Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы, цель и задачи исследования 18
1.1 Общие сведения 18
1.2 Современное состояние исследований в области управления процессами разработки грунта землеройно-транспортными машинами 23
1.3 Способы дистанционного управления строительными и дорожными машинами 54
1.4 Применение информационных параметров для повышения эффективности землеройно-транспортных машин и безопасности жизнедеятельности оператора 60
Выводы 64
Цель и задачи исследований 65
2 Аналитическое описание и математическое моделирование процесса разработки грунта отвалом землеройно-транспортнои машины 67
2.1 Математическая модель землеройно-транспортнои машины при разработке грунта отвалом 67
2Л. 1 Обоснование принятой расчетной схемы землеройно- транспортнои машины 67
2 Л .2 Функциональные зависимости сил и реакций, действующих на машину в процессе разработки грунта 71
2.1.3 Уточнения математической модели землеройно- транспортнои машины при разработке грунта отвалом 83
2.1.4 Моделирование процесса разработки грунта отвалом землеройно-транспортной машины 94
2.2 Результаты аналитического исследования работы землеройно- транспортной машины при разработке грунта отвалом 99
Выводы 107
Управление рабочим органом землеройно- транспортной машины в процессе копания грунта 109
3.1 Структурная схема и алгоритм управления процессом копания грунта 109
3.2 Методы измерения текущего объема грунта, перемещаемого перед отвалом землеройно-транспортной машины 119
3.2.1 Общие положения измерения текущего объема перемещаемого грунта 119
3.2.2 Теоретические и физические основы измерения текущего объема перемещаемого грунта 124
3.2.3 Математическое моделирование измерения текущего объема перемещаемого грунта и определение исходных данных для практической реализации 129
3.3 Методы измерения физико-механических свойств разрабатываемого грунта 132
3.3.1 Научные основы измерения физико-механических свойств разрабатываемого грунта и определение исходных данных для практической реализации 132
3.3.2 Схемное решение измерителя физико-механических свойств грунта и экспериментальное определение отражающих характеристик распространенных типов обрабатываемых поверхностей 156
3.3.3 Особенности экспериментального определения физико-механических характеристик разрабатываемого грунта 169
3.4 Сравнительный анализ эффективности работы землеройно-транспортной машины с различными системами управления рабочим органом в процессе разработки грунта 178
3.5 Принципиальные схемы реализации системы управления отвалом землеройно-транспортной машины 181
Выводы 196
Управление рабочим органом землеройно- транспортной машины при планировании грунта 200
4.1 Теоретические основы процесса сброса грунта
с косопоставленного отвала в боковой валик 200
4.2 Структурная схема и алгоритм управления рабочим органом землеройно-транспортной машины при планировании грунтовой поверхности 204
4.3 Моделирование процесса планирования грунтовой поверхности 208
Выводы 213
Дистанционное управление землеройно- транспортными машинами 214
5.1 Научные основы построения системы дистанционного управления землеройно-транспортными машинами 214
5.2 Структурные схемы системы индивидуального дистанционного управления землеройно-транспортными машинами 227
5.3 Моделирование работы канала дистанционного управления землеройно-транспортными машинами 230
5.4 Разработка системы группового дистанционного управления землеройно-транспортными машинами 232
5.4.1 Научные основы создания системы следящего дистанционного управления землеройно-транспортными машинами 233
5.4.2 Техническая реализация системы следящего дистанционного управления землеройно-транспортными машинами 242
Выводы 247
6 Экспериментальные исследования работы землеройно-транспортных машин с системой автоматического управления отвалом 250
6.1 Цели и задачи экспериментальных исследований 250
6.2 Методика проведения экспериментальных исследований 251
6.3 Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 257
6.3.1 Определение необходимого числа опытов 257
6.3.2 Оценка погрешностей результатов измерений 259
6.4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ 262
6.4.1 Определение тяговой характеристики землеройно-транспортной машины 262
6.4.2 Экспериментальное обоснование выбора варианта реализации измерителя текущего объема грунта перемещаемого отвалом землеройно-транспортной машины 267
6.4.3 Оценка работоспособности информационных датчиков с помощью информационно-измерительной системы 268
6.4.4 Оценка возможности применения измерителя текущего объема перемещаемого грунта для различных землеройно-транспортных машин 270
6.4.5 Исследование показателей функционирования землеройно-транспортных машин в процессе разработки грунта в полевых условиях 273
6.4.6 Сравнительные испытания работы землеройно- транспортных машин при ручном и автоматическом режимах управления отвалом 275
Выводы 282
7 Технико-экономическая эффективность разработки грунта с системами автоматического управления рабочим органом и дистанционного управления землеройно-транспортными машинами 287
7.1 Общие положения 287
7.2 Методика расчета технико-экономической эффективности землеройно-транспортных машин с системой автоматического управления отвалом при разработке грунта 288
7.3 Результаты расчета и анализ технико-экономической эффективности землеройно-транспортных машин 292
Выводы 295
Основные выводы и результаты 298
Список использованных источников
- Современное состояние исследований в области управления процессами разработки грунта землеройно-транспортными машинами
- Уточнения математической модели землеройно- транспортнои машины при разработке грунта отвалом
- Теоретические и физические основы измерения текущего объема перемещаемого грунта
- Структурная схема и алгоритм управления рабочим органом землеройно-транспортной машины при планировании грунтовой поверхности
Введение к работе
Экономическая стратегия страны нацелена на значительное повышение производительности труда за счет ускорения научно-технического прогресса, коренных преобразований в технике и технологии, мобилизации всех технических, организационных, экономических и социальных факторов [155]. В настоящее время проводится политика дальнейшей индустриализации строительного производства, ускорения создания и внедрения прогрессивной технологии, систем машин и механизмов, обеспечивающих комплексную механизацию строительных и монтажных работ. Основным средством индустриализации строительного производства выступает его комплексная механизация, основными задачами которой являются повышение производительности труда и технического уровня строительного производства, освобождение человека от выполнения тяжелых, трудоемких и утомительных операций, снижение себестоимости и улучшение качества строительной продукции [155].
