Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. объект и предмет исследования. цель и задачи исследования 12
1.1 Современные тенденции развития автогрейдеров 12
1.2 Объект и предмет исследования 14
1.3 Задача минимизации радиуса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 14
1.4 Определение управляемости, устойчивости маневренности 17
1.5 Обзор систем рулевого управления автогрейдеров с шарнирно-сочлененной рамой
1.5.1 Классификация автогрейдеров 23
1.5.2 Обзор существующих конструкций и способов поворота автогрейдеров 24
1.5.3 Анализ способов и средств управления поворотом автогрейдеров с управляемыми колесами и шарнирно-сочлененной рамой 26
1.5.4 Обзор существующих рулевых трапеций автогрейдеров, оснащенных гидроприводом рулевого управления 32
1.5.5 Обзор объемных гидроприводов рулевого управления
1.6 Обзор работ, посвященных изучению процесса управления поворотом колесных машин 37
1.7 Основные положения теории бокового увода колеса 39
1.8 Контакт шины с опорной поверхностью 40
1.9 Определение сил реакций и моментов, действующих на колеса автогрейдера в процессе движения 42
1.10 Обзор предшествующих исследований колеса при криволинейном движении строительных и дорожных машин 48
2. Общая методика исследований. структура работы 53
2.1 Общая методика исследований 53
2.2 Методика теоретических исследований 53
2.3 Методика экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных 58
2.4 Структура работы з
Основные выводы по главе 66
3. Разработка математической модели сложной динамической системы процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 68
3.1 Математическое моделирование механической системы автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 68
3.1.1 Обоснование расчетной схемы поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 70
3.1.2 Уравнения кинематики механической подсистемы автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 73
3.2 Математическое моделирование гидропривода рулевого управления 76
3.2.1 Математическое описание элементов гидропривода рулевого управления автогрейдера 76
3.2.2 Электрогидравлическое рулевое управление автогрейдера с последовательным и параллельным управлением 81
3.2.3 Зависимость угла поворота передних управляемых колес автогрейдера от хода штока гидроцилиндра 84
3.2.4 Зависимость угла складывания шарнирно-сочлененной рамы от хода штока гидроцилиндра 86
3.2.5 Обобщенная математическая модель рулевого управления 88
Основные выводы по главе 88
4. Результаты теоретических исследований 92
4.1 Обоснование критерия эффективности маневренности автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 92
4.2 Исследование кинематики автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 96
4.3 Анализ гидропривода рулевого управления автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 4.3.1 План эксперимента. Выбор управляющего воздействия на рулевое управление автогрейдера 101
4.3.2 Оценка устойчивости рулевого управления автогрейдера
4.4 Вывод аналитической зависимости радиуса поворота от угла поворота передних управляемых колес автогрейдера 109
4.5 Плоская расчетная схема автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой... 110
4.6 Теоретические исследования математической модели автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой. Получение регрессионных моделей 113
4.7 Методика оптимизации основных конструктивных параметров автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 120
4.7.1 Постановка задачи оптимизации 122
4.7.2 Решение задачи оптимизации 123
4.7.3 Оптимальные значения конструктивных параметров автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 130
4.7.4 Алгоритм моделирования процесса движения автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой по круговой траектории 131
4.8 Методика расчета основных конструктивных параметров автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 136
Основные выводы по главе 138
5. Экспериментальные исследования процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 140
5.1 Экспериментальные исследования физической модели автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой. Обработка результатов эксперимента 140
5.2 Экспериментальные исследования автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой 1 5.2.1 План эксперимента и измерительные приборы 147
5.2.2 Результаты обработки экспериментальных данных и регрессионные зависимости 150
5.3 Подтверждение адекватности математической модели автогрейдера с
шарнирно-сочлененной рамой 153
5.4 Рекомендации по технической реализации выявленных закономерностей 155
Основные выводы по главе 161
Основные результаты и выводы 162
Список литературы
- Задача минимизации радиуса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой
- Методика экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных
- Уравнения кинематики механической подсистемы автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой
- Методика оптимизации основных конструктивных параметров автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой
Введение к работе
Актуальность темы
Маневренность автогрейдеров (АГ) - способность совершать повороты с минимальным радиусом - является одним из параметров, который определяет их конкурентоспособность на мировом рынке.
