Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 10
1.1 Современное состояние исследований в области работы автоматизированных землеройно-транспортных машин 11
1.2 Постановка задач и методика исследований 44
2 Аналитическое исследование работы автогрейдера при резании и перемещении грунта основным отвалом 48
2.1 Математическая модель автогрейдера для исследования его показателей при резании и перемещении грунта 48
2.1.1 Обоснование принятой расчетной схемы автогрейдера 48
2.1.2 Функциональные зависимости внешних сил и реакций, действующих на автогрейдер 53
2.1.3 Моделирование работы автогрейдера на ЭВМ 68
2.2 Результаты аналитических исследований работы автогрейдера при резании и перемещении грунта основным отвалом 71
2.3 Выводы 78
3 Система автоматического управления основным отвалом автогрейдера 81
3.1 Структурная схема и алгоритм управления процессом резания и перемещения грунта 81
3.2 Исследование радиоволнового измерителя текущего объема грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ 87
3.3 Имитационное моделирование датчика текущего объёма грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ, и системы автоматического управления косопоставленным отвалом автогрейдера в процессе резания и перемещения грунта 94
3.4 Практическая реализация системы автоматического управления процессом резания и перемещения грунта косопоставленным отвалом автогрейдера 100
3.5 Выводы 110
4 Экспериментальные исследования автогрейдера в процессе резания и перемещения грунта 112
4.1 Задачи и методика экспериментальных исследований 112
4.2 Результаты экспериментальных испытаний автогрейдера в процессе резания и перемещения грунта косопоставленным отвалом 118
4.3 Оценка погрешности результатов измерений 131
4.4 Оценка технико-экономической эффективности работы автогрейдера 135
4.5 Выводы 136
Основные выводы 139
Список использованных источников 142
Приложение А. Акты внедрения 157
Приложение Б. Сведения о регистрации алгоритмов и программ 160
Приложение В. Сведения о патенте РФ на изобретение 164
Приложение Г. Технические характеристики автогрейдера ДЗ-199 . 172
Приложение Д. Расчет технико-экономической эффективности работы автогрейдера при резании и перемещении грунта с разработанной системой управления косопоставленным отвалом 173
Приложение Е. Программа управления процессом резания и перемещения грунта косопоставленным отвалом 178
- Современное состояние исследований в области работы автоматизированных землеройно-транспортных машин
- Обоснование принятой расчетной схемы автогрейдера
- Имитационное моделирование датчика текущего объёма грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ, и системы автоматического управления косопоставленным отвалом автогрейдера в процессе резания и перемещения грунта
- Оценка погрешности результатов измерений
Введение к работе
Актуальность работы. В строительстве достаточно важной составляющей является проведение земляных работ, в частности, резания и перемещения грунта, которое в большинстве случаев осуществляется землеройно-транспортными машинами (ЗТМ). Одной из ЗТМ, выполняющей резание и перемещение грунта, является автогрейдер.
Качественное выполнение работ во многом зависит от квалификации оператора, который вынужден одновременно контролировать большое количество непрерывно меняющихся параметров. Однако даже высококвалифицированный оператор оценивает изменение параметров ориентировочно, что часто приводит к режимам работы далёким от рациональных.
Кроме того, до настоящего времени управление процессом резания и перемещения грунта осуществляется в основном изменением скорости движения машины и высотного положения отвала, что приводит к увеличению необходимого количества проходов.
Повышение производительности ЗТМ при резании и перемещении грунта возможно за счёт рационального выбора параметров рабочего процесса с помощью систем автоматического управления.
Многими авторами предложены разнообразные устройства управления рабочим оборудованием и другими системами автогрейдера, но эти разработки, в большинстве случаев, не устраняют полностью описанные выше недостатки в процессе резания и перемещения грунта.
В связи с этим актуальным является создание системы автоматического управления отвалом по параметру, характеризующему текущую производительность автогрейдера в процессе резания и перемещения грунта, использующей в качестве управляющего воздействия изменение угла захвата отвала при его неизменном высотном положении, что не только повысит производительность ЗТМ, но и уменьшит необходимое количество проходов, следовательно, также приведёт к увеличению производительности в целом, экономии топлива и времени на производство работ.