Развитием строительного и дорожного машиностроения в значительной степени определяется решение таких узловых проблем строительства, как повышение качества выполняемых работ, увеличение их темпов без прироста ресурсов, сокращение ручного труда [226].
Использование машин в настоящее время требует более строгой совместной оценки экологических последствий и ожидаемого экономического эффекта. Машины с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) являются источниками загрязнения атмосферы вредными веществами. Например, один час работы ДВС может выделить такое количество оксида углерода, которого достаточно для на-сыщения около 10 млн. м воздуха [134]. Для снижения наносимого вреда атмосфере необходимо добиваться максимально возможной эффективности эксплуатации техники, в том числе строительных и дорожных машин.
Комплексная механизация строительства, к которой необходимо стремиться, подразумевает полное оснащение строительства машинами и средствами механизации и автоматизации строительства [155].
Строительству свойственно большое разнообразие объектов и условий проведения работ, а, следовательно, и широкая номенклатура строительных и дорожных машин (СДМ) и оборудования.
На современном этапе научно-технического прогресса, сопровождающемся развитием производственных сил, внедрением новой техники, предъявляются повышенные требования к землеройно-транспортным машинам (ЗТМ), с помощью которых выполняется большая часть земляных работ [145] в строительстве. При этом объем земляных работ достигает 80 % от общего объема строительных работ [155]. ЗТМ осуществляют послойную разработку и перемещение грунта во время движения с целью придания поверхности определенных продольных и поперечных уклонов, при этом основными рабочими процессами являются копание и планирование грунта [155]. Следует отметить, что процесс копания состоит из резания грунта, то есть отделения части грунта от массива за счет контактного силового воздействия рабочего органа ЗТМ, и перемещения вырезанного грунта, как правило, с одновременным отводом (сбросом) его в боковой валик в случае работы косопоставленным отвалом (наиболее свойственно рабочему процессу автогрейдера или универсального бульдозера) или последующей отсыпкой грунта (характерно для работы бульдозера с неповоротным отвалом) или выгрузкой грунта в сооружение или отвал (соответствует рабочему процессу скрепера). При этом [155] по характеру рабочего процесса, составу технологических операций и последовательности их выполнения земляные сооружения делятся на выемки и насыпи.
Землеройно-транспортные машины широко применяются в промышленном и гражданском строительстве, горнорудной промышленности, дорожном строи-
тельстве и так далее [226]. Повышение производительности при производстве работ и улучшение условий труда оператора может быть достигнуто за счет совершенствования систем управления и автоматизации управления технологическими процессами [145], при этом снижается удельный расход топлива, а, следовательно, загрязнение окружающей среды и улучшается качество получаемой поверхности земляного полотна обработки. Кроме того, важным является развитие систем дистанционного радиоуправления, позволяющих уберечь оператора от вредных для здоровья или опасных для жизни условий проведения работ.
Исследования в области возможностей автоматизации рабочих процессов и дистанционного управления ЗТМ проводились многими учеными в различных странах мира. Однако проблема построения высокоэффективной системы автоматизации ЗТМ остается открытой, так как среди известных систем автоматического управления (САУ) рабочими органами отсутствует управление по прямому параметру эффективности с учетом затрат на энергоноситель и с самостоятельной автоматической подстройкой при изменении грунтовых условий, кроме того, САУ, ориентированные на планирование грунта, не обеспечивают одновременно получение хорошего качества поверхности и высокой эффективности использования тяговых качеств ЗТМ, а большое разнообразие технологических процессов не позволяет применять для ЗТМ известные в технике средства радиоуправления.