В связи с увеличением объемов строительства сокращается место для маневрирования землероино-транспортных машин. Поэтому все чаще машинам приходится работать в стесненных условиях. Кроме основных рабочих операций АГ часто находится в транспортном режиме. Скорость АГ ниже, чем скорость автотранспортных средств. Одной из причин является наличие длинной базы, которая может составлять 4 - 7,5 м, и, как следствие, большого радиуса поворота. Задние колеса АГ при повороте двигаются по меньшему радиусу, чем передние, в результате габаритный коридор (полоса поворота) расширяется, что создает трудности при повороте. Под шириной габаритного коридора понимается ширина опорной поверхности, ограниченная проекциями на нее траекторий крайних выступающих точек АГ.
В настоящее время большинство АГ выпускаются с шарнирно-сочлененной рамой (ШСР). Однако это преимущество до настоящего времени не используется для уменьшения радиуса поворота и минимизации габаритного коридора. В большинстве серийно выпускаемых АГ управление поворотом передних колес и ШСР осуществляется разными органами управления, что исключает возможность использования складывания ШСР в транспортном режиме. До настоящего времени на АГ с ШСР не реализована возможность синхронного управления поворотом передних управляемых колес и складыванием ШСР, поэтому актуальной является задача совершенствования рулевого управления (РУ) АГ с ШСР, решение которой позволяет обеспечить движение передних и задних колес по одной колее (след в след) в транспортном режиме и существенно снизить радиус поворота на стройплощадке.
Степень разработанности темы
Работы В.Н. Архангельского, В.В. Беляева, Н.В. Беляева, И.В. Бояркиной, В.М. Гольдштейна, В.Е. Калугина, В.И. Колякина, И.И. Матяша, Э.Э. Немировского, Е.В. Поповой, В.В. Привалова, Э.А. Степанова, Э.И. Толстопятенко, К.К. Шестопалова, B.C. Щербакова и др. ученых посвящены совершенствованию конструкций базовых машин. Множество работ посвящено определению сил сопротивления копанию грунта автогрейдером. К.А. Артемьеву, В.И. Баловневу, Ю.А. Ветрову, В.П. Горячкину, Н.Г. Домбровскому, А.Н. Зеленину, И.А. Недорезову и др. принадлежит большой вклад в создание основ теории резания грунтов. Вопросам гидроприводов шарнирно-сочлененных машин, в том числе автогрейдеров уделяли внимание Т.В. Алексеева, В.А. Байкалов, Е.Ю. Малиновский и др. Исследованиями, направленными на повышение динамических характеристик гидроприводов рабочего органа и РУ, занимались Н.С. Галдин, Ш.К. Мукушев, А.В. Жданов и др. Рабочим процессом землероино-транспортных машин, оснащенных системами управления, занимались такие ученые, как В.Ф. Амельченко, М.А. Ахмеджанов, A.M. Васьковский, B.C. Дегтярев, Ю.М. Княжев, Б.Д. Кононыхин, Э.Н. Кузин, А.Н. Пиковская, В.Н. Тарасов, СТ. Цукерман, В.Н. Ченцов, С.С. Щедровицкий, B.C. Щербаков и др. По вопросу взаимодействия колес с грунтом при повороте колесной машины проводили исследования: Ю.А. Брянский, Г.И. Гладов, В.В. Ларин, А.С. Литвинов, Е.Д. Львов, К.Ю. Машков, Ф.А. Опейко, В.А. Петрушов, В.В. Редчиц, Ю.Л. Рождественский, Г.А. Смирнов, Х.Т. Ту-раев, Я.Е. Фаробин, Д.А. Чудаков, Е.А. Чудаков и др.
Объект исследований - процесс поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.
Предмет исследований - закономерности процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.
Цель работы - повышение маневренности автогрейдера, оснащенного шарнирно-сочлененной рамой, для обеспечения движения передних и задних колес по одной колее путем совершенствования РУ автогрейдера.
Задачи исследования:
-
Разработать математическую модель сложной динамической системы процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.
-
Обосновать критерий эффективности процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.
