Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования 7
1.1. Обзор принципов автоматизации проектирования в промышленности 7
1.2. Обзор и анализ оборудования для погружения винтовых свай 14
1.3. Анализ математических моделей взаимодействия винтовой сваи с грунтом 22
1.4. Критерий эффективности устройства управления погружением винтовой сваи 31
1.5. Структура процесса погружения винтовой сваи 35
1.6. Цель и задачи работы 38
2. Общая методика исследования 39
2.1. Методика теоретических исследований процесса погружения 39
2.2. Основы планирования эксперимента 40
2.3. Основы математического моделирования процесса погружения 43
2.4. Структура выполнения работы 44
3. Математическое описание процесса погружения винтовой сваи 46
3.1. Математическая модель взаимодействия винтовой сваи с грунтом 46
3.2. Математическая модель механизма погружения винтовой сваи 54
3.3. Математическая модель двигателя внутреннего сгорания 59
3.4. Математическая модель гидроприводов вращения и подачи сваи 66
3.5. Математическая модель блока управления погружением винтовой сваи 80
3.6. Математическая модель процесса погружения винтовой сваи 87
3.7. Результаты и выводы по математическому описанию
4. Результаты теоретических исследований процесса погружения винтовой сваи 91
4.1. План эксперимента. Обоснование исследуемых параметров 91
4.2. Анализ основных параметров и статических характеристик гидропередач 94
4.3. Анализ статических характеристик процесса погружения винтовой сваи 97
4.4. Анализ динамических характеристик процесса погружения винтовой сваи 105
4.5. Анализ основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи
4.6. Оптимизационный синтез основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи 117
4.7. Выводы по исследованиям 124
5. Автоматизация проектирования основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи ... 125
5.1. Инженерная методика «Выбор основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи» 125
5.2. Алгоритм работы системы автоматизации проектирования основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи 127
5.3. Программный модуль расчета основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи 130
5.4. Выводы по главе 134
Основные результаты и выводы 135
Список литературы
- Критерий эффективности устройства управления погружением винтовой сваи
- Основы математического моделирования процесса погружения
- Математическая модель блока управления погружением винтовой сваи
- Анализ динамических характеристик процесса погружения винтовой сваи
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время значительное внимание уделяется проблемам создания и повышения эффективности систем автоматизации проектирования (САПР). Проектирование сложных динамических систем, таких как устройство управления погружением винтовой сваи, с большим количеством параметров, влияющих на процесс погружения, невозможно осуществлять без использования современных компьютерных методов. Применение САПР позволит сократить сроки создания и ввода в эксплуатацию образцов новой и модернизацию существующей техники, существенно снизить затраты на стадии разработки изделия.
До настоящего времени не было разработано САПР основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи. Таким образом, проблема разработки САПР основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи на основе широкого использования средств вычислительной техники является весьма актуальной.
В разработанной САПР оптимизация параметров устройства управления погружением винтовой сваи происходит в соответствии с алгоритмом работы САПР, современное программное обеспечение делает возможным диалог проектировщика и электронно-вычислительной машины в процессе проектирования.
Объект исследований – процесс автоматизации проектирования основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи.
Предмет исследований – закономерности процесса автоматизации проектирования основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи.
Цель диссертационной работы – совершенствование процесса проектирования основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи за счет автоматизации расчетов их оптимальных значений.
Задачи исследований:
-
выбор и обоснование критерия эффективности устройства управления погружением винтовой сваи;
-
разработка математической модели процесса погружения винтовой сваи;
-
автоматизация процессов анализа и синтеза основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи;
-
разработка инженерной методики и алгоритма работы системы автоматизации проектирования основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи.
На защиту выносятся:
математическая модель процесса погружения винтовой сваи;
полученные функциональные зависимости, отражающие связь критерия эффективности и основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи;
алгоритм работы САПР основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи.