Для решения проблемы требуется применение новых информационных технологий, которые позволят перейти к управлению по прямому параметру эффективности с учетом затрат на энергоноситель, обеспечат создание современной САУ рабочими органами ЗТМ с автоматической оценкой изменения грунтовых условий, унифицировать САУ с точки зрения возможности одновременного достижения высоких показателей эффективности работы и качества получаемой поверхности, разработать комплексное решение проблемы повышения эффективности использования ЗТМ и безопасности жизнедеятельности оператора за счет ав-
томатизации управления рабочим органом и дистанционного управления ЗТМ.
Повышение эффективности рабочих процессов ЗТМ за счет разработки новых информационных технологий для автоматизации и дистанционного управления ЗТМ с целью увеличения результативности производства работ и повышения безопасности жизнедеятельности оператора в настоящее время является самостоятельным научным направлением. Современное развитие науки и техники позволяет выйти на качественно новый уровень управления технологическими процессами ЗТМ. В данном исследовании принципиальными отличиями от традиционных разработок являются управление по максимуму эффективного мгновенного коэффициента полезного действия (КПД) ЗТМ с автоматическим учетом затрат на энергоноситель и самоподстройкой при изменении свойств разрабатываемого грунта, возможность применения САУ для различных операций разработки грунта ЗТМ, а также комплексное решение проблемы повышения эффективности рабочих процессов ЗТМ и безопасности жизнедеятельности оператора.
Актуальность темы. Вопросам повышения эффективности управления ЗТМ за счет средств автоматизации рабочих процессов посвящено много теоретических и экспериментальных работ, выполненных как в России, так и за рубежом. Однако возникающие сложности выбора информационных параметров из-за отсутствия обоснованного преимущества какого-либо параметра над другими, а также ограниченность средств их измерения затрудняют создание эффективного, выпускаемого промышленностью, устройства управления разработкой грунта. Кроме того, интенсификация рабочих процессов не является единственным направлением автоматизации ЗТМ. Не менее важным является развитие систем дистанционного радиоуправления, позволяющими наряду с повышением экономической эффективности труда уберечь оператора от вредных для здоровья или опасных для жизни условий проведения работ.
Проблема повышения эффективности использования ЗТМ и безопасности
жизнедеятельности оператора является вполне разрешимой в случае одновременного использования систем автоматического управления рабочими процессами (что приводит к значительному уменьшению психофизической нагрузки на оператора) и дистанционного радиоуправления машиной (что позволяет уберечь оператора от работы в опасных для жизни или вредных для здоровья условиях).
Одним из основных направлений развития ЗТМ является создание машин повышенной единичной мощности и производительности. Во многих случаях ЗТМ при ручном управлении работает в режиме, который характеризуется большими величинами коэффициента буксования и низкими значениями тягового коэффициента полезного действия, что не обеспечивает максимум производительности ЗТМ. Увеличение эксплуатационной производительности при одновременном снижении удельного расхода топлива может быть достигнуто за счет рационального выбора параметров технологического процесса с помощью устройств автоматического управления, при этом снижаются психофизические нагрузки на оператора ЗТМ.
Известные системы автоматического управления рабочим органом являются, в основном, опытными образцами и не поддерживают производительность ЗТМ на максимальном уровне.
Таким образом, повышение эффективности рабочих процессов ЗТМ и безопасности жизнедеятельности оператора за счет разработки и применения новых информационных технологий для автоматизации и дистанционного управления ЗТМ является важной и актуальной проблемой.
Основные результаты исследований получены на основе анализа возможностей повышения эффективности использования ЗТМ и безопасности жизнедеятельности оператора для режимов разработки грунта, широко распространенных в различных отраслях строительства, и могут быть применены для многих машин строительного комплекса.
Цель работы - развитие научных основ повышения эффективности работы ЗТМ с использованием средств и методов информационных технологий. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
установить закономерности, определяющие местоположение точек приложения равнодействующих сил сопротивления, возникающих при разработке грунта отвалом, на основе которых уточнить математическую модель пространственной системы «ЗТМ - разрабатываемый грунт»;
разработать способ управления рабочим органом ЗТМ в процессе разработки грунта, основанный на определении текущего эффективного КПД машины и учитывающий изменения физико-механических свойств грунта;
теоретическим путем установить взаимосвязь геометрических параметров установки отвала с физико-механическими характеристиками грунта, описывающую условие сброса грунта с косопоставленного отвала, при котором начинается скольжение перемещаемого грунта по отвалу в горизонтальной плоскости перпендикулярно продольной оси машины;
разработать новый способ управления отвалом ЗТМ, использующий в качестве управляющего воздействия изменение угла захвата отвала;
разработать технические средства, позволяющие реализовать новые методы измерения физико-механических свойств и текущего объема грунта перемещаемого отвалом ЗТМ, и создать систему управления рабочим органом, основанную на экстремальном управлении по параметру эффективного КПД машины;
обосновать способы построения систем индивидуального и группового дистанционного управления ЗТМ, провести экспериментальные исследования макета радиоуправления с целью оценки точности определения местоположения ЗТМ;
экспериментальным путем определить технико-экономические показатели эффективности функционирования ЗТМ в процессе разработки грунта, обо-
рудованной системой управления отвалом по эффективному КПД машины.
