Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследования 11
1.1 Система показателей определения эффективности работы автогрейдера на планировочных работах 11
1.2 Обзор и анализ предыдущих исследований 17
1.2.1 Анализ исследований по повышению производительности автогрейдера и точности планировочных работ 17
1.2.2 Анализ математических моделей автогрейдеров, гидроприводов и систем управления рабочим органом 23
1.2.3 Анализ математических моделей микрорельефа грунта 31
CLASS 2 Методика исследований 4 CLASS 3
2.1 Общая методика исследований 43
2.2 Методика теоретических и экспериментальных исследований 45
3 Математическое описание автогрейдера 51
3.1 Обоснование структуры математической модели автогрейдера 51
3.2 Математическая модель автогрейдера 55
3.3 Математическая модель системы автоматического управления рабочим органом 69
3.4 Математическая модель влияния реакции грунта на ро автогрейдера 75
4 Оснащение автогрейдера рабочим органом переменной длины 81
4.1 Технико - экономическое обоснование длины ро автогрейдера 81
4.2 Обоснование оптимальной длины рабочего органа автогрейдера 84
4.3 Конструкция рабочего органа переменной длины 94
5 Экспериментальные исследования автогрейдера 102
5.1 Методика расчета оптимальной длины отвала и рациональных параметров сау ро автогрейдера 102
5.2 Объект и задачи теоретических исследований 105
5.3 Средства и условия реализации методики 106
5.4 Результаты теоретических исследований 109
5.5 Оценка адекватности математической модели рабочего процесса автогрейдера 117
5.5.1 Объект экспериментальных исследований 117
5.5.2 Условия, средства и порядок проведения экспериментальных исследований 118
5.5.3 Результаты экспериментальных исследований 121
Основные выводы и результаты исследования 125
Литература 128
Приложения 139
- Обзор и анализ предыдущих исследований
- Методика теоретических и экспериментальных исследований
- Математическая модель автогрейдера
- Обоснование оптимальной длины рабочего органа автогрейдера
Введение к работе
Актуальность работы. В современных условиях повышение производительности труда в строительном производстве следует рассматривать с точки зрения применения новых нетрадиционных технологий, максимального использования потенциальных возможностей средств механизации и широкого внедрения результатов научных разработок. Эти задачи могут быть успешно решены путем комплексной механизации и автоматизации технологических процессов, внедрением скоростного строительства.
Процесс внедрения новой технологии строительства земляного полотна связан с необходимостью обеспечения ровности его поверхности и геометрических параметров поперечного и продольного профилей. Несоответствие проектным отметкам и недостаточная ровность поверхности земляного полотна приводит к перерасходу строительных материалов при сооружении слоев дорожной одежды /13, 23, 78, 89, 94/.
Высокие требования к качеству технологических операций (в частности планирования), обеспечивающих ровность земляного полотна, вступают в противоречие с производительностью машин, занятых на этих операциях.
Наиболее распространенной машиной, применяемой при планировании поверхности земляного полотна, является автогрейдер. Профиль спланированной поверхности определяется положением рабочего органа машины во время процесса планирования. Управление отвалом является сложной задачей, вместе с тем требования к точности соблюдения проектного профиля очень высоки. Поэтому их выполнение при ручном управлении отвалом требует многократных проходов машины по одному следу, что приводит к снижению производительности /1, 61/.
Однако эти требования к профилю земляного полотна могут быть выполнены автогрейдером с системой автоматического управления (САУ) рабочим органом (РО). Вместе с этим существующие САУ РО не позволяют в пол-
ной мере реализовать максимальную рабочую скорость машины, обеспеченную ресурсом двигателя по мощности, а, следовательно, достичь высокой производительности при выполнении планировочных работ.
С другой стороны, повышение производительности автогрейдера на планировочных работах с сохранением заданной точности возможно путем совершенствования конструкции рабочего органа. Изменяя длину отвала, можно оказывать значительное влияние на производительность машины.