Практическая ценность работы:
инженерная методика «Выбор основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи»;
САПР основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях: X, XI, XII Всероссийских научно-практических конференциях аспирантов, студентов и молодых исследователей «Теоретические знания – в практические дела» (г. Омск 2009 - 2011 гг. РосЗИТЛП); IV, V Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск 2009-2010 гг. СибАДИ); 63-, 64-й научно-технических конференциях СибАДИ
(г. Омск 2009-2010 гг. СибАДИ); Региональной научно-технической конференции молодых ученых, студентов, аспирантов «Новые технологии на транспорте, в энергетике и строительстве» (с международным участием), посвященной 90-летию Омского командного речного училища (г. Омск 2010 г. ОИВТ).
Реализация результатов работы. В ОАО «Конструкторское бюро транспортного машиностроения» г. Омска принята к внедрению САПР основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи. В ОАО «Мостовое ремонтно-строительное управление» г. Омска принята к внедрению инженерная методика «Выбор основных параметров устройства управления погружением винтовой сваи».
Публикации. По материалам исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК.
Критерий эффективности устройства управления погружением винтовой сваи
Изучением явлений, происходящих в грунтах при внедрении элементов винтовой формы, занимались многие отечественные и зарубежные ученые [110-114]. Теоретические исследования работы винтовых свай в разное время проводили следующие организации: НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, ГСПИ Министерства связи СССР, ЦНИИ Лесосплава, институт «Энергосетьпроект», Саратовский политехнический институт, Брестский политехнический институт и др. Большое количество экспериментальных исследований было проведено в ВНИИЗеммаше, ВНИИ строительства магистральных трубопроводов, Омском конструкторском бюро транспортного машиностроения. Значительный вклад в изучение винтовых свай внесли ученые: И.Я. Бейлин, Н.М. Биби-на, Л.Я. Богорад, С.Х. Вартанов, Ю.Е. Ветлов, В.Н. Железков, М.Д. Иродов, Д.А. Лозовой, Л.Г. Мариупольский, М.А. Орделли, В.А. Пенчук, Ю.О. Таргу-лян, И.И. Цюрупа, В.П. Чернюк, И.М. Чистяков, Г.С. Шпиро и др.
Одним из основных параметров, определяемых при расчете сил сопротивления погружению винтовой сваи, является величина крутящего момента МКР, необходимого для погружения. Чтобы избежать пробуксовки (вращения рабочего органа относительно своей оси без поступательного движения) и проскальзывания (погружения без вращения) необходимо рассчитывать величины крутящего момента и осевой нагрузки в зависимости от характеристик грунтов, проходимых рабочим органом в процессе погружения. В России для определения крутящего момента при погружении винтовых свай используются следующие формулы: «Технических указаний по проектированию и устройству фундаментов опор мостов на винтовых сваях» (ТУВС-55); И.И. Цюрупы и И.М. Чистякова; ГСПИ Министерства связи СССР; ЦНИИ Лесосплава; В.Н. Железкова; Рекомендаций Р 462-82.
Формула для определения крутящего момента при завинчивании свай по ТУВС-55 имеет вид [105]: Мкр = Ш2Штгр + KxaDn, (1.2) где Д, - диаметр винтовой лопасти сваи, м; d - наружный диаметр ствола сваи, м; а - шаг винта лопасти, м; Н - глубина погружения лопасти, м; тгр -удельное давление грунта на боковую поверхность ствола сваи, Н/м ; К\ — условно принятый коэффициент плотности грунта, Н/м (для плотного гравия с песком A"i=50 Н/м, для суглинков и глин в текучем состоянии #і=25 Н/м).
Эксперименты показывают, что силы трения грунта о ствол сваи во время ее вращения при завинчивании примерно в 2 раза меньше, чем при работе ее в сооружении под нагрузкой. Поэтому для вычисления крутящего момента допускается принимать значения напряжений трения, равные 0,6 от приведенных в справочных таблицах и предназначенных для определения допускаемой нагрузки на основание [22].