Научная новизна работы заключается в разработке методологии оптимального управления рабочими процессами ЗТМ. Методология включает:
разработку уточненной математической модели пространственной системы «ЗТМ - разрабатываемый грунт», учитывающей выявленные закономерности, определяющие местоположение точек приложения равнодействующих сил сопротивления, возникающих при разработке грунта отвалом;
установление основных информационных параметров, необходимых для эффективного управления разработкой грунта, и определение способов измерения физико-механических свойств и текущего объема грунта, перемещаемого отвалом ЗТМ;
выявление взаимосвязи геометрических параметров установки отвала с физико-механическими характеристиками грунта, описывающей условие сброса грунта с косопоставленного отвала, при котором начинается скольжение перемещаемого грунта по отвалу в горизонтальной плоскости перпендикулярно продольной оси машины;
разработку способа управления отвалом ЗТМ в процессе разработки грунта, основанного на определении текущего значения эффективного КПД машины и учитывающего влияние физико-механических свойств грунта;
научное обоснование способов построения систем индивидуального и группового дистанционного управления ЗТМ с использованием функций Уолша и выделением системы ориентации машин в отдельную подсистему;
установление закономерностей совместного использования системы управления рабочим органом и системы следящего дистанционного управления ЗТМ, позволяющих повысить производительность ЗТМ и безопасность жизнедеятельности оператора;
разработку способа управления отвалом ЗТМ по параметру эффективного КПД машины на основе использования в качестве управляющего воздейст-
вия изменения угла захвата отвала.
Практическое значение работы:
разработаны алгоритмы управления отвалом ЗТМ в процессе разработки грунта по параметру текущего эффективного КПД машины и технические средства для их практической реализации;
разработана имитационная модель, позволяющая определять параметры работы динамической системы «ЗТМ - устройство управления рабочим органом», при этом математическое ожидание производительности ЗТМ при моделировании процесса разработки грунта с управлением по эффективному КПД машины на 8,6 % больше, чем при работе с управлением по производительности;
разработана физическая модель системы дистанционного управления ЗТМ с использованием функций Уолша, экспериментальная проверка которой показала, что ошибка определения местоположения составляет не более 1,8 %;
создана система управления отвалом ЗТМ по параметру эффективного КПД машины, учитывающая изменения физико-механических свойств грунта, применение которой позволило увеличить техническую производительность на 22,9 % и снизить удельный расход топлива на 13,1 %, при этом для комплексного управления разработкой грунта отвалом предусмотрена возможность переключения с исполнительного механизма управления толщиной срезаемой стружки на исполнительный механизм управления углом захвата отвала.
На защиту выносятся:
математическая модель пространственной системы «ЗТМ - разрабатываемый грунт», учитывающая закономерности, определяющие местоположение точек приложения равнодействующих сил сопротивления, возникающих при разработке грунта отвалом;
способы и алгоритмы управления отвалом ЗТМ в процессе разработки грунта, основанные на определении текущего значения эффективного КПД машины и учитывающие влияние физико-механических свойств грунта;
результаты исследований работы системы «ЗТМ - устройство управления рабочим органом» при имитационном моделировании процесса разработки грунта с управлением по эффективному КПД машины и по производительности;
способы построения систем дистанционного управления ЗТМ с выделением системы ориентации в отдельную подсистему, и закономерности совместного использования системы управления рабочим органом и системы следящего дистанционного управления ЗТМ;
результаты экспериментальных исследований ЗТМ с системой управления рабочим органом по параметру эффективного КПД машины.
Реализация работы. Результаты работы внедрены в ОАО «Брянский Арсенал» (г. Брянск), ОАО «Воронежавтодор» (г. Воронеж), ООО «Липецк-Автобан» (г. Липецк), ОАО «Рудгормаш» (г. Воронеж), в подразделениях главного управления автомобильных дорог «Воронежупрдор».
Результаты работы используются в ГОУ ВПО ВГАСУ при подготовке инженеров по специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».
