Введение к работе
Актуальность работы. Повышение конкурентоспособности создаваемых одноковшовых экскаваторов (ЭО) обеспечивают не только снижением себестоимости, а в большей степени повышением качества машин и максимального соответствия конкретным требованиям потребителя за счет разнообразия сменного рабочего оборудования и рабочих органов. Последнее обусловливает жесткие требования к этапу проектирования, на котором определяются основные технические, технологические и экономические параметры ЭО. Практическая исчерпанность ресурса традиционной технологии теоретического исследования и проектирования ЭО затрудняет адаптацию разработчиков к быстро изменяющимся требованиям рынка, перестройке производственных процессов и тотального управления качеством. Существующие методологические подходы и программные средства проектирования ЭО дают лишь частичное решение проблемы целостности, не учитывают необходимость информационного обмена по этапам жизненного цикла (ЖЦ) машины, не обеспечивают процессов накопления информации, а деятельность разработчиков ЭО должна быть подкреплена усилиями программистов. Используемые в проектировании ЭО пакеты проектирования и методики не интегрируются между собой при организации полноценных проектов в рамках информационного взаимодействия различных разрабатывающих ЭО предприятий. На отечественных предприятиях до сих пор существует ярко выраженная дифференциация проектных работ, которая не позволяет на организационном уровне обеспечить необходимый уровень информационного обмена между расчетными подразделениями и группами.
Анализ информационных материалов свидетельствует, что прогресс в области разработок ЭО развивается в направлении усложнения их конструкций. Примером могут служить рабочие органы интенсифицирующего действия, манипуляционное рабочее оборудование и др. Очевидно, следует ожидать дальнейший рост сложности проектных задач, что в перспективе сделает малопригодной традиционную «ручную» технологию моделирования и расчета ЭО. Важна согласованность математических моделей физических процессов и процедур структурно-компоновочного проектирования ЭО и интеграция связывающих их информационных потоков на базе технологии информационной поддержки ЖЦ изделия (ИПИ-технологии).
Научная проблема состоит в создании методологии системного проектирования ЭО, включающей концепции автоматизированной технологии и компьютерной среды проектирования, в основе которых согласованные процедуры структурно-компоновочного проектирования машины и модели приводных систем и рабочих процессов ориентированы на непрерывную информационную поддержку ЖЦ ЭО.
Идея работы заключается в реализации подходов к проектированию приводов, конструкций и рабочих процессов ЭО на основе синтеза математических моделей физически неоднородных подсистем, структурно-компоновочных моделей машины и моделей эффективности в единой компьютерной среде.
Объект исследования – материальная система «одноковшовый экскаватор – обрабатываемая среда», модели рабочих процессов и конструктивных блоков сменного рабочего оборудования ЭО.
Предмет исследования – характеристики внутренней структуры и параметры ЭО, концепция и эффективность автоматизированной технологии и среды проектирования ЭО.
Цель работы. Повышение эффективности системного проектирования ЭО в компьютерной среде.
Задачи исследования:
-
разработать методику оценки эффективности ЭО с учетом вероятностных факторов условий эксплуатации;
-
разработать метод математического моделирования для комплексного исследования характеристик ЭО в компьютерной среде;
-
выполнить сравнительный анализ параметров и критериев эффективности ЭО в компьютерной среде;
-
разработать информационно-логическую модель процесса проектирования ЭО в компьютерной среде;
-
обосновать концепцию автоматизированной технологии и среды проектирования ЭО, включающей численные методы, методики и алгоритмы, требования к комплексированию этих компонент, организационную структуру и методическое обеспечение;
-
установить эффективность автоматизированной технологии и среды проектирования ЭО.
Решение поставленных задач должно быть ориентировано на использование инфраструктуры ИПИ.
Методологической основой работы являются: системный подход; математическое моделирование; механика сплошной среды; методы принятия решений; теория графов; информационные технологии; теоретические положения систем автоматизированного проектирования.
Научная новизна работы состоит в создании методологии, включающей в себя модели, алгоритмы, методы и методики, составляющие в целом научную основу системного проектирования ЭО в компьютерной среде. При этом:
1) разработана методика расчета параметров эффективности одноковшовых экскаваторов с учетом взаимосвязи конструктивных характеристик рабочего оборудования и вероятностных условий эксплуатации машины;
2) обоснована концепция автоматизированной технологии и среды проектирования одноковшовых экскаваторов, включающей требования к комплексированию компонент, организационную структуру и методическое обеспечение и выполняющей полный цикл проектных исследований в соответствии с основными методологическими принципами ИПИ-технологии;
3) разработан набор математических моделей приводных систем и рабочих процессов сменного рабочего оборудования ЭО (обратная лопата, бурильное оборудование, гидропневматический молот);
4) предложен метод математического моделирования для комплексного исследования характеристик одноковшовых экскаваторов в компьютерной среде с использованием экспертной системы, использующей базу данных и базу знаний;
5) обоснована информационно-логическая модель процесса проектирования ЭО, являющаяся базисом для сочетания автоматизированных и неавтоматизированных процедур поискового проектирования;
6) на примере одноковшовых экскаваторов с оборудованием обратная лопата в компьютерной среде проектирования получены расчетные данные о закономерностях развития основных параметров одноковшовых экскаваторов и эффективности их применения, поставлены и решены ряд задач оптимального проектирования различного системного уровня.
