Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса. цель и задачи исследования 7
1.1. Обзор и анализ существующих конструкций бульдозерных агрегатов 7
1.2. Схемы разработки и теории копания грунта бульдозерным агрегатом 16
1.3. Анализ требований к точности обработки земляного полотна 19
1.4. Классификация и анализ существующих систем управления рабочим органом бульдозерного агрегата 21
1.5. Анализ математических моделей бульдозерных агрегатов 24
1.6. Анализ математических моделей гидропривода рабочего органа бульдозерного агрегата 28
1.7. Обзор принципов и методов автоматизации проектирования 31
1.8. Цель и задачи работы 37
2 Общая методика исследований 38
2.1. Методика теоретических исследований 38
2.2. Методика экспериментальных исследований 40
2.3. Структура выполнения работы 42
3 Математическое описание рабочего процесса бульдозерного агрегата 44
3.1. Обоснование и выбор критерия эффективности устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата 44
3.2. Структура схема рабочего процесса бульдозерного агрегата ... 48
3.3. Обоснование информационных параметров и анализ алгоритмов управления рабочим органом бульдозерного агрегата 51
3.4. Математическая модель рабочего процесса бульдозерного агрегата 56
3.4.1. Математическая модель бульдозерного агрегата 57
3.4.2. Модель возмущающих воздействий грунта на рабочий орган бульдозерного агрегата 75
3.4.3. Математическая модель гидропривода перемещения рабочего органа бульдозерного агрегата 82
3.4.4. Математическая модель блока управления гидроприводом рабочего органа бульдозерного агрегата 85
3.5. Структура математической модели рабочего процесса бульдозерного агрегата 87
3.6. Подтверждение адекватности математической модели рабочего процесса бульдозерного агрегата 89
3.7. Итоги и выводы по главе 94
4 Результаты теоретических исследований рабочего процесса бульдозерного агрегата 95
4.1. Обоснование параметров, подлежащих исследованию 95
4.2. Определение условий проведения теоретических исследований и обоснование границ варьируемых параметров 96
4.3. Анализ основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата при выполнении планировочных работ 106
4.4. Оптимизационный синтез основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата 114
4.5. Итоги и выводы по проведенным исследованиям 127
5 Автоматизация проектирования устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата 128
Основные результаты и выводы 137
Список использованных источников 138
Приложение
- Схемы разработки и теории копания грунта бульдозерным агрегатом
- Методика экспериментальных исследований
- Структура схема рабочего процесса бульдозерного агрегата
- Определение условий проведения теоретических исследований и обоснование границ варьируемых параметров
Введение к работе
Актуальность работы;
Современные требования к качеству обработки земляного полотна достаточно высоки. В связи с этим постоянно совершенствуются существующие планировочные землеройно-транспортные машины (ЗТМ), и в них внедряется огромное множество автоматики. Использование бульдозерного агрегата (БА) для высокоточной обработки земляного полона позволит сократить парк землеройно-транспортных машин на строительной площадке, исключив автогрейдер и другие планировочные машины на базе промышленных колесных тракторов. Для эффективного использования БА в качестве планировочной машины необходимо оснастить его соответствующим устройством управления (УУ) рабочим органом (РО).
При разработке устройств управления (УУ), направленных на повышение эффективности землеройно-транспортных машин, возникает проблема синтеза их оптимальных параметров. Такие проблемы невозможно решать без применения вычислительной техники, так как оптимизация параметров УУ является сложным вычислительным процессом. Внедрение систем автоматизации проектирования (САПР) в машиностроительной отрасли позволяет существенно облегчить поиск оптимальных технических решений [20].
Разработка САПР УУ РО БА позволит значительно сократить затраты времени и средств при оптимизации основных параметров данного устройства, которое повысит эффективность процесса обработки земляного полотна и обеспечит экономический эффект. Это особенно актуально при непрерывно возрастающей конкуренции на рынке строительных и дорожных машин. Научная новизна работы:
• математическая модель сложной динамической системы рабочего процесса (РП) бульдозерного агрегата, включающая в себя подсистемы: «Грунт», «Бульдозерный агрегат» и «Устройство управления рабочим органом»;
• установленные функциональные зависимости, отражающие связь критерия эффективности и основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата;
• алгоритм автоматизации проектирования основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата.