-
Разработать методику оптимизации положения шарнира в базе автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой для обеспечения движения передних и задних колес по одной колее.
-
Выявить основные закономерности процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой для обеспечения движения передних и задних колес по одной колее.
-
Предложить технические решения рулевого управления автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.
Научная новизна диссертационной работы
Разработанная математическая модель сложной динамической системы процесса поворота АГ с ШСР позволила определить оптимальное положение шарнира в базе АГ, коэффициент пропорциональности между углами поворота передних управляемых колес и складывания ШСР, обеспечивающий движение передних и задних колес по одной колее. Выявлены закономерности, определяющие зависимость угла складывания ШСР от угла поворота передних управляемых колес и коэффициента базы автогрейдера; радиуса поворота от угла поворота передних управляемых колес и коэффициента базы АГ при условии движения передних и задних колес по одной колее. Разработанная инженерная методика расчета основных конструктивных параметров АГ с ШСР, включающая алгоритм моделирования процесса движения АГ с ШСР по круговой траектории, справедлива для широкого класса АГ с ШСР.
Теоретическая и практическая значимость работы
Применение полученных результатов при проектировании АГ с ШСР позволяет сократить время на разработку машин с ШСР, повысить маневренность АГ с ШСР в стесненных условиях. Предложенные методики и алгоритмы внедрены в ОАО «Ом-сктрансмаш», г. Омск. Разработки по технической реализации, подтвержденные 4 патентами РФ на полезные модели, зарегистрированный электронный ресурс РФ обеспечивают повышение маневренности АГ с ШСР и используются при проектировании АГ с ШСР. Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «СибАДИ» для подготовки специалистов, бакалавров и магистров по направлениям «Наземные транспортно-технологические средства» и «Наземные транспортно-технологические комплексы».
Методология и методы исследований
При выполнении диссертационной работы использовалась методология системного анализа, был принят комплексный метод исследований, который включил в себя как теоретические, так и экспериментальные исследования; математическое и физическое моделирование, регрессионный анализ. Использованы следующие программные комплексы: MATLAB (приложения Simulink, Curve Fitting); STATISTICA.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель сложной динамической системы процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой. 2. Алгоритм моделирования процесса движения АГ с ШСР по круговой траектории. 3. Результаты теоретических исследований математической модели процесса поворота АГ с ШСР. 4. Конструкции АГ с ШСР, обеспечивающие повышение маневренности и сокращение радиуса поворота АГ с ШСР. 5. Две схемы электрогидравлического РУ автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.
Степень достоверности научных положений обеспечивается корректностью принятых допущений, адекватностью математических моделей, корректным использованием методов математического моделирования и достаточным объемом экспериментальных данных.
Апробация результатов работы
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: XII Международной научно-инновационной конференции аспирантов, студентов и молодых исследователей с элементами научной школы «Теоретические знания в практические дела», Филиал ГОУ ВПО «РосЗИТЛП» в г. Омске, Омск, 2011; XIII, XIV, XV, XVI Международных научно-инновационных конференциях аспирантов, студентов и молодых исследователей с элементами научной школы «Теоретические знания в практические дела», ФГБОУ ВПО «МГУТУ им. К.Г. Разумовского», филиал в г. Омске, 2012, 2013, 2014, 2015; Всероссийской 65-ой и международной 66-ой научно-технических конференциях «Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2011, 2012; VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2012; Межвузовских научно-практических конференциях студентов и аспирантов «Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона (ОМСКРЕСУРС - 2 -2012, ОМСКРЕСУРС - 3 - 2013)», ОмГТУ, Омск, 2012, 2013; 67-ой научно-практической конференции «Теория, методы проектирования машин и процессов в строительстве» в рамках Международного конгресса «Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2013; Международной научно-практической конференции «Инновационное лидерство строительной и транспортной отрасли глазами молодых ученых», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2014; Международной научно-практической конференции «Развитие дорожно-транспортного и строительного комплексов и освоение стратегически важных территорий Сибири и Арктики: вклад науки», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2014; Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальные и прикладные науки - основа современной инновационной системы», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2015 г.
Реализация результатов работы
Методика расчета основных конструктивных параметров АГ с ШСР внедрена в ОАО «Омсктрансмаш». Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СибАДИ».
