Введение к работе
Актуальность работы. Технические возможности землеройно-транспортных машин (ЗТМ) должны соответствовать высоким требованиям строительных норм и правил (СНиП), предъявляемых к геометрическим параметрам земляных сооружений. Но до настоящего времени при создании ЗТМ не уделяется должного внимания их точностным характеристикам. В нормативной документации отсутствуют показатели, характеризующие точностные свойства ЗТМ.
Физиологические возможности человека-оператора (40), управляющего ЗТМ позволяют лишь визуально оценить геометрические параметры (вертикальную координату, продольный и поперечный уклоны и др.) формируемого земляного сооружения и с соответствующей точностью сформировать необходимые управляющие воздействия на рабочий орган (РО). В результате требуемая точность земляного сооружения достигается путем последовательных проходов машины по обрабатываемому участку с периодическим контролем геометрических параметров отдельной нивелировочной бригадой.
Высокие требования СНиП к точности геометрических параметров земляных сооружений, возводимых ЗТМ, вступают в противоречие с техническими возможностями ЗТМ и их систем управления (СУ).
Разрешить назревшее противоречие позволяет оснащение ЗТМ системами автоматизированного управления положением рабочего органа (САУРО) и тем самым полностью или частично исключить 40 из контура управления РО.
Отдельные инженерные разработки САУРО в большинстве случаев выполнялись для существующих ЗТМ, которые в свое время создавались без учета перспективы дальнейшей автоматизации, и в результате не обеспечивали ожидаемого эффекта от автоматизации управления РО.
Наряду с дальнейшим совершенствованием традиционных конструкций необходим поиск таких конструктивных схем ЗТМ, которые позволяют исключить или ослабить влияние возмущающих воздействий со стороны неровностей микрорельефа на неуправляемые перемещения РО.
Решение такой проблемы в рамках существующих теорий ЗТМ невозможно. Недостаточность теоретической и экспериментальной проработки обусловили необходимость научного исследования, рассматривающего технологический процесс землеройно-транспортной машины формирующей грунтовую поверхность с требуемыми геометрическими параметрами как сложную динамическую систему.
Актуальность диссертационной работы состоит в научном обобщении и дальнейшем развитии теоретических положений и инженерных решений в области землеройно-транспортных машин и их систем управления.
Исследования выполнены в соответствии с научным направлением Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии «Теория управления и конструирования землеройных, дорожных и строительных машин с целью повышения их эффективности», договорами с заводами дорожных машин и производственными предприятиями, по единому заказу-наряду по приоритетным направлениям науки и техники «Разработка основ теории точности систем управления землеройно-транспортных машин», № гос. регистрации 01950006414.
Основная идея работы заключается в том, что требуемые геометрические параметры земляного сооружения, возводимого ЗТМ, можно обеспечить, исключив или снизив влияние возмущающих воздействий на ЗТМ, приводящих к появлению погрешностей, а также за счет формирования управляющих воздействий на РО, компенсирующих неуправляемые перемещения РО.
Объектом исследования настоящей работы является процесс формирования землеройно-транспортной машиной земляного сооружения с требуемыми геометрическими параметрами.
Предметом исследования являются закономерности, связывающие основные факторы, определяющие эффективность процесса, и показатели эффективности.
Целью исследования является разработка научных и практических рекомендаций повышения точностньгх параметров ЗТМ, выполняющих планировочные и профилировочные работы.
Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:
разработать модель процесса формирования землеройно-транспортной машиной земляной поверхности с заданными геометрическими параметрами;
выявить основные причины и источники погрешностей геометрических параметров земляной поверхности, формируемой ЗТМ;
разработать тезаурус (совокупность математических моделей) сложной динамической системы, отражающей процессы выполнения ЗТМ планировочных и профилировочных работ;
установить основные закономерности процессов, происходящих в сложной динамической системе при выполнении планировочных и профилировочных работ;
изыскать способы и средства повышения точностных характеристик ЗТМ, выполняющих планировочные и профилировочные работы.