При погружении винтовых свай оказалось, что фактические величины крутящих моментов значительно отличаются от вычисленных по формуле (1.2). Всвязи с этим были проведены специальные исследования по определению крутящих моментов, возникающих при погружении винтовых свай машиной МЗС-13. Эти исследования показали, что в начале погружения винтовых свай в песчаные грунты величины крутящих моментов, вычисленные по формуле (1.2), значительно превышают крутящие моменты, замеренные приборами. При дальнейшем заглублении свай в грунт замеренные крутящие моменты становятся больше вычисленных и на глубине около 5 м превышают их в 2,2 раза. Для свай, погруженных в мореный суглинок, величины крутящих моментов, вычисленные по формуле (1.2), на всех глубинах до 5,8 м превышают в 1,4-2,5 раза крутящие моменты, замеренные приборами, причем, наибольшая разница этих величин наблюдается в начале погружения сваи.
Формула И.И. Цюрупы и И.М. Чистякова для определения величины крутящего момента при погружении в грунт винтовых свай имеет вид [90]: М.._. =2FHt + 4,\8yQHv(R3-r3) + кр V 2 "-2), 6,w (1.3) Q -F л Q -F л + К х с 0 0 "\ "X где D = 0,S45-a-(R - г ) + 0,346-ju-(R — г ); R и г — соответственно радиус лопасти и ствола сваи, и; Н - глубина погружения лопасти, м; а — шаг винта лопасти, м; Ьср - средняя толщина лопасти, м; F и Qn — соответственно пло-щадь ствола и лопасти, м ; уо - объемный вес грунта, H/MJ;G - сила веса механизма и ствола, Н; t — давление по стволу при завинчивании; pi — коэффициент трения; Кс - критическое напряжение сжатия грунта. Формула (1.3) применялась при погружении свай кабестанами. При использовании для погружения свай машины МЗС-13, создающей осевое усилие пригруза сваи около 60 кН, величины крутящего момента, получаемые по формуле, значительно отличались от измеренных. Подсчеты показывают, что по формулам (1.2) и (1.3) для глубин порядка 10 м при сравнительно небольших диаметрах лопасти расхождения в значении крутящего момента колеблются в пределах 8-10%. По мере увеличения глубины завинчивания расхождения возрастают и уже для 20 м составляют 25-30%). При увеличении диаметра ствола расхождения увеличиваются.
Были сделаны подсчеты крутящих моментов для ряда свай по теоретическим формулам (1.2) и (1.3) и одновременно произведены натурные замеры фактически возникающих крутящих моментов в свае. Данные этих исследований показывают, что формула (1.2) дает несколько уменьшенное значение крутящего момента, а формула (1.3) - несколько преувеличенное по сравнению с замеренными.
Эти выводы закономерны и полностью увязываются с характером самих формул. Формула (1.2) не учитывает ряда факторов, влияющих на величину крутящего момента, и поэтому значение его получается заниженным. В формуле (1.3) зависимость крутящего момента от глубины погружения выражена непосредственно в виде прямой зависимости, что, по-видимому, не соответствует действительности. Зависимость крутящего момента от размеров лопасти выражена в формуле (1.3) в виде разности диаметров лопасти и ствола, что более или менее справедливо при их соотношении не более 3-4. При больших соотношениях значения крутящего момента получаются завышенными [7].
Основы математического моделирования процесса погружения
Теория предполагает, что эксперимент может быть пассивным и активным. При пассивном эксперименте информация об исследуемом объекте накапливается путем пассивного наблюдения, то есть информацию получают в условиях обычного функционирования объекта. Активный эксперимент проводится с применением искусственного воздействия на объект по специальной программе. При пассивном эксперименте существуют только факторы в виде входных контролируемых, но неуправляемых переменных, и экспериментатор находится в положении пассивного наблюдателя. Задача планирования в этом случае сводится к оптимальной организации сбора информации и решению таких вопросов, как выбор количества и частоты измерений, выбор метода обработки результатов измерений. Примером пассивного эксперимента может быть анализ работы схемы, которая не имеет входов, только выходы, и повлиять на ее работу невозможно [4, 66].