Исходя из вышесказанного можно сформулировать цель диссертационной работы: повышение производительности автогрейдера путём рационального управления косопоставленным отвалом при резании и перемещении грунта за счёт эффективного использования тягово-сцепных качеств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
адаптировать и исследовать математическую модель автогрейдера с колёсной формулой 1x2x3 для процесса резания и перемещения грунта с изменением угла захвата отвала;
разработать новый способ бесконтактного измерения текущего объёма грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ, и создать датчик с улучшенными эксплуатационными характеристиками;
разработать способ и алгоритм автоматического управления углом захвата основного отвала автогрейдера в процессе резания и перемещения
грунта по параметру, характеризующему текущую производительность;
разработать и создать экспериментальный макет системы автоматического управления отвалом автогрейдера по оценке относительной производительности с изменением угла захвата отвала;
провести экспериментальные исследования работоспособности и эффективности функционирования предложенной системы автоматического управления основным отвалом автогрейдера с управлением углом захвата в процессе резания и перемещения грунта для оценки технико-экономических показателей в различных режимах управления отвалом.
Объект исследований - автогрейдер ДЗ-199 с мощностью двигателя 160 л.с. и колёсной формулой 1x2x3 в процессе резания и перемещения грунта.
Предмет исследований - разработка способа и средств технической реализации эффективного управления косопоставленным отвалом ЗТМ в процессе резания и перемещения грунта с изменением угла захвата.
Научная новизна работы:
математическая модель автогрейдера с колёсной формулой 1x2x3 в процессе разработки грунта основным косопоставленным отвалом адаптирована к рабочему процессу с изменением угла захвата за счёт определения текущего местоположения точки приложения равнодействующих сил сопротивления перемещению и скольжению грунта по отвалу;
предложен новый способ бесконтактного измерения текущего объёма грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ, основанный на определении сдвига фаз между током и напряжением, а также изменяющегося сопротивления в контуре антенны;
разработан способ автоматического управления углом захвата косопос-тавленного отвала автогрейдера в процессе резания и перемещения грунта по параметру, характеризующему текущую производительность;
- разработаны модели, позволяющие описывать процесс изменения объё
ма грунта, разрабатываемого косопоставленным отвалом, и оценивать разброс
значений ширины полосы разработки грунта при управлении углом захвата по
параметру, характеризующему текущую производительность.
Практическая значимость:
предложена новая схема обработки информации об измеряемом объёме грунта, проведено имитационное моделирование для выбора характеристик измерителя и создан новый датчик текущего объёма грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ, с улучшенными эксплуатационными характеристиками;
разработан алгоритм управления углом захвата косопоставленного отвала автогрейдера в процессе резания и перемещения грунта по параметру, характеризующему текущую производительность;
получена зависимость для определения смещения в продольном направлении местоположения точки приложения равнодействующих сил сопротивления перемещению и скольжению грунта относительно точки приложения равнодействующих сил сопротивления резанию грунта от изменения угла захвата отвала автогрейдера;
- создана система автоматического управления углом захвата отвала по параметру, характеризующему текущую производительность автогрейдера, применение которой позволило повысить техническую производительность на 11,2 %, снизить расход топлива на 6 % и сократить затраты времени на 10-19 %, уменьшить психофизические нагрузки на оператора ЗТМ, что обеспечивает увеличение времени его высокопроизводительной безошибочной работы в течении смены.
На защиту выносятся:
математическая модель автогрейдера с колёсной формулой 1x2x3, адаптированная к процессу резания и перемещения грунта косопоставленным отвалом с текущим изменением угла захвата, и результаты теоретических исследований;
новый способ измерения текущего объёма грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ, и вариант обработки информации;
способ и алгоритм автоматического управления основным косопоставленным отвалом автогрейдера в процессе резания и перемещения грунта по параметру, характеризующему текущую производительность ЗТМ;
результаты экспериментальных исследований функционирования ЗТМ и эффективности применения на автогрейдере разработанной системы управления рабочим органом в процессе резания и перемещения грунта.