Таким образом, совершенствование конструкции отвала автогрейдера и САУ РО с целью повышения производительности с обеспечением требуемого качества производства работ, является актуальной научно-технической задачей.
Объект исследования - технология строительства земляного полотна автомобильной дороги.
Предмет исследования - процесс планирования поверхности земляного полотна автогрейдером, оснащенным системой автоматического управления и рабочим органом переменной длины.
Цель работы - повышение производительности автогрейдера с обеспечением заданной точности производства планировочных работ.
Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1) Представление разработанной математической модели автогрейдера с
системой автоматического управления рабочим органом переменной длины в виде структурных схем подпрограмм.
Технико-экономическое обоснование оптимальной длины РО автогрейдера.
Разработка конструкции рабочего органа переменной длины.
Исследование факторов, влияющих на точность выполнения планировочных работ и анализ результатов исследований.
Создание методики расчета оптимальной длины отвала и рациональных параметров САУ РО.
Подтверждение адекватности математической модели автогрейдера с САУ и РО переменной длины.
Определение экономического эффекта от внедрения результатов исследований.
Общая методика исследований.
Методологической базой исследований является системный анализ причинно-следственных связей исследуемого технологического процесса, статистический, математический анализ методами теории автоматического управления и вычислительной математики, а также математическое моделирование машин, процессов и систем автоматического управления рабочим оборудованием.
Научная новизна работы заключается:
-в разработке математической модели автогрейдера на основе методов имитационного моделирования, позволяющих проведение исследований с целью расчета оптимальной длины отвала и рациональных параметров САУ РО;
- в определении зависимостей между параметрами рабочего процесса ав
тогрейдера, параметрами САУ РО переменной длины и качеством планировоч
ных работ;
-в разработке методики определения оптимальной длины РО и рациональных параметров САУ РО.
Достоверность экспериментальных исследований подтверждается:
-достаточным количеством проведенных натурных и машинных экспериментов;
-адекватностью математической модели реальным условиям работы автогрейдера;
- применением современных методов математической обработки резуль
татов исследований.
8 Практическая ценность диссертационной работы состоит:
в разработке технико-экономического обоснования оптимальной длины РО автогрейдера;
в разработке методики расчета оптимальной длины РО и рациональных параметров САУ РО;
в разработке пакета прикладных программ, позволяющих реализовать методику определения оптимальной длины РО и рациональных параметров САУ РО;
в разработке и внедрении технического решения по оснащению автогрейдера РО переменной длины, позволяющего добиться снижения количества проходов автогрейдера по обрабатываемому участку земляного полотна почти в 2 раза; на 20% повысить эффективность использования двигателя машины по мощности; в 1,6 раза снизить стоимость производства планировочных работ и на 40% увеличить производительность.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на 59-ой научно-технической конференции СибАДИ (г. Омск, 1999 г.), на Международной научной конференции «Современные проблемы транспортного строительства, автомобилизации и высокоинтеллектуальные научно - педагогические технологии», посвященной 70-летию СибАДИ (г. Омск, 2000 г.), на научном семинаре факультета «Дорожные машины» СибАДИ (2001 г.) и кафедре «Эксплуатация дорожных машин».
Внедрение результатов.
Методика определения оптимальной длины отвала и рациональных параметров САУ РО автогрейдера принята к внедрению в управлениях ООО «Машиностроитель» (Брянский завод дорожных машин), «Омскавтодора» и «Омскагропромдорстроя».
Публикации.
По результатам работы опубликовано 8 печатных работ, получена приоритетная справка на получение патента на изобретение.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 108 источников и приложений.
Общий объем работы составляет 138 страниц основного текста, в том числе 13 таблиц, 37 рисунков, 58 страниц приложений, содержащих листинги программ, расчет на прочность узлов и деталей рабочего органа, тяговый расчет автогрейдера, расчет экономической эффективности от использования новой техники, а также акты внедрения результатов диссертации и испытаний автогрейдера.