Достоверность. Достоверность полученных результатов обеспечена проведением анализа проблемы и применением аналитических, теоретических и экспериментальных исследований, методов математической статистики при планировании экспериментов и обработке их результатов, использованием методов высшей математики, акустики, радиофизики, теоретической механики и адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: международной научно-технической конференции «Интерстроймех» (г. Воронеж, 1998 г.); конференции, посвященной итогам работы межвузовской научно-технической программы «Архитектура и строительство» за 1993 - 1997 гг. (г. С.-Петербург, 1997 г.); VII международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля при-
родной среды, материалов и промышленных изделий» (г. Череповец, 1997 г.); всероссийской научно-технической конференции «Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация» (г. Воронеж, 1997 г.); юбилейной международной научно-практической конференции «Строительство-99» (г. Ростов н/Д, 1999 г.); V, VI, VIII, IX, X, XI, XII международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 1999,2000, 2002, 2003,2004, 2005, 2006 гг.); VIII, IX, XI, XIII международных научно-технических конференциях «Информационная среда ВУЗа» (г. Иваново, 2001, 2002, 2004, 2006 гг.); межотраслевой научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития архитектурно-строительного комплекса» (г. Воронеж, 2006 г.); II международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (г. Орел, 2006 г.); ежегодных научно-технических конференциях ВГАСУ 1995 - 2006 гг.; заседаниях кафедры транспортных машин ВГАСУ.
Исследования проведены в рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма 211 «Архитектура и строительство».
Публикации. По теме диссертации опубликована 71 печатная работа, в том числе: 21 в изданиях, аккредитованных ВАК РФ для докторских диссертаций, из них 19 в соответствии с перечнем, действующим с 1.01.2007 г.; 20 статей в трудах конференций; 2 тезиса докладов на конференциях; 3 патента РФ на изобретение и 1 патент РФ на полезную модель; 4 разработки зарегистрированы в отраслевом фонде алгоритмов и программ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, основных выводов и результатов, списка использованных источников из 302 наименований, 5 приложений. Работа изложена на 385 страницах, в том числе 288 страниц машинописного текста, 116 рисунков, 9 таблиц.
Современное состояние исследований в области управления процессами разработки грунта землеройно-транспортными машинами
Интенсификация процессов разработки грунта ЗТМ может быть достигнута с помощью систем автоматического управления, которые условно разделяются на три группы [254].
К первой группе относятся системы стабилизации различных параметров (например, устройства получения заданного профиля обрабатываемой поверхности за счет стабилизации угла поперечного наклона ножа автогрейдера или контроля высотного положения отвала ЗТМ по копирному устройству), а также системы поддержания одного из косвенных параметров (частоты вращения выходного вала двигателя; силы тяги; скорости движения машины; буксования; усилия, действующего на отвал) на заданном уровне, который при определенных условиях соответствует максимуму тяговой мощности.
Ко второй группе относятся системы непрерывного поиска максимума какого-либо информационного параметра (например, тяговой мощности, определяемой по силе тяги и действительной скорости движения машины). Этой группе систем управления, как и некоторым системам из первой группы, присущи непрерывные колебательные перемещения рабочего органа.
Более совершенными с точки зрения получения хороших планирующих качеств устройствами управления являются системы непрерывного поиска экстремума с последующей его стабилизацией, относящиеся к третьей группе. В качестве информационных параметров в данных системах используются как первичные - сила тяги, действительная скорость движения машины, объем грунта перед отвалом, так и производные - тяговая мощность, мгновенная производительность. Эти системы так же могут быть построены по принципу поиска экстремума производного информационного сигнала с последующим его запоминанием (так называемый «метод обучающей ходовой характеристики» [254]). Данные системы могут работать совместно с устройствами первой группы, которые обеспечивают получение заданного профиля обрабатываемой поверхности.
Примером устройств стабилизации различных параметров может служить гидромеханическая система управления положением рабочего органа землеройно-транспортной машины [23], разработанная в Сибирском автомобильно-дорожном институте.
На рисунке 1.1 схематично изображена гидромеханическая система управления, содержащая гидрораспределитель 1, закрепленный на выносном кронштейне 2 посредством устройства 3 регулирования по высоте. Щуп 4 распределителя взаимодействует с копиром 5. Распределитель состоит из корпуса 6, в котором установлены золотник и толкатель, связанные между собой посредством винтового соединения, при этом толкатель выполнен с гранями, а золотник - с торцовым шлицом.
Устройство работает следующим образом. При движении машины щуп скользит по копиру. При отклонении рабочего органа машины от заданного положения щуп поворачивает валик 12, в результате чего перемещается толкатель 8 и смещает золотник из нейтрального положения, при этом рабочая жидкость поступает в исполнительный гидроцилиндр, происходит либо подъем, либо опускание рабочего органа до установки в заданное положение.
Очевидным недостатком системы является необходимость изменения установки копира для каждого г -го прохода.
К этой же группе относится устройство для регулирования положения рабочего органа автогрейдера [14] (рисунок 1.2), которое содержит по обоим краям рабочего органа 1 на вертикальных штангах индукционные датчики 2, 3 и 4, 5. Датчики 2 и 4 являются сигнальными и расположены в поперечно-вертикальной плоскости. Датчики 3 и 5 являются опорными и расположены вертикально. На основной раме 6 автогрейдера установлены индукционные датчики 7 и 8 продольного наклона оси машины. Сигнальный датчик 7 расположен в продольно-вертикальной плоскости параллельно плоскости петлевой антенны 9, а опорный датчик 8 - перпендикулярно плоскости петлевой антенны. Провод петлевой антенны 9 устанавливается на стойках параллельно требуемым отметкам. Высота установки датчиков 2, 3 и 4, 5 выбирается таким образом, чтобы сигнальные датчики 2 и 4 лежали в плоскости петлевой антенны 9. Рабочий орган 1 автогрейдера механически связан с левым гидроцилиндром 10 и правым гидроцилиндром 11.