Практическая ценность:
• инженерная методика оптимизации и САПР основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата.
Реализация работы:
В ОАО «Конструкторское бюро транспортного машиностроения (КБТМ)» г. Омска принята к внедрению САПР основных параметров УУ РО БА.
На защиту выносятся:
• математическая модель сложной динамической системы рабочего процесса бульдозерного агрегата, включающая в себя подсистемы: «Грунт», «Бульдозерный агрегат» и «Устройство управления рабочим органом»;
• полученные функциональные зависимости, отражающие связь критерия эффективности и основных параметров УУ РО БА;
• САПР основных параметров УУ РО БА.
Апробация работы:
Основные положения работы докладывались и получили одобрение на следующих конференциях:
• Межвузовские научно-практические конференции студентов, аспирантов и молодых исследователей» (г. Омск 2007 - 2010 гг. РосЗИТЛП);
• «ВТТВ 2007 IV Международный технологический конгресс» (г. Омск 2007 г. СибАДИ); • «Машины, технологии и процессы в строительстве» Международный конгресс» (г. Омск 2007 г. СибАДИ);
• «III Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования», посвященной 100-летию со дня рождения К.Х. Толмачева» (г. Омск 2008 г. СибАДИ);
• «62-я научно-практическая конференция СибАДИ» (г. Омск 2008 г. СибАДИ);
• «IV Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск 2009 г. СибАДИ);
• «63-я научно-практическая конференция СибАДИ» (г. Омск 2009 г. СибАДИ).
Публикации:
По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и содержание работы:
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет в целом 148 страниц основного текста, в том числе 7 таблиц, 86 рисунков, список литературы из 116 наименований и приложение на 1 странице.
Схемы разработки и теории копания грунта бульдозерным агрегатом
Земляные работы — один из самых массовых процессов в строительстве. Стоимость земляных работ составляет 10...15% полной стоимости строительных работ. В процессе строительства приходится выполнять различные земляные работы: разработку выемок — котлованов, траншей; возведение насы-пей-подсыпок территории, дорожного полотна и т. д.; планировку поверхности, обратную засыпку траншей и котлованов; уплотнение грунта.
Довольно значительную долю механической разработки грунта выполняют БА. Различают три основные схемы разработки и перемещения грунта БА — прямую, боковую и ступенчатую схемы (рисунок 1.8) [7, 54, 81, 88,116].
Прямую схему применяют при рытье траншей и выемок, ширина которых незначительно превышает ширину отвала, работая по этой схеме, БА при разработке и перемещении грунта передвигается по прямой линии, совершая возвратно-поступательное движение без поворотов. При движении вперед БА срезает грунт на определенном участке пути, а затем транспортирует его к месту отвала (рабочий ход). Потом он возвращается к месту начала резания грунта, перемещаясь задним ходом (холостой ход). Число рабочих и холостых ходов БА зависит от проектной глубины выемки и толщины срезаемой при одном проходе стружки грунта [7, 54, 81, 88, 116].
Боковую схему работы БА применяют при перемещении ранее разработанного грунта из отвалов или сыпучих материалов (песка, гравия и др.) из бункеров, при разработке легких грунтов, срезаемых толстыми слоями, а также при работе на косогорах. При этом разрабатываемый грунт располагается сбоку от пути, по которому он транспортирует его к месту отсыпки. БА захватывает отвалом грунт, делает поворотное движение, перемещая грунт на транспортный путь, а затем транспортирует его к месту отсыпки [7, 54, 81, 88,116].
Ступенчатую схему разработки и перемещения грунта применяют преимущественно при устройстве насыпей, выполнении вскрышных работ и вертикальной планировке площадей, когда допускается отсыпать разрабатываемый грунт по всей ширине выемки. Работая по этой схеме, БА разрабатывает грунт параллельными проходками. Переместив грунт из одной проходки, машина совершает холостой ход под углом к оси рабочего хода и начинает разработку и перемещение грунта на расположенной рядом проходке [7, 54,81,88,116].