Диссертационная работа выполнена на кафедрах «Дорожные машины» и «Эксплуатация дорожных машин» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Общая структура выполнения исследований приведена на рис. 1.1.
Цель работы
Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования
Общая методика исследования
Составление математической модели-описания автогрейдера с системой управления рабочим органом
Оснащение автогрейдера с САУ РО переменной длины
Обоснование и выбор численных коэффициентов математической модели и определение области допустимых значений параметров САУ РО и рабочего процесса
Составление моделирующего алгоритма
Составление программы
Проведение машинного эксперимента
Подтверждение адекватности
математической модели
(проведение натурного
эксперимента)
Получение зависимостей между параметрами системы, рабочего процесса и качеством управления
Статистическая обработка результатов
Разработка инженерных решений
Внедрение инженерных решений
Выводы и рекомендации
Рисунок 1.1 - Общая структура выполнения исследований.
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Обзор и анализ предыдущих исследований
Одним из основных показателей эффективности использования автогрейдера на планировочных работах является его производительность /35, 53/.
Большая часть работ по совершенствованию автогрейдера, направленных на повышение производительности машины, имеет целью модификацию отвала, уменьшение числа проходов по обрабатываемому участку земляного полотна и по одному следу, а также сокращение времени установки РО в требуемое положение перед рабочим проходом /10, 47/.Модификация отвала, например, установка на него выдвижных гидро-управляемых боковых секций, позволяет увеличить длину РО, а, следовательно, и ширину захвата 121.
Недостатком такого рабочего органа является низкая производительность из-за повышения сопротивления грунта резанию, вызванного нахождением на одном уровне нижних ножей основной и боковых секций в положении, когда боковые секции не выдвинуты или выдвинуты частично по отношению к центральной. Это вызывает увеличение мощностных затрат на осуществление планировочных работ. С целью снижения сопротивления грунта резанию прибегают к уменьшению общего угла заострения нижних ножей. Однако уменьшение угла заострения ножей приводит к быстрому их затуплению и выкрашиванию, снижению точности, к увеличению энергоемкости процесса и стоимости производства планировочных работ.
Для устранения недостатков рассмотренной конструкции рабочего органа в работе /80/ было предложено использовать рабочее оборудование, включающее отвал, состоящий из центральной секции с открытой с торцов и по краям нижней стороны внутренней пазухой, в которой размещены боковые секции, смонтированные на ползунах и направляющих. Направляющие выполнены в виде винтовых линий, с подъемом по направлению к середине центральной секции. Каждый гидроцилиндр управления боковой секцией закреплен щарнирно корпусом на центральной секции и соединен штоком с боковой секцией посредством имеющего несколько степеней свободы шарнирного соединения.
Недостатками такого рабочего органа являются сложность конструкции, большая металлоемкость и невысокая производительность автогрейдера при планировочных работах (длина отвала в рабочем положении не превышает 5,24 м).
Повышение производительности автогрейдера за счет сокращения числа проходов по обрабатываемому участку земляного полотна предлагается в работе В. В. Титенко /95/. Информация о достижении требуемого качества поверхности земляного сооружения предоставляется механику - водителю с помощью устройства индикации.
Уменьшение количества проходов по одному следу, за которое достигается требуемое качество поверхности земляного полотна, возможно при условии точности управления рабочим органом.В дорожном строительстве огромное значение имеет качество возводимого полотна. Его геометрические параметры, такие как уклоны, высотные отметки, линейные размеры, ровность поверхности и др. строго регламентированы СНиПом /89/, поэтому особое внимание в работах, посвященных вопросу повышения точности планировочных работ, уделяется совершенствованию САУРО/10, 47/.