Результаты работы внедрены: в ООО «Управление автомобильного транспорта и механизации Зодиак» (309500, г.Старый Оскол, Белгородской обл., микрорайон Зелёный Лог, д. 5) путём применения разработанной системы управления основным отвалом автогрейдера; в Воронежском ГАСУ при обучении студентов дневной формы обучения специальности «Автоматизация технологических процессов и производств (в строительстве)» и «Сервис транспортных машин» при изучении учебных дисциплин «Моделирование систем» и «Новые информационные технологии», соответственно, и при проведении научных исследований землеройно-транспортных машин.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением методов высшей математики, теоретической механики, радиофизики при теоретических исследованиях, математической статистики при планировании эксперимента и обработке информации, хорошим соответствием полученных данных с ранее выполненными исследованиями других авторов и достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: седьмой международной научно-практической конференции "Высокие технологии в экологии" (Воронеж, 2004); второй международной научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, образовании и производстве" (Орёл, 2006); международной научно-технической конференции "Измерения в современном мире" (Санкт-Петербург, 2007); четвертой международной научно-практической конференции "Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития" (Томск, 2007); пятнадцатой международной научно-технической конференции "Информационная среда ВУЗа" (Иваново, 2008); на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского ГАСУ (Воронеж, 2006-2011).
Публикации. Всего по результатам диссертационных исследований опубликовано 14 работ, в том числе 3 в изданиях из перечня ВАК, получен 1 патент РФ на изобретение, 2 разработки зарегистрированы в отраслевом фонде алгоритмов и программ.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, изложена на 182 страницах и содержит 129 страниц машинописного текста, 3 таблицы, 46 рисунков, список использованных источников из 145 наименований, 6 приложений на 26 страницах.
Современное состояние исследований в области работы автоматизированных землеройно-транспортных машин
Интенсификация тягового режима ЗТМ предполагает необходимость увеличения рабочей скорости [8, 107, 108, 110, 111, 114] при сохранении качества обрабатываемой поверхности и среднего значения производительности на уровне, близком к максимально возможному по сцеплению движителя с грунтом [56]. Однако неустойчивость параметров рабочего процесса, требующая постоянного вмешательства оператора в процесс управления ЗТМ, затрудняет достижение максимальной производительности ЗТМ даже при относительно низких значениях рабочих скоростей [39].
Замедленность реакции оператора на быстро изменяющиеся условия внешней среды, быстрая утомляемость, субъективность оценки [11, 128] режимов работы движителя и навесного оборудования (тягового усилия, буксования, толщины срезаемой стружки, угла захвата), а в ряде случаев несовершенство системы управления ЗТМ приводят к существенному снижению производительности и увеличению числа проходов за счет неточного или несвоевременного управления рабочим органом [68, 135].
Применение автоматизированных систем управления, позволяющих на существующих рабочих скоростях в 2-3 раза снизить количество проходов [111], снизить средне-квадратичное отклонение процесса от оптимального в 1,5 — 3 раза в сравнении с ручным способом управления, помимо повышения производительности одновременно улучшает условия труда оператора [18, 111, 129].
Вследствие этого при исследовании работы автоматизированных ЗТМ необходимо всесторонне изучить влияние информационных параметров и способов их обработки с помощью различных устройств управления на тяговые и эксплуатационные качества автогрейдера, найти пути дальнейшего повышения производительности машины в процессе резания и перемещения грунта.
Вопросам изучения работы ЗТМ посвящено большое количество работ. Заметный вклад в исследования в области эффективности работы ЗТМ внесли Т.В. Алексеева, В.Ф. Амельченко, Г.И. Асмолов, Ю.В. Варковастов, A.М. Васьковский, Д.П. Волков, В.Д. Гллбов, С.Н. Деревянко, А.А. Ерофеев, B.А. Жулай, В.А. Зорин, Ю.И. Калинин, А.А. Кононоов Б.Д. Кононыхин, Е.М. Кудрявцев, Э.Н. Кузин, Е.Ю. Малиновский, И.А. Недорезов, В.Н. Тарасов, И.М. Тепляков, Н.А. Ульянов, Ю.Ф. Устинов, А.М. Холодов, В.К. Цветков, Л.Я. Цикерман, Б.Д. Щумаков, Каваути Масатака, Такэдо Онисиро, C.S.Draper, H.W. Rookwell.