При возведении насыпей грунт от каждой проходки в резерве укладывают в тело насыпи, размещая его по ширине насыпи, после чего БА начинает разработку грунта по следующей проходке валиками. После отсыпки первого слоя насыпи на всей длине захватки бульдозер поднимается на насыпь и, перемещаясь вдоль сооружения, разрабатывает уложенный валиками грунт, одновременно уплотняя его гусеницами. Отсыпку последующих слоев насыпи БА производит в такой же последовательности. Закончив отсыпку насыпи до заданной высоты, он разравнивает верхний слой грунта, планирует бермы и дно резерва, доводя продольные и поперечные уклоны до проектных отметок [7, 54, 81, 88, 116].
При современном развитии техники, вместе с использованием БА для подготовительных работ, всё чаще его применяют при высокоточных работах, таких как планировка земляного полотна.
При выполнении земляных работ возникающие колебания РО БА обусловлены неровностями микрорельефа обрабатываемой и обработанной поверхностей и реакцией грунта. Известно, что этап финишной планировки отличается от этапа копания грунта толщиной стружки и диапазоном реакций грунта на РО [7, 54, 81,88, 116].
В настоящее время существует ряд работ, описывающих различные методы теоретического определения усилий, возникающих при копании грунта землеройно-транспортными машинами, включающих резание грунта и перемещение грунта по отвалу и впереди его. Огромный вклад в создание основ теории резания грунтов принадлежит В.П. Горячкину, Домбровскому Н.Г., Зеленину А.Н., Ветрову Ю.А., Артемьеву К.А., Баловневу В.И. и др [15, 20, 32].
Существующие теории копания грунта можно условно разделить на две группы, которые отличаются подходами к построению теории [15,20, 32]: теории, основанные преимущественно на обобщении результатов экспериментальных исследований (Горячкин В.П., Зеленин А.Н., Ветров Ю.А.); теории, базирующиеся на основных положениях механики сплошной среды и теории прочности (Н. Г. Домбровский, 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.
Однако в реальных условиях большинство этих параметров носят случайный характер. Поэтому для создания математических моделей рабочих процессов (РП) ЗТМ, при проведении планировочных работ, силовое воздействие со стороны грунта при копании должно оцениваться как случайная функция [23, 35, 50, 55, 96, 103].
Методика экспериментальных исследований
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 [74]. В настоящее время представленные в данной работе механические подсистемы, такие как: гидропривод, микрорельеф и сила реакции грунта; достаточно хорошо изучены и математически описаны. Предшествующими исследователями проведено множество экспериментальных исследований, в результате которых накоплена огромная масса эмпирических данных, что позволяет принять имеющийся математический аппарат. Предлагаемая математическая модель бульдозерного агрегата имеет новизну и требует подтверждения своей адекватности. Процесс подтверждения адекватности можно представить следующей последовательностью действий: 1. Проведение натурного эксперимента с целью получения массива экспериментальных данных; 2. Проведение машинного эксперимента при необходимых параметрах и условиях с целью получения теоретических данных; 3. Оценка адекватности математической модели путем сравнения экспериментальных и теоретических данных. При проведении экспериментальных исследований возможно использование двух методов: активного и пассивного [74]. Пассивный эксперимент предусматривает наблюдение за выходными координатами без вмешательства в процесс функционирования системы. Результаты пассивного эксперимента используются для подтверждения адекватности математических моделей, проверки работоспособности конструкторских разработок, определения эффективности предложенных инженерных решений [74]. Активный эксперимент предусматривает формирование детерминированных воздействий на подсистемы и сложную динамическую систему в целом. Выходные координаты и переходные процессы дает информацию о свойствах объекта [74]. В данной работе целесообразно использовать методологию активного эксперимента, в силу того, что внешние возмущающие воздействия имеют стохастическую природу, а при подтверждении адекватности моделей целесообразно формировать детерминированные воздействия.