В работе /14/ следящие системы характеризуются как основное средство обеспечения точности планировки. Исследована двухскоростная система стабилизации положения РО автогрейдера, определены ее основные параметры.В работах В. С. Дегтярева /34/, А. М. Васьковского /25/, А. Н. Пиковской /75/, в трудах ВНИИстройдормаша /21, 81, 97/ подробно рассмотрены различ ные варианты математических описаний и приведены конкретные статическиеи динамические характеристики элементов систем автоматической стабилизации - гироскопических и гравитационных датчиков угла наклона, релейных элементов, усилителей, электрозолотников, гидроцилиндров /10, 47/.
В. С. Дегтярев в своей работе /34/, проанализировав причины отклонения от заданных параметров обработки земляного полотна, пришел к выводу, что необходимо сократить зазоры в соединениях деталей рабочего оборудования и механизмов управления и применять автоматические системы управления автогрейдером. В результате экспериментальных и теоретических исследований были созданы два варианта трехпозиционных автоматических регуляторов: с контактным измерением величины рассогласования и с потенциометрическим измерением величины рассогласования /10, 47/.А. М. Васьковский в работе /25/, используя опыт по автоматизации зем-леройно-планировочных машин в отделе автоматики ВНИИстройдормаша, исследовал рабочий процесс этих машин. Это позволило ему определить важнейшие элементы, подлежащие автоматизации /10, 47/.
Б. Д. Кононыхиным рассмотрены проблемы идентификации, автокоординирования и управления землеройно-транспортных машин (ЗТМ) /50/. Была синтезирована динамика координирования рабочих органов управляемых ЗТМ, теория лазерных координаторов и динамика систем управления рабочими органами ЗТМ с лазерными координатами. В области строительного и дорожного машиностроения в работах /51, 52/ рассматривается новое направление - адаптивное машиностроение. В статье /54/ проводится анализ инвариантных систем управления процессами «грунт-машина-рабочий орган», рассматриваются оптимальные структуры управления, повышающие эффективность использования машин при производстве земляных работ /10, 47/.В работе Э. А. Степанова /91/ исследована зависимость качества планировки от конструктивных параметров автогрейдера /10, 47/.
В работе В. Ф. Амельченко 111 проведен анализ динамических характери стик системы «человек - машина», исследован процесс ручного управления РОземлеройно - транспортной машины, сформулирована теория синтеза системуправления и оптимизации комплекса «землеройно - транспортная машина рабочий процесс». Рассмотрен вопрос формирования заданных характеристикрабочего процесса /10, 47/.В. Н. Тарасовым /93/ рассмотрены процессы динамики рабочих процессов землеройно - транспортных машин, оснащенных следящими системами управления /10, 47/.
В работе Ю. М. Княжева /48/ выполнены исследования энергетических квазиоптимальных процессов сразу под заданную отметку при сохранении сравнительно высоких энергетических и критериальных соотношений, что важно для планировочных работ. Предложена методика квазиоптимальных управлений в режиме планировочных работ, что позволяет решить задачу получения достаточно высокой точности с оптимальным энергетическим использованием двигателя. Разработаны научные основы методов управления оптимальными рабочими процессами с адаптацией к среде, которые являются общими для всех классов и типов ЗТМ. Предложен критерий принятия решения о лучшей системе управления - суммарный коэффициент FX , который является аддитивным коэффициентом и обеспечивает действительно объективную оценку энергетическим процессам. Решена проблема устойчивости системы автоматического управления; под устойчивым процессом понимается энергетический процесс, при управлении которым происходит изменение положения ножа РО по отношению к грунту, что обеспечивает высокие энергетические и функциональные показатели работы машины.
В работе В. С. Щербакова /104/ выявлены основные закономерности процессов, происходящих в сложной динамической системе при выполнении планировочных и профилировочных работ. Обоснованы способы борьбы с возмущающими воздействиями на ЗТМ со стороны неровностей микрорельефа. Обоснованы и подтверждены рациональные значения основных параметров
Методика теоретических и экспериментальных исследований
Математическое моделирование составляет основу теоретических исследований работы, при этом исследуемый объект заменяется его математической моделью, которая отражает с достаточной степенью точности исследуемые свойства объекта. Наиболее распространенным способом представления математической модели является система каких-либо уравнений, выбор которых соответствует уровню принятой математической модели с необходимыми для ее решения данными - численными значениями коэффициентов. Наиболее реальный, а часто и единственный реальный путь решения системы уравнений -это расчеты на ЭВМ численным методом /62, 68, 86/.