Устройство работает следующим образом. Через горизонтально расположенный провод петлевой антенны 9 непрерывно пропускается переменный электрический ток. Под действием индукции магнитного поля, создаваемого проходящим через петлевую антенну током, в индукционных датчиках 2-8 возникает переменная ЭДС той же частоты, что и ток в проводе антенны. С выходов индукционных датчиков сигналы в виде электрического напряжения поступают на соответствующие входы амплитудно-фазовых детекторов.
Уточнения математической модели землеройно- транспортнои машины при разработке грунта отвалом
Теоретическое рассмотрение работы автогрейдера в тяговом режиме может быть представлено как описание двух основных явлений: взаимодействия рабочего органа с разрабатываемым грунтом и взаимодействия колесного движителя с опорной поверхностью.
С целью дополнительного уточнения модели рассмотрим поведение массива грунта перед поворотным отвалом автогрейдера.
В литературе по строительным и дорожным машинам [155, 207, 247, 148, 259, 62, 246] обычно форму грунта перед отвалом называют призмой, что полностью соответствует разработке грунта прямым отвалом. Из геометрических соображений призма - это многогранник, две грани которого (основания) являются равными многоугольниками, расположенными в параллельных плоскостях, а другие грани (боковые) - параллелограммы. Однако в [46, 216, 89] показано, что точка, в которой приложены равнодействующая сил сопротивления перемещению грунта и равнодействующая сил сопротивления скольжению грунта по косопоставленному отвалу автогрейдера, смещена относительно точки приложения равнодействующей сил сопротивления резанию грунта. Таким образом, форма вырезанного грунта (при угле захвата не равном нулю и при малых углах зарезания, стремящихся к нулю) скорее представляет собой один из вариантов неправильной пирамиды.
В работе [235] отмечалось, что в первом приближении форма грунта перед косопоставленным рабочим органом автогрейдера представляет собой неправильную пирамиду с прямым углом между двумя боковыми гранями (так как криволинейностью отвала при перемещении по нему грунта допустимо пренебрегать [89]), одна из которых лежит на горизонтальной поверхности, а другая касается отвала.
Известно, что центр тяжести такой пирамиды (рисунок 2.3) лежит на прямой, соединяющей центр основания с вершиной, на расстоянии 1/4 этой прямой от основания.
Центр основания находится на пересечении медиан треугольника на расстоянии 2/3 от вершины. Тогда из рисунка 2.3 можно через расстояния/? и \ определить местоположение точки приложения сил сопротивления перемещению грунта и сил сопротивления скольжению грунта по отвалу: где р - расстояние от точки приложения равнодействующей силы сопротивления резанию грунта до точки приложения равнодействующей сил сопротивления перемещению грунта и сил сопротивления скольжению грунта по отвалу, м; В0= В-sinазх - ширина полосы разработки грунта всем отвалом, м; _ Н, 3 _И1 _ I (2.49) = 0,25-Ни 3 4 4 При этом по физическому смыслу величины tx и Нj могут быть определены следующим образом: l=-hp, (2.50) Hj=H-hP, (2.51) где і — расстояние от нижней точки отвала до точки приложения равнодействующей сил сопротивления перемещению грунта и сил сопротивления скольжению грунта по отвалу, м.
Однако основанием пирамиды грунта перед косопоставленным отвалом автогрейдера в реальном рабочем процессе служит скорее трапеция [113] (рисунок 2.4), так как приведенный пример (с треугольником в основании пирамиды) является лишь частным случаем, применимым к сыпучим грунтам с низкой вязкостью и влажностью.
Тогда для определения величины 2 может использоваться формула для нахождения центра тяжести трапеции, лежащей в основании пирамиды грунта: Н, а + 2Ь 2= Т г- (2-52) 3 а + Ь
Высота точки приложения равнодействующих сил сопротивления перемещению грунта и сил сопротивления скольжению грунта по отвалу равна 1=- 2. (2.53)
Для анализа и последующего компьютерного моделирования работы автогрейдера в тяговом режиме рассмотрим некоторые частные случаи поведения трапеции в основании пирамиды грунта перед косопоставленным отвалом. В пределе можно предположить следующие варианты: Ъ = 0, а - b, а = 2Ь.
В первом варианте трапеция вырождается в треугольник и расстояние , определяется по формуле (2.49), что соответствует [235].