Значение для теории имеют: численный метод расчета структурно-компоновочных характеристик ЭО, основанный на учете причинно-следствен-ных связей и позволяющий получить на первых стадиях проектирования основные параметры машины; доказанная применимость информационно-логической модели проектирования ЭО на различных стадиях проектирования и уровнях конструктивной иерархии; метод комплексного моделирования характеристик ЭО в компьютерной среде; расчетная схема и методика расчета силовых и энергетических показателей процесса копания грунта по траектории большой кривизны.
Значение для практики состоит в том, что значительное ускорение процессов моделирования, расчета и всестороннего исследования ЭО, обеспечиваемое использованием разработанных и примененных методов и алгоритмов, автоматизированной технологией и компьютерной средой, позволяют существенно сократить сроки проведения проектно-конструкторских работ по созданию ЭО (и его конструктивных блоков), повысить качество и снизить трудоемкость проектных операций, получить более точные данные о развитии параметров и эффективности ЭО, изучать физически неоднородные подсистемы ЭО, исследование которых по традиционной технологии неэффективно или затруднительно. В моделях и программном обеспечении реализованы: наглядность представления объекта проектирования, изменение уровня детализации, иерархичность представления, гибкость модификации, соответствие действующим стандартам в области информационных технологий (CALS-стандартам).
Личный вклад автора в решение проблемы заключается в создании: методологии проектирования ЭО, включающей в себя информационно-логическую модель процесса проектирования ЭО, структуру электронного макета ЭО, метод комплексного исследования характеристик ЭО на базе электронного макета и экспертной системы с использованием базы знаний, метод синтеза моделей механических, гидравлических и др. процессов в ЭО под управлением экспертной системы, концепцию автоматизированной технологии проектирования ЭО и компьютерную среду, согласованную с методическими основами ИПИ-технологии; набора моделей механических, гидравлических и др. процессов в элементах и ЭО в целом, а также результаты их исследования; расчетной схемы и методики определения силы и работы копания грунта поворотным движением ковша (по траектории большой кривизны), а также обоснования рациональных технологических схем разработки грунта оборудованием обратная лопата; алгоритмов, программного и методического обеспечения проектирования ЭО в компьютерной среде.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теоретических положениях, с соблюдением основных принципов математического моделирования, проверкой адекватности построенных моделей, совпадением расчетных данных, полученных предложенными методами, с экспериментальными данными собственными и данными других авторов, а также результатами практического использования предложенных в диссертации моделей, расчетных методов и алгоритмов, использованных в среде проектирования.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены в: ООО Объединённые машиностроительные заводы – Горное оборудование и технологии (Группа «Уралмаш-Ижора»); ООО «Сибироника» (г. Красноярск); учебном процессе ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» при подготовке инженеров по специальностям «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», «Автомобиле- и тракторостроение» и бакалавров по направлению «Наземные транспортные системы».
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на: республ. НТК «Строительные и дорожные машины и их использование в современных условиях» (СПбГТУ, 1995 г.); международной НТК «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (СПбГТУ, 1996 г.); международной НТК «Механизация и автоматизация строительства и открытых горных работ» (МГСУ, 1996 г.); всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: Экспертные системы и принятие решений» (г. Н. Новгород, НГТУ, 1999, 2000 г.); международной НТК «Проблемы адаптации техники к суровым условиям» (г. Тюмень, ТГНГУ, 1999 г.); всероссийской НТК «Политранспортные системы» (г. Красноярск, КГТУ, 2003, 2004, 2006, 2007 г.г.); VIII Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (г. Красноярск, ИВМ СО РАН, 2005 г.); НТК «Современные технологии в машиностроении и автомобилестроении» (г. Ижевск, ИжГТУ, 2005 г.), международной НТК «ИНТЕРСТРОЙМЕХ» (г. Харьков, ХГАДТУ, 2000 г.; г. Воронеж, ВГАСУ, 2004 г.; г. Москва, МГСУ, 2006 г.; г. Самара, СГАСУ, 2007 г.; г. Владимир, ВГУ, 2008 г.); научном семинаре кафедры «Строительные и подъёмно-транспортные машины» МГСУ в 2007 г.
Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 62 работы (том числе одна монография, семь учебных пособий, 29 статей, два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, 14 авторских свидетельств на изобретения). В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, опубликовано 10 статей.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников (193 наименования) и 13 приложений. Общий объем диссертации составляет 349 страниц, включая 113 рисунков и 28 таблиц.