Такое исследование называется вычислительным экспериментом. Вычислительный эксперимент обладает рядом преимуществ по сравнению с натуральным: вычислительный эксперимент, как правило, намного дешевле, легче и быстрее реализуем; допускает вмешательство извне на любой стадии; позволяет моделировать условия эксперимента, которые зачастую вообще невозможно воспроизвести в реальных условиях, и выполнить эксперименты на критических режимах, воспроизведение которых в условиях натурального эксперимента затруднительно, дорого, а порой небезопасно /62, 68, 86/.
Планы эксперимента могут быть классические и факторные. Классический план заключается в изменении одного фактора во всем интервале значений при постоянстве других независимых факторов. Полный факторный эксперимент заключается в том, что в нем реализуются все возможные сочетания уровней факторов /62, 68, 92, 107/.
При математическом моделировании основными требованиями к модели должны быть: - способность с необходимой точностью отражать исследуемые процессы;- однозначное соответствие между параметрами модели и исследуемого объекта;- пригодность для логического анализа и для обработки на ЭВМ /62, 68, 107/.
При составлении математической модели автогрейдер, выполняющий планировочные работы, рассматривался как многомассовая динамическая система, на которую действуют как управляющие воздействия, так и возмущающие, имеющие стохастическую природу, воздействия. Параметры гидропривода, системы управления и базовой машины также изменяются во времени и имеют случайный характер. Но, как показывает практика, колебания этих параметров растянуты во времени и несоизмеримы с колебаниями внешних воздействий. Это позволяет принять допущение, что за время переходного процесса параметры гидропривода, системы управления и базовой машины не изменяются и при теоретических исследованиях процесса планировки автогрейдером принимаются постоянными. Кроме вышеуказанного, для математической модели автогрейдера принимается допущение, которое заключается в том, что каждая входная величина независима от других входных величин и от начальных условий /45, 62, 68/.
Адекватность математических моделей необходимо подтвердить результатами экспериментальных исследований. При этом сравнительная оценка должна производиться по среднеквадратическим отклонениям координат продольного Оу и поперечного ау профилей, полученным в ходе натурного и машинного экспериментов.
Известно, что динамические свойства изучаемого объекта могут быть представлены в различной форме: в виде дифференциальных уравнений, переходными процессами, амплитудно-фазовыми и амплитудно-частотными характеристиками, которые описывают поведение объекта в переходных и устано вившихся режимах, в виде передаточных функций отдельных звеньев и так далее/50, 62, 64, 68, 81, 88/.
В основном каждый из видов представления динамики объектов несет исчерпывающую информацию об объекте, выбор его в большинстве случаев определяется задачами исследования, возможностями вычислительной техники, требованием обеспечения наглядности проходящих процессов и т. д. Для описания динамических свойств автогрейдера целесообразно использовать дифференциальные уравнения. При графическом изображении математической модели для наибольшей наглядности целесообразно использовать структурную схему программы, которая при компактности записи дает достаточно полное представление о процессах, происходящих в системе /62, 68/.
При изучении динамических свойств автогрейдера могут быть использованы различные типы возмущающих воздействий: детерминированные и стохастические. В настоящее время нет единодушного мнения специалистов по выбору типа возмущающих воздействий при исследовании землеройно-транспортных машин. Несмотря на то, что динамические свойства линеаризованного объекта не зависят от типа возмущающего воздействия и определяются его конструктивными параметрами, не всегда удается получить адекватные результаты при детерминированном и стохастическом воздействиях. В то же время бытует мнение, что при идентификации линейного объекта, если есть возможность подать на объект детерминированное воздействие, его необходимо подать, т. к. отклик на него позволяет с наибольшей достоверностью дать оценку динамическим свойствам линейного объекта /62, 68/.