Активный эксперимент позволяет быстрее и эффективнее решать задачи исследования, но более сложен, тем не менее, учитывая преимущества активного эксперимента, тогда, когда это возможно, предпочтение отдают ему. При активном эксперименте факторы должны быть управляемыми и независимыми. Активный эксперимент предполагает возможность воздействия на ход процесса и выбора в каждом опыте уровней факторов. При планировании активного эксперимента решается задача рационального выбора факторов, существенно влияющих на объект исследования, и определения соответствующего числа проводимых опытов. Увеличение числа включенных в рассмотрение факторов приводит к резкому возрастанию числа опытов, уменьшение - к существенному увеличению погрешности опыта. Фактор считается заданным только тогда, когда при его выборе указывается область определения данного фактора — совокупность значений, которые он может принимать. Совокупности факторов должны отвечать требованиям совместимости и независимости. Соблюдение первого требования означает, что все комбинации факторов осуществимы и безопасны, второго — возможность установления фактора на любом уровне независимо от уровней других факторов [4, 66].
Таким образом, вышеописанная последовательность действий и план эксперимента будут составлять методику теоретических исследований процесса погружения винтовой сваи. 2.3 Основы математического моделирования процесса погружения
Математическое моделирование составляет основу теоретических исследований работы, при этом исследуемый объект заменяется его математической моделью, которая отражает с достаточной степенью точности исследуемые свойства объекта. Исследование математической модели имеет следующие основные преимущества перед натурными испытаниями: дешевизна исследований; вмешательство извне на любой стадии исследований; возможность моделирования условий эксперимента, которые невозможно воспроизвести в реальных условиях.
Выбор того или иного типа представления математического описания объекта в основном определяется задачами исследования, требованиями. обеспечения наглядности проходящих процессов и т.д. В настоящее время широко распространено представление математических моделей в виде систем алгебраических или дифференциальных уравнений, а также передаточных функций [10, 15, 21, 54, 81, 98].
При математическом моделировании процесса погружения, представляющего собой сложную динамическую систему, принимается ряд допущений, позволяющих исключить факторы, несущественно влияющие на динамику процесса, и тем самым облегчить исследование. Например, некоторые параметры подсистем гидропривода и двигателя машины флюктуируют во времени и имеют случайный характер. Однако колебания этих параметров не соизмеримы с колебаниями внешних воздействий и растянуты во времени, поэтому при составлении математической модели данных подсистем принимается допущение о том, что параметры подсистем являются детерминированными или вовсе не учитываются [10, 15, 21, 54, 81, 98].
Реализация математической модели процесса погружения винтовой сваи проведено на ПЭВМ с процессором Intel Pentium 1,83 ГГц с объемом ОЗУ 2 ГБ в среде Simulink программного комплекса MATLAB [9, 43, 91, 98].
Математическая модель блока управления погружением винтовой сваи
Исходными конструктивными параметрами винтовой сваи для определения сил сопротивления ее погружению в грунт являются [17]: радиус башмака R; половина угла заострения конуса /?; наружный радиус обсадной трубы г; длина участка сваи, взаимодействующего с грунтом, (глубина погружения) Не , угол заострения винтовой лопасти 2а; ширина лопасти В; угол подъема винтовой линии лопасти у; высота башмака Н. В процессе погружения винтовой сваи для исключения возможности нарезания грунта лопастью необходимо учитывать величины крутящего момента силы и вертикальной силы, т.е. осуществлять погружение сваи за один оборот на величину шага лопасти Нл. В противном случае грунт будет разрушаться лопастью, винтовая свая будет производить бурение грунта, что недопустимо.
Основным видом деформации грунта при погружении винтовой сваи является радиальное сжатие, приводящее к уменьшению пористости грунта и к увеличению его плотности. Поэтому при исследовании этого явления в первую очередь необходимо установить закономерности, характеризующие зависимости между нормальными контактными напряжениями ап и радиальной деформацией сжатия грунта х. Наиболее простой и в то же время учитывающей неравномерность грунтовых условий, в которых возможна работа оборудования, является модель сопротивления грунта смятию, принимаемая согласно гипотезе Бернштейна-Летошнева [17, 45]. Сопротивление грунта по мере возрастания деформации определяется из зависимости: & = Сгхм, (3.1) где а — напряжение на контактной поверхности элемента, С\ — коэффициент общей деформации грунта, х - величина деформации, ju — показатель, характеризующий процесс деформации.