Анализ литературы показывает, что, несмотря на разнообразие способов автоматизированного управления рабочими процессами автогрейдеров, в настоящее время количество используемых регулируемых параметров ограничено - это изменение толщины срезаемой стружки [3, 106, 111, 113, 136, 143, 144], применение отвала переменной длины [2, 4, 74, 86], изменение передаточного числа трансмиссии, то есть действительной скорости движения.
В подходах к повышению эффективности рабочих процессов, выполняемых автогрейдером, можно условно выделить следующие основные направления:
1) учёт неровностей обрабатываемой грунтовой поверхности;
2) совершенствование конструкции элементов автогрейдера;
3) стабилизация пространственного положения отвала или параметров, связанных с траекторией движения машины;
4) выбор рациональных параметров работы ЗТМ.
Все эти направления в той или иной степени служат для повышения технико-экономических показателей в процессе эксплуатации автогрейдеров.
Другие виды систем помогают оператору в визуализации процессов и принятии управленческих решений, значимо не увеличивая производительности и не снижая психофизическую нагрузку на оператора при управлении рабочим органом [111].
Первое направление связано с учётом неровностей в виде изменения микрорельефа, осуществляемым на основе статистических характеристик, и неоднородностей связанных с изменением физико-механических свойств обрабатываемого грунта [79, 120, 121], изменяющих распределение сил сопротивления, действующих на отвал ЗТМ. Учёт микрорельефа улучшает работу системы, но, несмотря на хорошую изученность этого вопроса [15, 30, 73, 110, 130], микрорельеф, особенно при первом проходе сформированной природой поверхности или после завершения подготовительных работ, зачастую подчиняется своим законам, а полученный математический аппарат имеет больше теоретический, нежели практический интерес, при этом для создания систем автоматического управления рабочим процессом ЗТМ при резании и перемещении грунта силовое воздействие со стороны обрабатываемого грунта должно оцениваться как случайная функция [86].
Второе направление ставит цель варьировать элементы конструкции и исключить изменение параметров рабочего процесса, что приводит к возможности более точного управления вследствие соответствия аппроксимированных параметров реальной машине, а также внесения изменения в конструкцию рабочего органа для максимальной загрузки машины на последнем проходе в процессе планирования. Системы этого направления учитывают некоторые параметры работы автогрейдера и не учитывают внешних воздействий, а изменение длины рабочего органа приводит к уменьшению толщины срезаемой стружки до параметров близких к допускам качества обработки при ручном управлении высотным положением отвалом.
Третье направление связано со стабилизацией пространственного положения отвала в процессе планирования грунта относительно копира, позволяющей добиться достаточной точности готовой поверхности, или получить экономический эффект за счет управления одним оператором группой машин. Данные системы работают при стабильности параметров работы ЗТМ и обрабатываемой поверхности, но при превышении контролируемых параметров над предельно допустимыми, или в результате воздействия внешних факторов, такие системы вынуждены отклониться от копира либо от заданной траектории, что приводит к необходимости дополнительных проходов.
Четвёртое из основных направлений связано с автоматизацией основного рабочего процесса - разработки грунта. При этом желательно, чтобы машина с ограниченным энергетическим (топливным) ресурсом давала бы максимум производительности и качества обрабатываемой поверхности. Требования часто противоречат друг другу, например, качество обработки поверхности и максимальная производительность машины, высокий тяговый коэффициент полезного действия. Поэтому при проектировании систем управления рабочими процессами ЗТМ в ряде случаев выбирают главными один или два основных параметра. Это приводит к многообразию создаваемых систем управления, которые при определенных изменениях параметров, не контролируемых системой управления машины, а также вида и состояния разрабатываемой поверхности теряют оптимальность своего управления рабочими процессами.