.С другой стороны, для оценки установившегося режима работы объекта наиболее удобно рассматривать его «поведение» при воздействии, являющемся периодической функцией времени t. Это обусловлено несколькими обстоятельствами: в установившихся режимах гармонические сигналы передаются без искажений, обычно не возникает затруднений в экспериментальном исследовании поведения таких систем при гармонических воздействиях /57, 62, 68/. При малых перемещениях, с учетом принятого допущения о линейности,для получения наиболее объективной информации о динамических свойствах объекта используются детерминированные и стохастические возмущающие воздействия при прочих равных условиях проведения эксперимента, позволившие установить связь между планирующими свойствами автогрейдера и параметрами переходных процессов /62/.
Для оценки адекватности математической модели используются экспериментальные исследования, которые также выполняют следующие задачи: - определение и уточнение численных значений параметров, входящих в математические модели;- подтверждение работоспособности и эффективности применения предлагаемого технического решения в производственных условиях /63, 68/.
В соответствии с решаемыми задачами при экспериментальных исследованиях целесообразно использовать два метода проведения эксперимента: активный и пассивный /63, 66, 68, 102, 107/.
Независимо от метода испытаний, важным условием их проведения является обеспечение достоверности экспериментальной информации с требуемой доверительной вероятностью. В прикладных исследованиях считается достаточной доверительная вероятность (1 — 0СЭ) = 0,95 /3, 63, 68, 101/.
При проведении экспериментальных исследований возникает целый ряд факторов, приводящих к погрешностям результатов измерений. В связи с этим важной задачей является тарировка контрольно-измерительной аппаратуры до и после измерений для минимизации ошибок измерений /3, 41, 63, 68/.Для оценки точности эксперимента используется зависимость /3/
Математическая модель автогрейдера
Автогрейдер, оснащенный системой автоматического управления рабочим органом (РО), грунт и микрорельеф обрабатываемой поверхности представляют в совокупности сложную динамическую систему. Оптимизацию параметров этой системы удобней вести на математических моделях.
Анализ предшествующих работ (разд. 1.2) показал, что динамические свойства автогрейдера достаточно хорошо изучены и описаны математическими моделями как в виде дифференциальных уравнений, так и передаточными функциями.
Элементы расчетной схемы (рис. 3.1) (хребтовая балка, подмоторная рама, правый и левый балансиры, передняя ось, тяговая рама и поворотный круг с РО) выбраны в соответствии с наметившимися тенденциями дальнейшего совершенствования конструкций автогрейдеров. Это относится, в частности, к основной раме, которая представлена в виде шарнирно сочлененных подмо-торной рамы и хребтовой балки. Благодаря этому, обобщенная расчетная схема отражает наиболее существенные признаки реальных и перспективных конструкций автогрейдеров /95/.
Для описания положения элементов расчетной схемы в пространстве принята ортогональная система координат OXYZ. На элементы расчетной схемы наложены ограничивающие связи /95/.
При движении автогрейдера, при выполнении планировочных работ элементы расчетной схемы имеют следующие степени свободы (табл. 3.1).
Положение хребтовой балки определяется координатами по OX, OY и углом аь образованным в плоскости OXZ осью ОХ и осью хребтовой балки, положение тяговой рамы определяется углом Pi, образованным в плоскости OXZ осью ОХ и осью тяговой рамы, угол ф характеризует положение РО и образуется в плоскости OXZ осью ОХ и режущей кромкой РО /95/.
Для определения положения произвольных точек звеньев расчетной схемы в любой момент времени от начала отсчета и установления связи между положением РО и параметрами сформированной поверхности были получены уравнения.
