Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроси. Цель и тдачи исследования 8
1.1. Навесные системы тракторов. Общая характеристика 8
1.2. Навесные системы с двойным силовым замыканием. Некоторые свойства 10
1.2.1 Схемы навесных систем ,, 11
1.2.2. Трехзвенные механизмы 15
1.2.3. Четырехзвенные механизмы.,,.,. ,. ,,...;,,, 16
1.2.4. Многозвенные механизмы ...,21
1.3. Силы сопротивления на рабочем органе 21
1 4, О заглубляемости рабочего орудия 24
1 5. Цель и задачи исследования 26
ГЛАВА 2. Управляемость рыхлителя. Некоторые ограничения 28
2.1. Ограничения по агрегату 30
2.2. Ограничения по системе управления 34
2.3. Общие условия управляемости. Диаграмма управляемости 39
2.4. Выводы к главе 41
ГЛАВА 3. Заглубление орудия в грунт ... ,,,,., ,„*,;, ,, 42
3.1. Сипы, действующие на штамп 43
3.1.1. Вертикальное деформирование 43
3.1.2. Горизонтальное деформирование 45
3 2. Задача о движении прямого штампа 46
3.2.1. Движение прямого штампа при постоянном усилии .47
3.3. Задача о движении косого штампа 52
3.3.1. Движение косого штампа при полном начальном погружении 53
3.3.2. Движение косого штампа при неполном начальном погружении 55
3.4. Движение штампа при переменном усилии 56
3.5. Выводы к главе 58
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования. Методика и результаты 59
4.1. Цель задачи экспериментальных исследований 59
4.2. Объект исследования. Методика и средства измерения,,.59
4.2.1. Объект исследования 59
4.2.2. Методы и средства регистрации исследуемых параметров 61
4.3. Результаты экспериментальных исследований .66
4.3.1. Силы действующие на рабочий орган 66
4.3.2 На гружен ность агрегата 77
4.3.3. Оценка линейной гипотезы 83
4.ЗА Траектории заглубления... 86
4.4. О влиянии переменной силы на процесс заглубления 93
4.5 Выводы к главе 94
ГЛАВА 5. Оценка схем павесных систем с позиций реализуемости оптилныьпого управления и нагруженности 96
5.1. Оптимальное управление агрегатом ,,;,„..., 96
5.1.1. Общая задача оптимального управления агрегатом . 96
5.1.2, Об информационных параметрах при оптимальном управлении 100
5.1.3 Оценка схем навесных систем по реализуемости оптимального управления 104
5.2. Нагруженность системы управления 110
5.2.1, О подходе к оценке нагруженности системы управления 110
5.2.2. Оценка схем навесных систем выполненных конструкций по нагруженное системы управления.112
5.3. Выводы к главе 118
Основные выводы ...120
Слисок литературы 123
- Силы сопротивления на рабочем органе
- Движение прямого штампа при постоянном усилии
- Методы и средства регистрации исследуемых параметров
- Общая задача оптимального управления агрегатом
Введение к работе
Актуальность темы. Агрегаты на базе тракторов двойного назначения, применяемых в последние годы в агро - промышленном комплексе, помимо технологических операций - основного сельскохозяйственного производства: пахоты, боронования, посева и т.д., вне сезона полевых работ используются в сельском строительстве, на дорожных, мелиоративных и других работах. Это позволяет существенно повысить среднегодовую загрузку, получить значительный экономический эффект и достигается за счет расширения агрегатирования трактора другими типами орудий, предъявляющими к навесным системам новые дополнительные требования.
Навесная система, состоящая из механизма навески с исполнительными силовыми цилиндрами, вместе с гидравлической системой управления является неотъемлемой частью трактора, однако ее схема и параметры существенно определяются агрегатируемыми с трактором орудиями, свойствами и особенностями выполняемых технологических процессов.
Среди всего многообразия схем навесных систем можно выделить два их основных типа: с односторонним и двухсторонним силовым замыканием. Системы с односторонним замыканием не допускают принудительного заглубления орудия в грунт и при выполнении технологического процесса обеспечивают свободное перемещение орудия относительно трактора. Системы с двухсторонним замыканием осуществляют принудительное заглубление орудий в грунт и при выполнении технологического процесса допускают управляемое относительное перемещения трактора и орудия.