Исследованиями А.К. Бируля [17, 45, 75] было установлено, что показатель /л может принимать различные значения для одного и того же грунта в зависимости от его влажности W. Так, например, /и=0 при W F, //=0,5 при J =(0,7- 0,8)F, /л=\ при W=(0,4+0,7)F, где F— верхний предел пластичности.
Экспериментальными исследованиями Н.А. Ульянова [17, 45, 75] также установлено, что закон деформации грунта (3.1) может быть использован не только для оценки процесса сжатия, но и при восстановлении упругой деформации грунта. При этом вместо коэффициента общей деформации С\ в формулу (3.1) вводится коэффициент упругой деформации Сг, а вместо величины общей деформации х — величина упругой деформации U [17, 45, 75]. Процесс деформации грунта под нагрузкой весьма сложен, так как отдельные виды деформаций имеют разную физическую сущность и подчиняются различным законам. Поэтому при проведении теоретических исследований вводится ряд допущений, основными из которых являются следующие [17]: перемещение частиц грунта в процессе внедрения происходит в направлении, перпендикулярном перемещению сваи, т.е. внедрение сваи эквивалентно расширению полости в грунте от нулевого радиуса до радиуса сваи; силы сопротивления, действующие на поверхность винтовой лопасти, сосредоточены на линии ее срединного диаметра; деформации от сжатия при погружении элементов винтовой сваи в грунт суммируются; напряжения, вызванные деформацией грунта от внедрения в него сваи, постоянны на расстоянии радиуса лопасти от оси скважины в направлении, перпендикулярном данной оси.
При погружении винтовой сваи в грунт формируется зона уплотненного грунта. Сопротивление внедрению сваи зависит от объема уплотненного вокруг нее грунта, который определяется формой и конструктивными параметрами сваи.
Расчетная схема для определения крутящего момента силы завинчивания сваи в грунт приведена на рисунке 3.2. Крутящий момент силы завинчивания сваи в грунт рассчитывается по формуле [17]: М = М]+М2+М3+М4, (3.2) где М\, М2, Мъ, М4 -моменты сил сопротивления, возникающие при погружении конусного наконечника, башмака, винтовой лопасти и обсадной трубы соответственно. Формула для определения момента силы, вызываемого силой трения по боковой поверхности конусного наконечника [17]: Mx=zosy1n-- г- -1 , (3.3) ju + 3 sin J3 cos /З где Сі - коэффициент общей деформации грунта; / — коэффициент трения грунта по грунту или грунта по стали; /? — половина угла заострения конуса; R — радиус башмака; ju — показатель, характеризующий процесс деформации; у— угол подъема винтовой линии лопасти.
Анализ динамических характеристик процесса погружения винтовой сваи
В качестве объекта исследования в данной работе рассматривается процесс погружения винтовой сваи, представленный в виде «черного ящика» с множеством входных и выходных параметров, что определяет проведение многофакторного эксперимента.
Количество факторов пх будет определяться числом исследуемых параметров. Количество уровней рп для каждого фактора определяется степенью полинома qn, описывающего зависимость входного и выходного параметра: p„ q„+l. (4.1) В качестве выходных параметров приняты целевая функция критерия эффективности tc и функция ограничения перерегулирования момента на валу ЛВС од/.
Для нахождения параметров, подвергаемых исследованию, необходимо проанализировать все постоянные независимые параметры, входящие в математическую модель процесса погружения винтовой сваи (таблица 4.1), разделить их на группы и выявить те, которые наиболее явно влияют на эффективность процесса и поддаются изменению в реальных условиях.