Во втором варианте, теоретически возможном при взаимодействии рабочего органа с вязкими влажными грунтами, обладающими малой сыпучестью, расстояние, характеризующее высоту точки приложения равнодействующих сил сопротивления перемещению грунта и сил сопротивления скольжению грунта по отвалу, будет определяться выражением: li=J Y = JHi= 75-Hi. (2.54)
Результаты, подобные (2.54), могут быть получены применительно к различным моделям набора грунта в виде тел перемещения с симметричными основаниями - пирамиды с большим числом граней и соответствующими правильными многоугольниками в основании. Такие пирамиды при неограниченном увеличении числа граней в пределе переходят в конус грунта.
Особый интерес представляет третий вариант поведения трапеции в основании пирамиды грунта перед основным косопоставленным отвалом автогрейдера, свойственный, по-видимому, наиболее частой реальной ситуации
Теоретические и физические основы измерения текущего объема перемещаемого грунта
В представленном на рисунке 3.6 варианте построения до заполнения зоны действия датчика измеряемой средой колебательный контур автогенератора гармонических колебаний настраивается на частоту кварцевого гетеродина приемного устройства. На выходе смесителя и, соответственно, усилителя формируется сигнал с нулевой разностной частотой, которая, например, отображается частотомером. При приближении измеряемой среды к передающей антенне (или в данном случае - изменении объема грунта), происходит изменение электрических параметров цепи колебательного контура автогенератора, которое приводит к изменению резонансной частоты колебаний, которые излучаются передающей антенной. Сигнал передатчика, принятый приемной антенной, поступает на вход смесителя. Низкочастотная составляющая разности частот полезного сигнала и сигнала кварцевого гетеродина выделяется фильтром нижних частот и усиливается усилителем низкой частоты. На выходе усилителя формируется сигнал различной частоты, поступающий, например, на вход частотомера, по показаниям которого судят об объеме (или уровне) измеряемой среды.
В третьем случае [195] высокочастотный измеритель уровня или объема (рисунок 3.7) содержит автогенератор гармонических колебаний, индикатор фазы [260] и передающую антенну.
До заполнения зоны действия датчика измеряемой средой (объем перемещаемого грунта равен нулю) антенный контур настраивается на полное согласование, то есть отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. При приближении измеряемой среды (изменении объема грунта, перемещаемого перед отвалом) к излучающей антенне, расположенной параллельно поверхности измеряемой среды, происходит изменение электрических параметров кон тура антенны, приводящее к сдвигу фаз между током и напряжением на входе индикатора фазы. По показаниям индикатора фазы судят об уровне измеряемой среды (объеме грунта).
Структурная схема сверхрегенеративного измерителя уровня или объема [214] приведена на рисунке 3.8. Сверхрегенеративный измеритель состоит из сверхрегенеративного детектора-преобразователя [215], к колебательному контуру которого подключен чувствительный элемент в виде антенны.
Устройство работает следующим образом. До заполнения зоны действия датчика измеряемой средой частота автосуперизации соответствует некоторому начальному значению по сопротивлению антенны. Частота колебаний при использовании колебательного контура открытого типа выбирается соответствующей оптимальной длине волны для конкретной высоты подвеса, что дает возможность расширять зону чувствительности и получать в результате интегральный показатель, соответствующий объему грунта, перемещаемому перед рабочим органом ЗТМ в каждый момент времени. При приближении измеряемой среды (в нашем случае - изменении объема перемещаемого рабочим органом ЗТМ грунта) к антенне, расположенной параллельно поверхности измеряемой среды и представляющей собой электрический линейный излучатель, происходит непрерывное изменение активной составляющей сопротивления антенны, приводящее к непрерывному изменению частоты автосуперизации сверхрегенеративного детектора-преобразователя. Изменение частоты напрямую зависит от расстояния между антенной и измеряемой средой (или в данном рассмотрении - от изменения объема грунта, перемещаемого рабочим органом). По частоте судят об уровне или объеме измеряемой среды. Последовательность импульсов с переменной частотой может подаваться в качестве непрерывного информационного сигнала на вход автоматической системы управления технологическими процессами, или, в упрощенном варианте, на вход частотомера для визуального наблюдения за непрерывно измеряемым уровнем (или объемом) различных физических сред.
Несмотря на очевидные различия в физических принципах работы четырех вариантов датчика объема грунта разрабатываемого ЗТМ, они основываются на законах влияния земной поверхности на сопротивление излучения передающей антенны или на степень поглощения землей излучаемого сигнала. В связи с этим необходимо провести теоретические исследования с целью выбора некоторых характеристик измерителя.