Согласно рекомендациям, изложенным в работах /19, 79/, положение в пространстве РО целесообразно определять по координате его центральной точки y(t) и углу перекоса у (т) в любой момент времени t /95/: 58 не сформирован, так как отвал еще не дошел до этого места. Таким образом, в момент времени t угол поперечного профиля верен для точки отвала С, максимально приближенной к задним колесам. Тогда /95/ грунта в условных точках контакта первых, вторых и третьих правых и левых колес автогрейдера; уПбО), Улб(0 - условные вертикальные координаты правого и левого балансиров; yi(t), y2(t) - условные вертикальные координаты центра передней и задней осей. Так как оси балансиров жестко связаны с подмоторной рамой автогрейдера, то угол поворота автогрейдера вокруг оси ОХ можно выразить /95/: где L, - проекция на ось ОХ расстояния между yt и у2. Из рисунка 3.2 видно, что /95/ где y (t) - условная вертикальная координата точки пересечения прямой DE и плоскости, перпендикулярной оси ОХ и проходящей через точку A; Ay (t) -приращение вертикальной координаты точки y (t), обусловленное перекосом автогрейдера вокруг оси ОХ на угол а.
где Ayi(t) - приращение вертикальной координаты точки y(t), обусловленное перекосом автогрейдера вокруг оси ОХ на угол а; Ay2(t) - приращение вертикальной координаты точки y(t), обусловленное перекосом автогрейдера вокруг оси OZ на угол (3; (3.21) от Ctgcp tgp(t) Ay2(t) = Подставив (3.10) в (3.22), получим /95/ (3.22) Но колеса балансирной тележки в зависимости от угла выноса тяговой рамы, угла перелома основной рамы и поворота отвала могут не попадать в зону обработанного грунта. При 2L5-L0T -L2 только левые колеса движутся по необработанному грунту и вертикальная координата только правых колес определяется выражениями (3.25) и (3.29), а при 2L5-L0T L2 И левые, и правые колеса движутся по необработанному грунту. Разработанная на основе предложенной расчетной схемы и принятых допущений математическая модель автогрейдера позволяет выявить функциональные зависимости его основных параметров /59/. Математическая модель автогрейдера может быть представлена колебательным звеном второго порядка, входом которого является кинематическое воздействие на элементы ходового оборудования, выходом - перемещение РО /59/. Принята следующая форма записи уравнения звена с использованием аппарата передаточных функций: В соответствии с обоснованием (разд. 3.1) и выражениями (3.1 - 3.34) была разработана структурная схема программы, описывающая математическую модель автогрейдера с РО переменной длины. Структурные схемы подпрограмм, описывающих координаты балансиров, осей, задних колес автогрейдера, его геометрические параметры и положение в пространстве, а также координаты отвала, представлены на рис Математическое описание системы автоматического управления рабочим органом выполнено с помощью передаточных функций. Прототипом системы явилась система типа «Профиль-30» /87/. Серийная САУ типа «Профиль-30» имеет следующие основные элементы: датчик угла наклона, представляющий собой маятник, демпфированный относительно корпуса, щуповые датчики, пороговый элемент, исполнительный электрогидравлический привод, задатчик и элементы сравнения /87/. Как показал анализ литературы в разделе 1.2, элементы систем управления достаточно хорошо изучены и описаны с использованием аппарата передаточных функций. Датчик угла наклона представляет собой маятник, демпфированный относительно корпуса. Математическое описание датчика угла наклона включает описание маятника и учет динамической ошибки датчика. Выходная координата датчика представляет собой угол взаимного поворота маятника датчика относительно корпуса.
Обоснование оптимальной длины рабочего органа автогрейдера
Для обоснования оптимальной длины рабочего органа на основе структурных схем подпрограмм, представленных в гл.З и описывающих математическую модель автогрейдера с САУ и РО переменной длины, был разработан пакет прикладных программ на языках программирования MATLAB и Turbo Pascal 6.0. Листинги основных программных функций, входящих в пакет, приведены в приложении 1.
В качестве критерия определения оптимальной длины рабочего органа использовалась оценка соответствия отклонений угла поперечного уклона земляного полотна сг (3.1) требованиям СНиП в зависимости от увеличения длины отвала при различных значениях угла захвата РО ф (табл. 4.1). Полученные результаты исследований приведены в таблице 4.2.