Таким образом, проведенный натурный эксперимент будет служить доказательством представленной математической модели базовой машины. В соответствии с поставленной в 1-й Главе работы целью и задачами и с учетом результатов анализа предшествующих исследований были определены основные этапы и структура работы, которые представленные блок-схемой на рисунке 2.1: 1.1. Анализ технологических операций, выполняемых БА; 1.2. Анализ существующих конструкций БА; 1.3. Анализ и обоснование технических средств автоматизации РП БА; 1.4. Анализ существующих математических моделей отдельных подсистем РП БА. 2.1. Обоснование и выбор критерия эффективности УУ РО; 2.2. Анализ и обоснование алгоритмов управления РО БА; 2.3. Анализ внутренних связей сложной динамической системы РП Б А и составление его блок-схемы; 2.4. Разработка математических моделей отдельных подсистем РП БА; 2.5. Составление общей математической модели РП БА. 3.1. Проведение экспериментальных исследований БА; 3.2. Проведение теоретических исследований модели Б А; 3.3. Сравнение экспериментальных и теоретических данных, вывод об адекватности математической модели. 4.1. Разработка методики теоретических исследований РП Б А; 4.2. Проведение анализа основных параметров УУ РО БА; 4.3. Проведение оптимизационного синтеза основных параметров УУ РОБА. 5.1. Разработка инженерной методики оптимизации основных параметров УУ РО БА; 5.2. Разработка алгоритмов автоматизации проектирования и САПР основных параметров УУ РО БА.
Структура схема рабочего процесса бульдозерного агрегата
В данной работе РП БА является сложной динамической системой, состоящей из взаимодействующих между собой подсистем: базовой машины - «БА», «Грунта» и «УУ РО». На рисунке 3.1 представлена блок-схема, отражающая особенности РП БА. На блок-схеме базовая машина представлена блоками: ходовое оборудование, рама, навесное оборудование и РО. Грунт представлен блоками: сила реакции грунта и микрорельеф. УУ РО включают в себя блоки: блок управления (БУ) и гидропривод РО.
Подсистемы соединяются между собой связями, отражающими влияние одних элементов блок-схемы на другие. Объемные стрелки обозначают многопараметрические связи. Утолщенными линиями представлены неуправляемые перемещения РО и базовой машины, тонкими линиями — управляющие связи, пунктирными — информационные сигналы (визуальный, осязательный, звуковой и т.п.).
Подсистема «Ходовое оборудование» является гусеничным движителем машины, «Навесное оборудование» - толкающими брусьями, механизмом перекоса отвала и универсальными шарнирами, «Гидропривод РО» — исполнительной частью гидросистемы БА, «БУ» - задатчиком проектных параметров земляного полотна, средствами контроля и измерения положения РО, блоком выдачи управляющих воздействий.
Изменения высотной координаты микрорельефа обрабатываемой поверхности (Сі) влияет на толщину срезаемой стружки грунта и следовательно на силу сопротивления копанию (С2). Подсистема ходового оборудования воспринимает возмущающие воздействия от обрабатываемой поверхности, измененной РО, — (Сз), которые затем передаются на раму базовой машины, изменяя ее положение - (СД Следует отметить сглаживающую способность ходового оборудования, которое уменьшает возмущения от неровностей грунта. Затем воздействия от рамы (С5) передаются через навесное оборудование на РО (Сб), который в свою очередь, изменяет положение в пространстве (С7) — заглубляется или выглубляется, тем самым изменяя силу сопротивления копанию (С2) и профиль обрабатываемой поверхности (Сз). Таким образом, грунт взаимодействует с БА по следующей замкнутой цепи: Сі+С2, Сз, С4, С5, Сб, С-] - неуправляемые перемещения базовой машины и РО.
Человек-оператор в динамической системе РП БА воспринимает информацию о положении РО: визуальный контакт (Сю) и через устройства индикации и сигнализации от БУ (Си). На основании информации он формирует управляющие воздействия на гидропривод РО (Сі2), а так же имеет возможность при необходимости отключить БУ (Си) Проведенный в первой главе анализ требований к точности обработки земляного полотна показал, что человек-оператор, вследствие своей инерционности и ограниченной точности воспринимаемой информации о состоянии процесса, не в состоянии постоянно поддерживать высокоточное положение РО в пространстве. В процессе планирования земляного полотна БУ на основании сигналов от датчиков (Со), выдает управляющие воздействия на гидропривод РО (Cg) и далее управляющий сигнал (С9) на навесное оборудование, изменяя положение РО. Таким образом, отпадает необходимость в математическом описании человека-оператора, как части РПБА.