Теория навесных систем с односторонним замыканием, применяемых в основном с почвообрабатывающими машинами, и прежде всего плугами, хорошо разработана. В связи с появлением тракто-
ров двойного назначения, большая доля загрузки которых приходится на работы, связанные с сельским и дорожным строительством, повышается интерес к изучению систем второго типа, применяемых в основном, с орудиями предназначенными, в силу сезонности этих работ, для разрушения мерзлых, прочных скальных грунтов преимущественно рыхлителями по которым имеются немногочисленные работы, в основном описательного характера.
Существенным свойством технологического процесса разрушающих орудий является принудительное заглубление рабочего орудия в грунт с использованием нагрузки от силы тяжести. Схема навесных систем таких орудий и способ присоединения цилиндров управления принципиально изменяют функциональные свойства агрегата; способность дополнительно заглубляться или выглубляться при изменении угла рыхления, выполнять дополнительные операции, например, корчевание камней, пней и т.д. Способ присоединения цилиндров существенно определяет нагруженность системы улравлечия, уровень давления, возможность выполнения управляющих воздействий и т.д.
Таким образом схема и параметры навесной системы объединяющей трактор и орудие в агрегат самым существенным образом определяют его свойства и эффективность, изучение которых является актуальной научной задачей
Научная новизна:
- разработан метод поиска ограничений на параметры системы
управления, обеспечивающие функционирование агрегата в любых
условиях нагружения рабочего орудия. В основе метода лежат ма-
&
тематические модели в форме системы неравенств и диаграмм управляемости по массово-габаритным параметрам системы управления;
разработаны математические модели процессов заглубления рабочего органа в грунт на базе изучения движения штампа, в виде дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом;
разработан метод построения оптимальных траекторий движения главного машинного контура агрегата по критерию минимальной длины перемещения при заданной глубине погружения;
выполнен кинематический анализ приспособленности различных схем навесных систем к оптимальному управлению рабочим орудием.
Практическая полезность:
разработанные методы анализа, поиска ограничений на параметры и построение оптимальных траекторий рабочего орудия обеспечивают выбор схемы и параметров навесной системы и требования к системе автоматизированного управления на ранней стадии проектирования;
выработанные практические рекомендации реализованные в конструкции навесной системы агрегата на базе трактора кл.10 обеспечили 59-95% прироста производительности на операции рыхления;
результаты исследований положены в основу выбора схемы и параметров навесной системы перспективных моделей тракторов кл.10 и 15.
разработанные методы выбора схем и параметров навесных систем используются в практической работе ГСКБ ОАО ЧТЗ.
Силы сопротивления на рабочем органе
Многозвенные механизмы широкого распространения не получили из-за сложности конструкции, большого веса, значительных внутренних усилий и отсутствия существенных преимуществ по сравнению с изменяемыми четырехзвенными механизмами.
1.3. Силы сопротивления на рабочем органе
В одной из наиболее поздних работ: посвященных исследованию взаимодействия рабочего органа почвообрабатывающих машин с грунтом [33] Cft Капов высказал утверждение: «Сложность процесса взаимодействия рабочего органа с почвой не позволяет дать общий метод аналитического определения тягового сопротивления клипа, который бы полностью основывался на какой-либо теоретической модели прочности материалов.»
Это утверждение является результатом анализа многочисленных и многолетних исследований ученых, работающих в области почвообрабатывающих, землеройно-транспортных и других типов машин, дает возможность понять и правильно оценить подходы и результаты их исследований, когда во многих случаях, в том числе и у автора данного утверждения, аналитические модели строятся для разработки методов исследования и, в лучшем случае, дополняются эмпирическими коэффициентами.