К первому из условно выделенных направлений относится работа Щербакова В.С. [134]. Автором выявлены основные закономерности процессов, происходящих в сложной динамической системе при выполнении планировочных и профилировочных работ. Обоснованы некоторые способы борьбы с возмущающими воздействиями на ЗТМ со стороны неровностей микрорельефа. Рассмотрены вопросы, отчасти позволяющие повысить геометрическую точность формируемой земляной поверхности и, по возможности, исключить избыточные повторные проходы ЗТМ по обрабатываемой поверхности. Однако задача повышения производительности ЗТМ с обеспечением высокого качества получаемой после прохода поверхности осталась не решена.
Также к первому направлению можно отнести работу [ПО], посвящённую повышению производительности автогрейдера, выполняющего планировочные работы. Основным результатом работы является исследование автоматизированного автогрейдера на ЭВМ с учётом реакций грунта и его микрорельефа на рабочий орган.
Обоснование принятой расчетной схемы автогрейдера
Математическая модель системы является некоторой идеализацией реального объекта. Важной задачей при разработке математической модели функционирования автогрейдера при резании и перемещении грунта с управлением углом захвата основного отвала является упрощение системы и точное определение текущего местоположения точек приложения результирующих сил сопротивлений, действующих на отвал при разработке грунта в любой момент времени. В результате должна получиться модель, которая наиболее просто, но с требуемой точностью передает свойства изучаемого объекта.
В данной работе рассматривается автогрейдер с колесной формулой 1x2x3 в процессе резания и перемещения грунта в нормалъных рабочих условиях [28, 113]. Это объясняется тем, что автогрейдеры такой конструкции составляют значительную часть от всех эксплуатируемых в нашей стране [28, 86].
Схема сил, действующих на автогрейдер при разработке грунта косо-поставленным отвалом, показана на рисунке 2.1.
В соответствии с данным рассмотрением приняты следующие условные обозначения: Rh R2, R3, R4, s, R6 - нормальные реакции грунта на колёса автогрейдера, кН; Рл, Pfi, Р/з, Р/4, Р/з, Р/б - силы сопротивления качению колес, кН; Т2, Т3, Т5, Т6 - сила тяги, развиваемая каждым ведущим колесом, кН; Ябі, Кб2, Рбз, Рб4, Res, Рбб - боковые реакции грунта на колёса движителя, кН; ид - действительная скорость движения автогрейдера, м/с; М- крутящий момент на центральных полуосях балансиров, кН-м; G - сила тяжести, кН; Рр -сила инерции поступательно движущихся масс, кН; Ррп - продольная составляющая силы сопротивления грунта резанию, кН; Ррв - боковая составляющая силы сопротивления грунта резанию, кН; Ррв - вертикальная составляющая силы сопротивления грунта резанию, кН; Рпрп - продольная составляющая силы сопротивления перемещению грунта, кН; Рпрб - боковая составляющая силы сопротивления перемещению грунта, кН; Рсп - продольная составляющая силы сопротивления скольжению грунта по отвалу, кН; Рсб - боковая составляющая силы сопротивления скольжению грунта по отвалу, кН; a, /z, hp, Ъ, Сх, п, m, d, ra sx, ру, к, t, L - расстояния, определяющие точки приложения соответствующих сил, м.
Принимаем незначащими те параметры, общий учет которых повышает точность математической модели не более, чем на 5%, что не превышает допустимой погрешности экспериментальных исследований [66, 99].
Как показано в работе [78, 81] в качестве таких параметров можно рассматривать следующее. Автогрейдер при работе часто движется по наклонной поверхности и его продольная ось составляет некоторый угол с направлением движения, однако, смещение центра переднего моста относительно оси движения составляет не более 1/4 его колеи. Таким образом, наибольшее значение вышеуказанного угла составит не более 5 [31], и, соответственно, изменение величин линейных размеров и усилий, вызванное указанными отклонениями не превысит 3,5 %.
В работе [133] приведены результаты экспериментальных исследований влияния величины смещения равнодействующей сил сопротивления резанию грунта на тяговые качества автогрейдера. При расположении точки приложения сопротивления резанию грунта в колее машины снижение тяговых показателей составляет менее 3,5 %. В соответствии со схемами работы автогрейдера на основных операциях [99], равнодействующая сопротивления резанию грунта всегда будет расположена в колее с небольшим смещением относительно продольной оси машины.