Определение условий проведения теоретических исследований и обоснование границ варьируемых параметров
При проведении теоретических исследований в качестве примера был принят БА Б-ЮМ производства ООО «ЧТЗ-Уралтрак». При исследовании скорость БА принята постоянной, равной 1 м/с, что приближенно равно максимальной скорости движения трактора на первой передачи [109, 114]. Исследования РП, представленные в качестве примера, проводились на модели грунта II категории с пределом прочности к = 0,1 МПа, параметрами микрорельефа: az = 0,05 м; az = 0,2 с"1; /?z = 0,15 с"1. Время моделирования было взято равным 60 секунд. Глубина резания равнялась 0,02 м с поперечным уклоном 0,1 рад. Для варьирования исследуемых параметров в процессе исследования необходимо установить диапазоны их изменения, основываясь на реальных технических свойствах оборудования. Время запаздывания современной гидроаппаратуры хгп складывается из времени запаздывания разгрузочного клапана, динамических запаздываний золотника гидрораспределителя, трубопроводов и гидроцилиндра. Общее время запаздывания гидропривода тгп для современной аппаратуры находится в пределах 0,1 - 0,3 с [73, 103]. На рисунке 4.1 изображены графики перемещения средней точки режущей кромки РО Zpo в зависимости от времени запаздывания гидропривода тгп. Из графиков видно, что скорость штока устанавливается еще некоторое время после срабатывания гирораспределителя что объясняется инерционностью гидроаппаратуры и динамическими процессами в гидросистеме, данный процесс присутствует во всех гидросистемах и называется динамическим запаздыванием гидропривода. Время разгона штока при включении гидропривода определяется постоянной времени гидроцилиндра [73]. В общем случае скорость РО будет пропорциональна скорости перемещения штока исполнительного гидроцилиндра [73]: Так как площади поршневой и штоковой полости отличаются, то и скорости перемещения гидроцилиндра на подъем (штоковая полость) и опускание (поршневая полость) РО будут разными. В связи с различием скоростей движения обозначим Упод — скорость подъема РО, Von скорость опускания РО. На рисунке 4.2 и 4.3 изображены графики перемещения средней точки режущей кромки РО ZPO в зависимости от его скорости при постоянном запаздывании гидропривода тгп= 0,1 с. В качестве исследуемой скорости примем скорость подъема РО УПОд, так как она больше чем скорость опускания Von, данное решение обосновывается в дальнейших исследованиях. В качестве примера, для данных исследований примем диапазон изменения скорости подъема РО (0,05 — 0,25) м/с. Известно, что на возникновение автоколебаний в нелинейных системах управления влияет величина зоны нечувствительности порогового элемента, так называемая «мертвая зона», и чем она меньше, тем более система склонна к возникновению автоколебаний [5, 10, 17, 103]. Согласно статической характеристике порогового элемента величину зоны нечувствительности задает сумма порогов срабатывания на включение и отключение порогового элемента — Аь, необходимо провести теоретические исследования устойчивости УУ, чтобы выявить значения зоны нечувствительности порогового элемента Аь, обеспечивающие отсутствие колебательности в УУ. На рисунке 4.4 представлены переходные процессы перемещения средней точки режущей кромки РО Zp0 (заданное значение ZPo = 0,1 м) для трех различных значений зоны нечувствительности порогового элемента Д при запаздывании гидропривода тгп = 0,1 с, УПод 0,25 м/с. Представленный график наглядно демонстрирует влияние величины зоны нечувствительности порогового элемента Аь на колебательность УУ РО. При достижении сигналом рассогласования границ зоны нечувствительности порогового элемента управляющий сигнал прекращается, но РО перемещается еще некоторое время из-за запаздывания гидропривода. В первом случае {а) если остаточное перемещение РО не превышает ширины данной зоны, то его движение прекращается, и он остается внутри зоны, если же ширина зоны Аь будет мала то РО «проскакивает» зону нечувствительности, что приводит к необходимости движения РО в обратном направлении (б). Данный факт приводит к появлению погрешности перемещения РО, а при малых значениях Аь — к автоколебаниям УУ РО (в) и её неустойчивости.