Такая же ситуация наблюдается в исследованиях землеройно -транспорных машин, таких как бульдозер, где грунт взаимодействует с срудиим тш типу довании работы разрушающих машин, где теоретические модели практически отсутствуют. Приведем лишь высказывание в. В, Бледных; «...при наличии крупных глыб теряется смысл самого названия «пласт почвы» [10]. Поэтому, как правило, для практических расчетов орудий и тем более для нужд тягового расчета агрегата используются эмпирические зависимости в той или иной мере отвечающие аналитическим моделям [27,33].
И.З. Ьагирав, исследуя экспериментальный клин применительно к почвогрунтам [3], установил основные зависимости сопротивления от параметров самого клина и скорости его движения. Он нашеп зависимости сопротивления от ширины среза, глубины и угла резания, показав, что существуют оптимальные отношения ширины клина к глубине b/h, оптимальные значения угла резания при каждой скорости движения. Исследуя вертикальную составляющую Р Нагаров ИЗ. нашел ее зависимость от глубины (монотонное возрастание), угла резания (немонотонная кривая с min при 15( а 28 и max при 28" а 37if), а также установил, что Pv / Рх растет с ростом глубины резания. СИ. Кипой [33] для практических расчетов предлагает тяговое сопротивление клина определять по формулам: имеющим вид: Рк =М(М,а і М2а) (1.1) где. и - глубина обработки, м. Входящие в формулу коэффициенты M,MirM2 характеризуют параметры клина и свойства почвы. Зависимость тягового сопротивления от угла резания по Капову имеет минимум. Объясняется это сопротивлением подошвы рабо где: РдР rP LX - среднее, максимальное значение касательной составляющей рыхления, Я; й - глубина рыхления, м\ ар - временное сопротивление грунта растяжению, Н/м2\ у - угол наклона развала к горизонту, рад. В.Д. Телушкии и А.С. Селиванов [66], считая мерзлый суглинок наиболее трудно разрабатываемым {y = 32)t преобразуют (13) к виду: Р?=Ь] р (1.4) АЛ. Зелений [26] предлагает формулу (1.4) более общего вида: Рк =kh" (1.5) где: к и п - зависят от геометрии режущего органа. Для практических расчетов предлагает принимать п = 1,35 и показывает, что формула (1.5) с достаточной точностью заменяется формулой вида. khU5 =[АН2 +Вк\-к (1.6)
где: А и В - постоянные, соответствующие данному рабочему органу, т.е. фактически это частный случай формулы Ctf. Капот. Исследованиями [74] установлено, что п м изменении угла рыхления от 32" до 53,f энергозатраты на мерзлом грунте возрастают на 52%. В работах [25] установлено, что уменьшение угла рыхления также приводит к увеличению горизонтальной составляющей сопротивления рыхлению существенно больше, ч туї при больших углах, вследствие трения задней грани, взаимодействующей с дном борозды, что совпадает с результатами работы [33], т.е. фактически утверждается существование оптимального угла рыхления.
Движение прямого штампа при постоянном усилии
Почвообрабатывающие машины: плуги, Лущильники, рыхлители и др. заглубляются в грунт под действием с лы тяжести и сил действующих на переднюю грань лемеха, клина и др Принудительное заглубление таких машин в силу ряда причи нежелательно а прИ_ том и невозможно.
В отличие от почвообрабатывающих машмн рыхлители, предназначенные для разработки прочных, ве номерзЛых, скальных грунтов, заглубляются всегда принудительноч процесс заглубления рабочего органа рыхлителя в этом смысле в значительной степени определяет эффективность агрегата. Он, в свою очередь, самым существенным образом зависит от структуру схемы и параметров механизма навески. На самом деле, движение рабочего орудия в грунте определяется кинематическими и сил0Выми возможностями механизма и системы управления.
Рассмотрим некоторые особенности процесса принудительного заглубления рыхлителя в грунт, опираясь при этом на задачу о движении штампа в грунте, по которой накоплен большой экспериментальный материал, получены разного рода эМПИрИческие и теоретические формулы, описывающие закономерности изменения усилий при внедрении штампа в грунт. В этих исслецоваНиях изучались закономерности изменения усилий при заданных движениях штампа в вертикальном или горизонтальном направлениях с целью определения тяговых сопротивлений орудий, тяговь,,х усилий тракторов и т.д. Вертикальное и горизонтальное движение штампа в грунте рассматривается, как правило, раздельно.