Значение продольного уклона дороги, рекомендуемое СНиП [103], равно 10 % (6). При таком угле наклона дорожного полотна можно пренебрегать изменением нормальной составляющей веса автогрейдера [117], то есть при работе автогрейдера влияние продольного уклона можно не учитывать.
Рассмотрение не плоского, а криволинейного отвала даёт смещение точки приложения равнодействующих сил сопротивления перемещению грунта и сил сопротивления скольжению грунта по отвалу только в горизонтальной плоскости в сторону приближения к отвалу (из геометрических соображений очень малое [61, 75], что никак не превысит 5 % [78] допустимой погрешности при экспериментальных исследованиях), следовательно, кривизной отвала можно пренебречь.
Процесс резания и перемещения грунта производится, как правило, в нормальных рабочих условиях и режимах, не изменяющихся на протяжении одного прохода, поэтому можно считать, что характеристики колесного движителя не зависят от интенсивности изменения нагрузки [28, 117].
Необходимость учета податливости элементов автогрейдера возникает только при рассмотрении случая встречи рабочего органа с труднопреодолимым препятствием [35], что не соответствует нормальным рабочим условиям и режимам [117]. Таким образом, такой учет может не производиться. Кроме того, вертикальные колебания машины, возникающие из-за неровностей поверхности качения и упругости шин, при движении на рабочих скоростях имеют незначительную величину и могут не учитываться. Возможности таких допущений показаны в работах [45, 78, 81, 98].
Точка, в которой приложены равнодействующая сил сопротивления перемещению грунта и равнодействующая сил сопротивления скольжению грунта по отвалу, смещена относительно точки приложения равнодействующей сил сопротивления резанию грунта, что определено в работах В.И.Баловнева [14], К.П.Севрова [101], В.Ш.Зубкова [44] и А.А.Кононова [56]. В соответствии с рисунком 2.1 расстояния/ , lz, sx определяют её местонахождение в трехмерной системе координат.
Адаптация математической модели автогрейдера для рабочего процесса с поворотом косопоставленного отвала в процессе резания и перемещения грунта достигается учетом текущего перемещения точки приложения равнодействующей сил сопротивления перемещению грунта и равнодействующей сил сопротивления скольжению грунта по отвалу, которое определяется следующими известными и новым уравнениями [22, 60, 61].
Данные зависимости позволяют для любого конкретного расчетного случая резания и перемещения грунта в любой момент времени моделирования, при широком спектре изменения угла захвата отвала автогрейдера, определить текущее изменение местоположения точек приложения равнодействующих сил сопротивления перемещению и скольжению грунта, что дает возможность адаптировать известную математическую модель [78, 81] для исследования рабочего процесса резания и перемещения грунта с текущим изменением угла захвата косопоставленного отвала.
Имитационное моделирование датчика текущего объёма грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ, и системы автоматического управления косопоставленным отвалом автогрейдера в процессе резания и перемещения грунта
С целью определения параметров, необходимых для эффективного реального физического использования датчика текущего объема грунта, разрабатываемого косопоставленным отвалом автогрейдера, необходимо провести имитационное моделирование его работы на ЭВМ.
Как следует из рисунка 3.4, при излишне большом значении длины волны датчик будет иметь низкую чувствительность к измеряемому объему грунта, а при малых значениях длины волны процесс измерения может перейти в зону неоднозначности значений [38, 55].
Поэтому, основными параметрами, которые необходимо определить, являются частота излучаемого сигнала (однозначно связанная с длиной волны X) и размеры излучателя.
Для проведения имитационного моделирования использовались некоторые возможности и меню «оптимизация» [29] программы MMANA-GAL v. 1.2.0.20.