Публикации по работе
По материалам диссертационных исследований опубликованы 24 печатные работы, из них 5 статей в научно-рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК
Минобрнауки РФ, 4 патента РФ на полезные модели и 1 свидетельство о регистрации электронного ресурса РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы (169 наименований) и приложений. Общий объем диссертации составляет 191 страницу основного текста, 81 рисунок, 20 таблиц, 10 приложений на 13 страницах.
Задача минимизации радиуса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой
Проблемой повышения эффективности АГ занимались многие ученые. В ряде предшествующих работ рассматривается рабочий процесс АГ, оснащенных системами управления (СУ) [9, 11, 19, 20, 21, 64]. Однако, в зависимости от поставленных в исследовании задач, разные подсистемы изучались с различной степенью детализации. Это позволяет условно разделить предшествующие исследования на несколько направлений [155]: - исследования, посвященные совершенствованию базовой машины, рабочего и ходового оборудования [22, 23, 24, 25]; - исследования, направленные на повышение динамических характеристик гидропривода рабочего органа (РО) [32]; - исследования, направленные на совершенствование СУ РО [17, 18, 37, 44,61,48]. Совершенствованию конструкций базовых машин посвящены работы Л.А. Антипова, В.Н. Архангельского, В.В. Беляева, Н.В. Беляева, И.В. Бояркиной, В.М. Гольдштейна, В.Е. Калугина, В.И. Колякина, И.И. Матяша, Э.Э. Немировского, Е.В. Поповой, В.В. Привалова, Э.А. Степанова, Э.И. Толстопятенко, К.К. Шестопалова, B.C. Щербакова и др. [12, 14, 22, 23, 26, 36, 53, 58, 74, 82, 93, 114, 128, 133, 153, 155, 164].
Вопросами гидроприводов шарнирно-сочлененных машин, в том числе автогрейдеров уделяли внимание Т.В. Алексеева, В.А. Байкалов, Е.Ю. Малиновский и др. Исследованиями, направленными на повышение динамических характеристик гидроприводов рабочего органа и РУ, занимались Н.С. Галдин, Ш.К. Мукушев, А.В. Жданов и др. [9, 10, 17, 32, 72, 158, 159].
Рабочим процессом ЗТМ, оснащенных системами управления, занимались такие ученые, как В.Ф. Амельченко, М.А. Ахмеджанов, A.M. Васьковский, B.C. Дегтярев, Ю.М. Княжев, Б.Д. Кононыхин, Э.Н. Кузин, А.Н. Пиковская, В.Н. Тарасов, СТ. Цукерман, В.Н. Ченцов, С.С. Щедровицкий, B.C. Щербаков и др. [11, 15, 28, 44, 57, 61, 64, 91, 131, 148, 150, 154, 164]. Существующие конструкции АГ постоянно совершенствуются с целью повышения их эффективности. В настоящее время намечаются следующие тенденции развития АГ [47, 49]: Конструкция АГ, несмотря на все введенные новшества, существенных изменений не претерпела.
Основные параметры и размеры выпускаемых в настоящее время в России АГ регламентированы ГОСТ 27535-87 (ИСО 7134-85) [42]. К ним относятся: масса, мощность двигателя, конструктивные схемы и параметры РО [155].
Достаточно много работ посвящено определению сил сопротивления копанию грунта автогрейдером. Математический аппарат теории копания хорошо проработан и отражает зависимость сил реакции грунта на РО от физико-механических свойств грунта, толщины стружки и параметров РО, а так же флюктуации сил реакций, носящих случайный характер. Огромный вклад в создание основ теории резания грунтов принадлежит К.А. Артемьеву, В.И. Баловневу, Ю.А. Ветрову, В.П. Горячкину, Н.Г. Домбровскому, А.Н. Зеленину, И.А. Недорезову [13, 46, 55, 81].
Авторы, проводившие исследования влияния конструктивных параметров АГ, жесткости шин, динамических характеристик гидроприводов рулевых механизмов на маневренность АГ [58, 63, 94, 95, 99, 100, 102, 104, 106, 112, 113, 162, 164], в полной мере не показали влияние изменения тех или иных параметров на траекторию криволинейного движения АГ. Возникает необходимость дополнительного исследования влияния конструктивных, кинематических и других параметров АГ и закономерностей их рабочих процессов с целью решения задач по совершенствованию существующих РУ АГ.