Структурная схема и алгоритм управления рабочим органом землеройно-транспортной машины при планировании грунтовой поверхности
С целью повышения точности измерений в качестве поляризационного расщепителя отраженного сигнала (на рисунке 3.24 изображен вид спереди) применено турникетное соединение 6 вместе с элементами согласования 5. В плечах турникета А и В имеются короткозамыкающие поршни 4, которые обеспечивают его настройку на ортогонально круговое разложение поля принимаемого сигнала [201]. К плечам турникета С и D подключены детекторные секции, предварительно откалиброванные на одинаковые коэффициенты передачи. Выходы секций 1 соединены с индикатором-измерителем 2 огибающих ортогонально поляризованных компонент отраженной волны, информация о которых используется в алгоритме отслеживания изменений физико-механических свойств разрабатываемого грунта.
Расстояние от излучателя до зондируемой поверхности должно обеспечивать плоский фронт падающей на нее волны. Источник волны с круговой поляризацией направляется к поверхности под некоторым углом 9, при котором влияние прямого луча и боковых лепестков на приемную антенну было бы минимальным.
Приемная антенна закрепляется в направлении зеркального отражения падающей волны. При помощи индикатора 2 измеряются значения амплитуд ортогональных компонент Ел и Епр. При круговой поляризации поля излучения фазовый сдвиг между компонентами отраженной волны с учетом фазового сдвига в поляризационном преобразователе равен д0 = пп, где п = 0, 1,2, ... и расчетная формула для определения є принимает вид (3.66). По известному значению угла в и измеренному коэффициенту q = Ел/ Епр отраженного сигнала в алгоритме рассчитывается величина є. Погрешность измерения s определяется в основном ошибкой, допущенной при калибровке поляризатора и индикатора - измерителя, которая в эксперименте не превышала 0,8 - 1,2%.
Для определения є и а земной поверхности поляризационным методом в случае обратного отражения использовалась экспериментальная установка совмещенного типа (то есть при радиолокационных измерениях - передатчик и приемная часть находятся в одной «точке»), позволяющая измерять амплитуды ортогонально-круговых компонент с левым Ел и правым Епр направлениями вращения вектора поля, а также разность фаз между ними (схема подобна изображенной на рисунке 3.18). Для этой цели в приемно-измерительное устройство введено частотное преобразование несущей частоты в промежуточную f„p = 30 МГц и применено фазовое детектирование, позволяющее определить параметр до.
Измерения проводились для грунтов различной структуры и влажности (сухая и влажная земля, чернозем, песок, суглинки и т.д.) на волне 3,2 см. Многочисленные измерения параметров q и до для каждого вида отражающих поверхностей позволили с учетом формул (3.47), (3.48) получить усредненные значения параметров є и а, удовлетворительно совпадающие с расчетными значениями и данными, приводимыми в технических справочниках и лежащие в пределах: - для диэлектрической проницаемости влажной земли є & 14 + 22 ; сухой земли є « 5 + 8; песка є « 2 + 4 ; - для проводимости земли а = 10 + 9-10 см/м; песка а = 2-10 2 + 8-10 3см/м. Среднеквадратичная ошибка измерения составила Лє = 14 +18% и Ла = 25 + 32%. Основными причинами довольно высокой погрешности, помимо неста-бильностей работы аппаратуры, неоднородности зондируемого объекта, являются неточные фазовые измерения в диапазоне СВЧ.
Определение характеристик рассеяния разрабатываемых грунтов
При исследовании физико-механических свойств отражающих сред обычно пользуются математической моделью, описывающей трансформацию поляризационной структуры зондирующего сигнала и приводящей к матричному уравнению [96, 41]ния, являющаяся источником информации о материальной среде, то есть оператор, осуществляющий преобразование излучаемого сигнала в принимаемый в соответствии с поляризационными свойствами отражающего объекта; элементы «ДО (i,j =1,2) зависят от выбранного базиса, электрических и поляризационных свойств среды рассеяния, а также угла облучения.
Применительно к ортогонально-линейному базису разложения поля волны для получения информации об элементах матрицы рассеяния необходимо поочередно излучать горизонтальную Exo\t) и вертикальную EY0{t) составляющие и решать соответствующие матричные уравнения
При определении отражающих свойств реальных сред и, в частности, подстилающих поверхностей весьма важно оценить поляризационную структуру электромагнитной волны, рассеянной неровными шероховатыми поверхностями с произвольными радиусами кривизны. Электродинамическая задача для указанного типа поверхностей не может быть точно решена аналитически [90], поэтому наиболее полные данные по характеристикам рассеяния применительно к различным условиям радиолокационного наблюдения могут быть получены только экспериментальным путем, как в натурных, так и в лабораторных условиях [251].
Рисунок 3.25 - Структурная схема измерительной установки
При работе в режиме передачи высокочастотный сигнал линейной поля Для измерения огибающих поляризационно-ортогональных компонент и амплитудного поляризационного коэффициента электромагнитной волны, отраженной в обратном направлении, была создана экспериментальная установка, работающая в режиме линейной (х - горизонтальной и у — вертикальной) поляризации поля излучения. Структурная схема установки, состоящей из передающего и приемно-измерительного устройств, приведена на рисунке 3.25.
