеса, кп = 1 / сп, где сп — коэффициент жесткости передней шины; кз — коэффициент передачи заднего колеса, кз — 1 / с3, где с? — коэффициент жесткости задней шины; Тщ - постоянная времени переднего колеса, Тпх = mIL у Тш - постоянная времени переднего колеса, Тпх = —; п с. Т31 - постоянная времени заднего колеса, T3i = — у Т32 - постоянная времени заднего колеса, Г31 = —. Сз Блок - схема алгоритма реализации математической модели базовой машины дорожной фрезы представлена на рисунке 3.5.
Анализ влияния возмущающего и управляющего воздействия на перемещения рабочего органа
Для исследования влияния величины хода штока управляющего гидроцилиндра на перемещение рабочего органа были заданы численные значения параметров дорожной фрезы (таблица 4.1), а также выбраны входные и выходные параметры. Таблица 4.1 - Численные значения параметров дорожной фрезы при экспериментах Выходные параметры: - Вертикальная координата центральной нижней точки рабочего органа Zpo\ - Угол перекоса РО относительно базовой машины - Входной параметр: - Перемещение штока левого управляющего гидроцилиндра Для входного параметра были установлены верхние и нижние пределы согласно конструктивным особенностям базовой машины и механизма подъема-опускания РО. Варьируемым параметром был принят коэффициент базы Кь. Для вариации были взяты следующие коэффициенты базы: Кь = 0,8; Кь = 0,7; Kb = 0,6; Kb = 0,5; Kb = 0,4. На рисунке 4.3 представлены поверхности полученных зависимостей Zp0 =f(Sjj), при различных коэффициентах базы Кь. Из рисунка 4.3 видно, что функция ZPo=f(S) линейна. Это позволяет использовать S - ход штока гидроцилиндра в качестве информационного параметра без дополнительных функциональных преобразований. Для наглядности на рисунках 4.4 — 4.8 представлены сечения поверхностей полученных зависимостей Zpo =f(Sjj), при различных значениях .# позволяющие более подробно увидеть, как величина хода штока управляющего гидроцилиндра влияет на перемещение нижних точек фрезерного барабана. На рисунке 4.9 представлены графики полученных зависимостей 7po=f(Sji) ПРИ различных коэффициентах базы Кь Из рисунка 4.9 видно, что функция уРО =f(S) линейна. Это позволяет использовать S - ход штока гидроцилиндра в качестве информационного параметра без дополнительных функциональных преобразований. Для исследования влияния возмущающего воздействия со стороны микрорельефа на перемещение рабочего органа были заданы численные значения параметров дорожной фрезы (таблица 4.1), а также выбраны входные и выходные параметры. Выходные параметры: - Вертикальная координата центральной нижней точки рабочего органа Zpo, - Угол перекоса РО относительно базовой машины уро-Входной параметр: - Ступенчатое воздействие на правую сторону ходового оборудования Zn Варьируемым параметром был принят коэффициент базы Кь. Для вариации были взяты следующие коэффициенты базы: Кь = 0,8; Кь = 0,7; Кь = 0,6; Къ = 0,5; Kb = 0,4. На рисунках 4.11 - 4.16 представлены поверхности полученных зависимостей ZPQ =f(Z[j) и уро =f(Zjj) при различных коэффициентах базы Кь. 007 Рисунок 4.16 — Изменение угла перекоса фрезерного барабана при подаче ступенчатого воздействия 0,15 м на правую сторону ходового оборудования Ь Из полученных графических зависимостей можно сделать вывод, что величина коэффициента базы Кь незначительно влияет на конечное значение вертикальной координаты центральной нижней точки рабочего органа ZPo и угла перекоса РО относительно базовой машины уро Амплитуда колебаний характерных точек дорожной фрезы при подаче ступенчатого воздействия на элементы ходового оборудования прямо пропорциональна величине колебаний, а время переходного процесса находится в пределах от 1,5 до 2,5 с.