Среднеквадратические отклонения угла поперечного профиля земляного полотна ау при изменении длины отвала L0TB, полученные при различных значениях угла захвата РО ф, представлены на рис. 4.2.
Как видно из приведенной зависимости, при увеличении длины РО до 8 м(ф = 60 ) отклонение угла поперечного уклона земляного полотна аг удовлетворяет требованиям СНиП. Увеличение угла захвата ф до 90 приводит к тому, что при изменении длины РО до 8 м ау выходит за пределы допуска СНиП.
Для подтверждения правдивости полученных результатов исследований в качестве критерия выбора оптимальной длины отвала использовались отклонения высотных отметок продольного профиля земляного полотна от проектных значений в зависимости от увеличения длины рабочего органа (аул, ауп, ау). На основе снятых высотных отметок продольного профиля, достигнутого за четыре прохода машины, составлены профилограммы поверхности участка земляного полотна в зависимости от изменения длины рабочего органа, представленные на рис. 4.3 - 4.6. Результаты проведенных исследований показали, что увеличение длины РО автогрейдера до 7 м не оказывает влияния на точность выполнения планировочных работ, т. к. отклонения высотных отметок продольного профиля не выходят за пределы допуска СНиП (табл. 4.3).исходный профиль; профиль после обработки
Рисунок 4.5 - Отклонение высотных отметок продольного профиля земляного полотна при ф = 75 и ф = 90 (левая точка отвала).исходный профиль; профиль после обработки Рисунок 4.6 - Отклонение высотных отметок продольного профиля земляного полотна при ф = 75 и ф = 90 (правая точка отвала). Исходя из полученных результатов исследований можно сделать вывод,что оптимальная длина рабочего органа (на примере автогрейдера среднегокласса ДЗ - 143 - 1) составляет 7 м, т.к. при этом значении ау и ау находятся впределах допусков СНиП (табл. 4.1).
Необходимо также учитывать такие параметры управления рабочими процессами ЗТМ, как: суммарный критерий FX, скорость передвижения машины, удельный расход топлива, отклонение режущей кромки ножа отвала от заданной глубины копания /48, 69/.
Исследования, проведенные в работе /69/, позволили определить оптимальные значения указанных параметров: невысокие величины расхода топлива и отклонений от заданной глубины копания, но достаточно высокие суммарный критерий FX и скорость передвижения машины при планировке грунта (рис. 4.7). При этом оптимальная глубина копания составит 8 - 10 см.
С учетом результатов расчета рабочего органа на прочность и тягового расчета автогрейдера (приложения 2 и 3), а также конструктивных соображений, оптимальная длина отвала составит 6,5 м.
Таким образом, оптимальная длина боковой секции предлагаемого рабочего органа переменной длины автогрейдера в общем случае определяется зависимостью: і — - — 0,5 м, где L - длина центральной секции.
Согласно формуле (1.4), увеличение длины рабочего органа приведет к увеличению производительности автогрейдера на планировочных работах, за счет снижения количества проходов машины по обрабатываемому участку земляного полотна. При увеличении длины отвала до 6,5 м производительность автогрейдера, оснащенного системой автоматического управления рабочим органом, увеличивается, с сохранением требуемой точности планировки, в 1,6 раза.
Однако с учетом результатов исследований, проведенных в работах /48, 69/, а- также прочностного расчета машины, увеличение длины отвала авто 93 грейдера до 6,5 м способствует повышению производительности при выполнении планировочных работ на 40% с сохранением заданной точности планировки.
Это приводит к снижению стоимости производства планировочных работ и энергоемкости процесса.Рисунок 4.7 - Графики величин удельного расхода топлива ge, скоростипередвижения ЗТМ при планировке грунта V, суммарного коэффициентаFX, отклонения средней глубины копания от заданной S /69/.