Мы будем решать обратную задачу: по известным усилиям и дополнительным движениям находить траек"ГОрИи движения рабо чего орудия. Применительно к рыхлителю задачу можно сформулировать следующим образом: по заданному йертикальному усилию на рабочем орудии и горизонтальному перемещению трактора найти траекторию движения орудия в грунте,
Рассмотрим вначале известные закономерности изменения усилий в зависимости от перемещения штампа
3.1, Силы, действующие на штамп 3.1.1. Вертикальное деформирование
Вертикальное деформирование грунта штампами наиболее подробно изучено в теории сельскохозяйственных, дорожностроительных и тягово-транспортных машин [7 19,33,59,70].
Рассмотрим наиболее распространенные эмпирические зависимости:
Линейная гинотеш: Зависимость между осадкой штампа Л и действующим на него вертикальным усилием {напряжением - а ) описывается зависимостью: т = АА (3.1) к - коэффициент объемного смятия, Н/м5. В зависимости (3.1) присутствует один эмпирический коэффициент. Эта гипотеза справедлива при малых деформациях не только для прямых штампов, но и для ояампов, имеющих криволинейную, например, цилиндрическую опорную поверхность [70]. Показательная зависимость М.Г. Беккера. В зависимости Бекке-ра используются три эмпирических коэффициента. Гиперболическая функция В.В. Каиьшта. формула Кацыгина как и его же зависимость горизонтального дефоьмирования грунта получила широкое распространение в отечествьННОй литературе в силу удобства: малого количества эмпирически коэффициентов (два) и не только численной, но и физической ад кватност происходящим процессам, т.к. имеет под собой не только эмпирическую, но и теоретическую базу [34].
Методы и средства регистрации исследуемых параметров
Эксперименты проведены при трех положениях стойки рыхлителя, определяющих глубину рыхления (А 70смш -минимальный вылет; h & 90см. - средний вылет; h 110см. -максимальный вылет), и различных углах рыхления. 38, 43, 450i4fr50"7 53", 55", 60", 65 на среднем суглинке плотностью по ударнику ДорНИИ с=6-9 и мерзлом суглинке с=23-30 и с =95-100.
Измеренные в результате экспериментов составляющие силы рыхления, действующие со стороны грунта на рабочий орган Рк и 7\ позволяют вычислить горизонтальную (Рх) и вертикальную (Р ) ее состав Ну ляющие, характеризующие тяговое сопротивление и сопротивление внедрению. Впредь силу Ру направленную вниз
Рас. 4.5. К опреде- іенм/о состшляіоіщс силы рыхления
(заглубляющую) будем считать положительной. Расчет составляющих Рх и Рр производился по формулам:
Значения измеренных составляющих силы рыхления PL,PX и PX,PV рассчитанных по (4.1) для летних грунтов (с=6-9) представлены в таблицах 4.2-4.4. Из представленных данных следует, что и горизонтальная и вертикальная составляющие силы рыхления при малых углах {а = 38 -43) определяются не только сопротивлением на лобовом участке наконечника: но и силами отпора действующими на подошву. Общий характер сил сопротивления совпадает с полученными закономерностями Р.С. Рахимова [52], СН. Капова [33].
Для изучения процесса рыхления и организации оптимального процесса заглубления необходимо отделить силы, действующие на лобовую часть и подошву. Дл?і этого исключим из
рассмотрения эксперименты при малых углах {а - 38 -43), а также те опыты, где вертикальные усилия отрицательны. Результаты представлены на Рис.4.6, 4 7, 4.8, 4.9. Экспериментальные зависимости аппроксимировались полиномами второй степени методом наименьших квадратов. Степень приближения оценивалась корреляционным отношением R2 Пирсона [64].
Из этих результатов следует, что зависимости Р и Pt. нелинейны относительно параметров рыхления а м It. Поскольку при одном фиксированном параметре зависимость от другого аппроксимируется полиномом второй степени, естественно, что и общая зависимость должна быть не ниже полинома второй степени.