В результате проведения моделирования на ЭВМ было установлено, что целесообразно использовать частоту излучения, равную 144 МГц, относящуюся к разрешенному диапазону, при этом длина излучателя может быть выбрана равной 0,7 м. Кроме того, получен теоретический график (рисунок 3.6) зависимости сопротивления излучения от условий подвеса вибратора, подтверждающий правильность выдвинутых предположений о целесообразности измерения полного сопротивления излучения. Это очевидно из анализа взаимного изменения кривых, характеризующих полное ZA, Ом, и активное RA, ОМ, сопротивление антенны, так как указанные величины находятся не в линейной зависимости. Следовательно, для точного измерения текущего объема грунта, разрабатываемого отвалом, необходимо определять активную и реактивную составляющие сопротивления, а затем вычислять полное сопротивление излучения.
Для получения некоторых технических характеристик рабочего процесса автогрейдера при резании и перемещении грунта косопоставленным отвалом следует провести имитационное моделирование на ЭВМ. Так как в процессе производства земляных работ (в соответствии с [28, 71]) автогрейдеры совершают круговые или челночные движения, важной становится оценка «профиля» получаемого дорожного полотна после прохода автогрейдера при резании и перемещении грунта косопоставленным отвалом с изменением угла захвата в результате автоматизации управления. Для такой оценки необходимо исследовать изменения ширины полосы разработки грунта [23, 119] во времени, так как в случае значительного разброса значений угла захвата отвала, при последующих проходах придётся вынуждено уменьшать ширину получаемой полосы разработки грунта, что отразится на общей производительности работ.
Моделирование на ЭВМ проводилось в пакете SIMULINK программного комплекса MATLAB [54].
В модели предусмотрены следующие операции:
вычисление по входным значениям величины, соответствующей нормальному распределению равнодействующей сил сопротивления грунта перемещению и скольжению по отвалу;
повторение закона нормального распределения блоками временной задержки;
моделирование работы автогрейдера с изменением угла захвата «зх основного отвала;
представление результатов в виде ширины получаемой полосы разработки грунта.
Представленная программа работы автогрейдера с системой автоматического управления основным отвалом в процессе резания и перемещения фунта имеет следующее допущение: изменением скорости поворота отвала от величины сил сопротивления грунта перемещению и скольжению по отвалу можно пренебречь.
Структурная схема имитационной модели, состоящая из четырех модулей [59], представлена на рисунке 3.7.
Входной сигнал для выполнения расчётов генерируется в модуле 1.
Блок Clock 1 задает непрерывно изменяющееся время, которое является переменной н(1) для функции Fen 1. Дисперсия задаётся блоком Constant 1 и служит для функции Fen 1 переменной н(2).
Задаваемое блоком Constant 2 математическое ожидание соответственно используется в функции Fen 1 в качестве переменной и(3). Значения и(1), и(2), п(3) подаются на входы Mux 1, выходной сигнал которого поступает на блок Fen 1. Блок функции вычисляет по входным значениям величину, соответствующую нормальному распределению, и передает ее в модуль 2.
Модуль 2 предназначен для обеспечения повторения закона нормального распределения [69 ,70] с помощью блоков временной задержки Transport Delay 1 - Transport Delay 4 на все время работы программы.
Для исследований задавался относительно небольшой интервал времени в 250 секунд. С точки зрения физической сущности реального процесса считаем, что отсчет временного интервала начинается только с момента преобладания текущих информационных параметров над заданными опорными значениями, то есть когда система автоматического управления вышла на нормальный режим" непрерывного поиска экстремума параметра характеризующего производительность. Сумматор 1 осуществляет сложение отдельных составляющих входного сигнала, соответствующего равнодействующей сил сопротивления, действующих на отвал со стороны грунта.
Для моделирования работы автогрейдера с изменением угла захвата азх отвала используется модуль 3. В этом модуле осуществляется сравнение полученных значений в текущий момент времени и в предыдущий момент времени (предыдущий момент времени обеспечивается блоком задержки Transport Delay 5) блоками сравнения Relational Operator 1 и Relational Operator 2. Результат сравнения ("О" или "1") подается на Mux 2 и Mux 3. Выходной сигнал с мультиплексоров Mux 2 и Mux 3 подается на вход Fen 2 и Fen 3 как переменные и(2). Блоки функций Fen 2 и Fen 3 перемножают сумму (или разность) текущего значения положения угла захвата отвала с величиной Аозх (задающейся блоком Constant 3 и поступающей на Fen 2 и Fen 3 через мультиплексоры Mux 2 и Mux 3 как переменные и(3) и и(1) соответственно), на выходную величину соответствующего блока сравнения.