Согласно цели и задачам работы исследуемые параметры, влияющие на критерий эффективности процесса погружения, должны быть связаны с устройством управления погружением сваи. При исследовании статических и динамических характеристик процесса погружения особо важно рассматривать параметры устройства управления, существенно влияющие на управление загрузкой ЛВС и скоростями вращения и подачи сваи. Параметры, несущественно влияющие на управление процессом погружения, такие как параметры гидролиний, предохранительных клапанов и рабочей жидкости, а также параметры не связанные с устройством управления, такие как геометрические параметры сваи и физико-механические свойства грунта, могут не рассматриваться при исследованиях. Таблица 4.1
Взаимодействие винтовой сваи сгрунтом Сі - коэффициент общей деформации грунта;Сг - коэффициент упругой деформации грунта;fi — показатель, характеризующий процесс деформации;/- коэффициент трения грунта по грунту или грунта по стали;Я — половина угла заострения конуса;R — радиус башмака;у — угол подъема винтовой линии лопасти;а — половина угла заострения винтовой лопасти;В — ширина лопасти сваи;п — число витков лопасти;г — наружный радиус обсадной трубы;Н— высота башмака;Нл - шаг лопасти винтовой сваи;Gc - вес сваи.
Механизм погружения RE- радиус барабана лебедки натяжного троса привода подачи; Спр.мп — коэффициент жесткости пружины; him - передаточное отношение привода механизма подачи сваи; імт - передаточное отношение привода механизма вращения сваи.
о и оо и и я я ия л чёи я о J Л - приведенный момент инерции вала ДВС и связанных с нимагрегатов;ІТР\ - передаточное отношение привода насоса вращения сваи;ІТР2 - передаточное отношение привода насоса подачи сваи;Г}ТР\ — КПД привода вращения сваи;цтю. - КПД привода подачи сваи;Мдщіщ — момент двигателя при минимальной подаче топлива;ZMM- положение муфты регулятора, соответствующее холостому ходу;Mz - приращение момента при максимальной подаче топлива;m - приведенная к муфте масса всех подвижных частей регулятора;VTP - коэффициент вязкого трения вала регулятора;FH—усилие предварительного натяга пружины, приведенное к муфте;СПР.Р приведенная жесткость пружины регулятора;AZVLBZ- коэффициенты уравнения поддерживающей силы.
Электрогадроприводы вращения и подачи сваи Гидролинии dTP.m drp.m, dw.cu dTp.a, dTp.a - диаметры напорных и сливных гидролиний;LTP.HU LTp.m, LTP.CU LTP.CI, LTp.a - длины напорных и сливных гидролиний;8тр.т дтр.т, STP.CU STP.CI, ЗТР.СЗ -толщины стенок гидролиний; ЕСТ- модуль упругости материала стенок гидролиний; Еж- объемный модуль упругости рабочей жидкости; Уж - удельный вес рабочей жидкости; Уж-коэффициент кинематической вязкости рабочей жидкости.Тройник i, Qi - коэффициенты гидравлических сопротивлений тройника; 5ь 5 2 - площади проходных сечений входных гидролиний тройника. Продолжение табл. 4.1
Гидронасосы (7ял/ь Цта — номинальные рабочие объемы насосов; Пони Пмни Чонг, Цмнг — объемные и механические КПД насосов; КЕК\, КЕЮ. - коэффициенты передачи электромагнитного клапана; 7«in_maxij Ушн_тях2 - максимальные углы наклона шайб гидронасосов; Тими Тш,а — постоянные времени сервоприводов гидронасосов; hu hi — токи предусиления электромагнитных клапанов.
Гидромоторы Я ми Чт — номинальные рабочие объемы гидромоторов; JMU Jhfi — моменты инерции, приведенные к валам гидромоторов; Цоми Цмми Цоьа, Цмка — объемные и механические КПД гидромоторов.
Предохранительные клапаны Рки Рк2 — давления слива клапанов; тк - масса подвижной части клапанов;
FK\, FKI — рабочие площади клапанов со стороны напора и слива; оь 02 — величины предварительного сжатия пружин клапанов; Ик — коэффициент вязкого трения клапанов; RTP - сила сухого трения клапанов; Спр.к- жесткость пружины клапанов; і?к - параметр, учитывающий инерционность столба жидкости.