Применение квадратичной формы общего вида;
Р = ага2 -ья?й2 + ajoh + а4а-\ a5h -і-а6 (4,2) не приводит к результату поскольку, фиксируя один из параметров. например h и получая хорошие приближения в области больших значений а и А, при малых значениях получаем величины существенно искажающие физическую картину.
Функция, обеспечивающая достаточное приближение должна обладать некоторыми, заранее оговариваемыми свойствами. Она должна давать достаточно близкое приближение в области значений фактически выполненного эксперимента и отвечать физическому смыслу в области экстраполяции. Областью экстраполяции является область малых значений а и h. Прежде всего это условие P(Ofi) = 0. Этим требованиям отвечает полином четвертой степени вида:
Общая задача оптимального управления агрегатом
Первой задачей оптимального управления является задача определения оптимального движения главного машинного контура, решение которой и будем искать.
Пусть состояние какого-либо объекта (системы) определяется координатами у и управлением 1)\ Пусть качество движения объекта оценивается функционалом
Общая задача оптимального управления в этом случае может быть сформулирована следующим образом: из множества допустимых управлений выбрать такое, которое переводит управляемый объект из начального положения y(t&) в конечное y(tj) и минимизирует /. Это управление и соответствующую ему траекторию называют оптимальными.
Наиболее общим критерием оптимальности тракторного агрегата при выборе параметров является его техническая производительность [50].
Рабочий процесс рыхлительного агрегата состоит из трех основных этапов: заглубления, собственно рыхления и холостого хода. Процессы рыхления и холостого хода для обеспечения максимальной производительности должны выполняться с максимальной скоростью, допускаемой тяговой характеристикой или условиями передвижения. Таким образом, следует оптимизировать процесс заглубления, при котором достигается оптимальный процесс в целом.
Наиболее естественным функционалом качества в этом случае является длина пути заглубления рабочего органа на заданную величину.
Принимая в качестве переменной глубину погружения у, и управляющего параметра угол рыхления а, можно сформулировать задачу управления следующим образом: найти управление (закон изменения а) при котором орудие переходит из положения (у0,ап) в положение (ystai) на минимальной длине пути агрегата.
Такая постановка задачи позволяет, опираясь на свойства движения и закономерности изменения: действующих на рабочий орган сил (п.4.3.1) построить оптимальное решение, не прибегая к специальным методам [79], даже при наличии ограничений.
На самом деле скорость заглубления: определяемая величиной dy/iix тем выше, чем больше угол а (п.4.3.4).
В связи с этим, при отсутствии ограничений оптимальным является движение при а() = xlltiix и переключением с аи на а} при достижении заданной глубины у = у} (Рис.5.1.1
Таким образом, имеем одно переключение скачком (разрывное управление) в точке уг Величина, у очевидно, достигает мини у Рис.5.3. Непрерывное управление при наличии ограничений мального значения. При наличии ограничений управление следует со- а ответствующим образом скорректировать. Обычно при рыхлении наступают ограничения по тяговому усилию: по сцеплению, либо кинема- тические. Аналитически эти ограничения записываются как линии уровня функции Рх = PJy a) = const. Управление в этом случае должно быть такое, чтобы Px(yfa) PxlttaJyta) (5.2) Общий вид функции PxmllJyfa) = const представлен Рис.5.2. При наличии ограничений типа (5.2) возможны несколько случаев управления: 1. Кривая Рх( у,а) включает точку ( у а/) (Рис 5.3). В этом случае управление аи - const выполняется до состояния Px(yfa0) РХ1Ш1Х и затем а непрерывно меняется по закону Рх(у,а) = Рхтях до точки (у1Ча/). 2. Кривая Рхтах(у,а) не содержит точку (у а . Здесь возможны два варианта: $ хт&х(Упа) Р\(Уі аі) (Рис.5.4) В этом случае имеют место два участка непрерывного управления: а = ав\ Р(у,а) = PmiJX(y\a) и переключение скачком при j;,;