Сигнал обратной связи о текущем положении угла захвата отвала берется с выхода Saturation 1 и проходит через блоки памяти Memory 1 и Memory 2. Далее эта информация, пройдя через Mux 2 и Mux 3, подается на блоки Fen 2 и Fen 3 как переменные и(1) и (3) соответственно.
На выходе блоков функций (Fen 2 и Fen 3) формируется сигнал, увеличивающий (Fen 2) и уменьшающий (Fen 3) угол захвата отвала на величину Аазх. Выходным является сигнал суммы Fen 2 и Fen 3, получаемый с помощью сумматора 2. Следует отметить, что блок Saturation 1 осуществляет также демпфирование (ограничение) выходного сигнала. Модуль 4 предназначен для удобства представления результатов. Полученный сигнал является "профилем" дорожного полотна по одному борту отвала автогрейдера.
Полученные при моделировании результаты позволяют сделать вывод о том, что разброс значений ширины полосы разработки грунта косопостав-ленным отвалом не превышает 5 %, что на практике сопоставимо с разбросом ширины валика грунта и не приведёт к значительному снижению производительности на очередных проходах за счет уменьшения ширины полосы разработки грунта. Таким образом, результаты имитационного моделирования подтверждают адекватность предложенного подхода к решению задачи повышения производительности ЗТМ за счет применения САУ косопостав-ленным отвалом с управлением углом захвата, а сама программа внедрена в учебный процесс, что подтверждается актом, представленным в приложении А2, Указанные выше новые разработки зарегистрированы в отраслевом фонде алгоритмов и программ, что подтверждено свидетельствами, представленными в приложениях Б1, Б2.
Оценка погрешности результатов измерений
Для подтверждения правильности оценки результатов эксперимента необходимо знать погрешности измерений. Точность измерения исследуемых параметров оценивалась по величине погрешностей, возникающих при обработке данных и тарировке измерительных каналов.
По результатам тарировки определялись текущие значения тариро-вочного коэффициента для каждого измеряемого параметра. В результате статистической обработки массива текущих значений тарировочного коэффициента К] определялось его среднее значение и среднее квадратичное отклонение Qк. В соответствии с [34] величина относительной погрешности тарировочного коэффициента определяется по формуле.
Для разработанной системы погрешность складывается из погрешности измерения действительной скорости и текущего объёма грунта, разрабатываемого рабочим органом.
Составляющие погрешности измерения действительной скорости: угловая скорость и динамический радиус.
Для получения технико-экономических показателей автогрейдера при резании и перемещении грунта с различными способами управления отвалом дополнительно использовался датчик объёмного расхода топлива, секундомер и лазерный дальномер.
При измерении объёмного расхода топлива величина погрешности тарировки принята равной погрешности измерений датчика расхода топлива ДРТ 5, то есть ETG = 1 % [142].
Паспортная относительная погрешность лазерного дальномера равна 0,025 %.
Измерение временных интервалов проводилось секундомером с абсолютной погрешностью 0,1 с. Рассчитаем по (4.14) максимальную относительную погрешность для случая минимального времени резания и перемещения равного 62,5 с:
Е=—100% - 0,16 %. (4.23) 62,5
Погрешность измерений при определении технико-экономических показателей автогрейдера при резании и перемещении грунта с различными способами управления отвалом равна: mM= E2G+E2L+Ef =1,50I %. (4.24)
При проведении эксперимента также использовались датчик теоретической скорости и тензодатчик.
Погрешность при измерении теоретической скорости примем равной погрешности действительной скорости, т.к. датчики и измерительные каналы одинаковые: Е = Е2Тгг+Е2АЦ1 + Е2Гд (4.25)
Погрешность при измерении силы тяги складывается из погрешности тензодатчика (2 %) и АЦП и равна: Ет= Е2п+Е2АЦП =2,001 % (4.26)
Анализ расчёта погрешностей показывает достаточную для инженерных расчётов точность.