Методологической базой исследований является системный анализ причинно-следственных связей исследуемого технологического процесса, статистический, математический анализ, а также математическое моделирование машин и процессов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
обоснована модель объекта исследования как сложная динамическая система, включающая подсистемы: рабочего органа, разрабатываемого грунта, ходового оборудования, микрорельефа, гидропривода, рулевого управления, информационной системы, человека-оператора, автоматизированной системы управления;
получены аналитические зависимости, устанавливающие связи: поперечного уклона формируемой поверхности и угла захвата РО; величин погрешности поперечного уклона и компенсирующего воздействия; требуемой глубины копания и величины заглубления РО; требуемой точности обработки грунта и необходимого числа проходов машины по обрабатываемому участку;
сформулированы теоретические положения структуры ЗТМ;
развиты методики математического моделирования ЗТМ в однородных координатах и гидроприводов в виде гидравлических многополюсников;
предложены способы и нетрадиционные инженерные решения, направленные на повышение точности разработки грунта ЗТМ;
определены рациональные значения основных параметров ЗТМ и их систем управления, обеспечивающие повышение точности разработки грунта.
Практическая ценность работы состоит в решении важной народно-хозяйственной проблемы, заключающейся в обеспечении заданной точности геометрических параметров земляных сооружений, формируемых ЗТМ. С этой целью разработаны способы и средства технической реализации, признанные изобретениями.
Реализация работы в промышленности. Практические рекомендации и выводы, полученные в процессе исследований, внедрены в НПО ВНИИСтройдормаш, на Топкинском механическом заводе, в КБ Транспортного машиностроения г. Омск, на Брянском заводе дорожных машин. Опытные образцы систем управления, автогрейдеров с лидирующими рабочими органами и плавающим рабочим органом были переданы в эксплуатацию в производственные организации. Топкинским механическим заводом освоено производство системы "Профиль-10И".
Автор защищает:
совокупность научных положений, на базе которых созданы образцы новых РО ЗТМ и систем управления;
аналитические и эмпирические зависимости, отражающие выявленные закономерности процесса формирования ЗТМ земляной поверхности с заданной точностью геометрических параметров.
Личный вклад автора заключается в формулировании идеи и цели работы; в формировании методологического подхода решения проблемы; выполнении теоретических и основной части экспериментальных исследований, анализе и обобщении их результатов, разработке новых конструк-
ций ЗТМ и их систем управления; руководстве и непосредственном участии в изготовлении опытных образцов, их испытании и внедрении.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теориях; соблюдением основных принципов математического моделирования; достаточным объемом экспериментальных данных, полученных с помощью современной регистрирующей и измерительной аппаратуры, прошедшей метрологическую аттестацию; подтверждением адекватности математических моделей.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на научных конференциях в СибАДИ (1980-1999 г. г), на протяжении ряда лет на технических совещаниях НПО ВНИИСтройдормаш, Минского НПО "Дормаш", Брянского, Орловского, Челябинского заводов дорожных машин, Топкинского механического завода, Семинарах ЛДНТП (Ленинград, 1984, 1985 г.г), МДНТП (Москва, 1985 г.), Всесоюзной конференции "Вопросы создания систем и агрегатов гидроавтоматики сельскохозяйственных машин" (Москва 1984 г.), Зональной конференции "Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики" (Пенза, 1984 г.), Областной конференции (Ростов-на-Дону, 1985 г.), XII Международной конференции "Механизация земляных работ" (Варна, 1985 г.), II Всесоюзной конференции по механизации и автоматизации земляных работ в строительстве (Киев, 1986 г.), Научно-методическом совещании СоздорНИИ (Балашиха, 1988 г.), XIV Международной конференции "Механизация и автоматизация земляных работ" (Киев, 1991 г.), Международной научно-практической конференции "Город и транспорт" (Омск, 1996 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано: монография, 2 учебных пособия, 111 научных статей, получено 50 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, списка литературы и приложений. Результаты исследований изложены на 346 страницах основного текста, включающего 163 рисунка, 14 таблиц. Список литературы содержит 271 наименование. Приложений 29 на 47 страницах.