Можно сделать вывод о том, что происходит постоянное усовершенствование конструкции АГ, СУ АГ, в том числе РУ. Дальнейшее развитие АГ нацелено на повышении производительности и эффективности работы АГ.
Объект и предмет исследования Объектом исследования настоящей работы является процесс поворота АГ сШСР. Предметом исследования являются закономерности процесса поворота АГ сШСР. В основном большинство пневмоколесных ЗТМ, в том числе АГ, связывает общий принцип изменения направления движения посредством поворота управляемых передних или задних колес или складыванием ШСР. Современное состояние развития АГ характеризуется различием организации РУ. Выбор РУ в значительной степени влияет на производительность машины в целом [158].
Известно, что АГ является длиннобазовой ЗТМ, и работа в городской черте создает определенные трудности. Ширина проезжей части, в зависимости от категории дороги, принимается в соответствии с ГОСТ 52398 - 2005 «Классификация автомобильных дорог». Наименьшее количество полос движения в обоих направлениях для проезжих частей скоростных дорог и магистральных улиц - 4 полосы и более, для жилых улиц - 2 полосы [43, 124].
В определении ширины проезжей части улиц и дорог основой расчета является количество полос движения и принятая ширина каждой полосы.
Полоса движения представляет собой полосу проезжей части, занимаемую одним рядом следующих друг за другом автомобилей. Ширина полосы определяется габаритами автомобиля и расстоянием между автомобилями, движущимися по соседним полосам, обеспечивающим безопасность движения [124].
В соответствии с ГОСТ 52399 - 2005 «Геометрические элементы автомобильных дорог» ширина одной полосы проезжей части для автомагистралей и скоростных дорог принята 3,75 м, для дорог обычного типа категории IB - IV ширина одной полосы составляет от 3,0 до 3,75 м, для дорог обычного типа V категории - от 4,5 м. [43].
Ширина габаритного коридора (полосы поворота) [14] (SK, м), под которой понимается ширина опорной поверхности, ограниченная проекциями на нее траекторий крайних выступающих точек АГ [31], не должна превышать ширину колеи АГ (Ьк, м), то есть необходимо обеспечить поворот АГ при наименьшей ширине габаритного коридора движения колес АГ [103].
Согласно СНиП 2.07.01-89 «Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений» радиусы закругления проезжей части улиц и дорог по кромке тротуаров и разделительных полос следует принимать не менее [125]:
Методика экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных
Без математического моделирования невозможно проведение теоретических исследований вновь создаваемой техники [7,47].
При математическом моделировании процесса поворота АГ с ШСР применяется системный анализ [90]. Процесс поворота АГ рассматривается как сложная динамическая система, состоящая из отдельных взаимосвязанных подсистем: АГ, ГП РУ. Математические модели подсистем в совокупности образуют сложную динамическую систему.
В настоящей главе приведено математическое описание механической и гидравлической подсистем АГ. Разработаны математические модели ГП РУ для исследования динамики процесса поворота АГ с ШСР.
В настоящее время наиболее мощным средством моделирования динамики механических систем является метод обобщенных координат [62,163].
Для исследования сложной динамической системы необходимо составить уравнения движения в обобщенных координатах, для этого был применен следующий алгоритм [111,163]:
В матричном виде составлены уравнения перехода из локальных СК в инерциальную СК; 7. Вычислены положения всех расчетных точек АГ в инерциальной СК путем перемножения матриц перехода на векторы координат, заданные в локальных СК.
На рисунке 3.1 представлена блок-схема процесса поворота АГ с ШСР, где выделены основные подсистемы. Гидравлическая подсистема представлена двумя блоками: «ГП ШСР» и «ГРМ», включает в себя гидроруль с гидромотором обратной связи (ГМОС), ГЦ поворота передних управляемых колес, электрогидрораспределитель (ЭГР) и ГЦ складывания ШСР. Механическая подсистема состоит из блоков «MP, БТ с задними колесами», «ХР», «Передние управляемые колеса». РУ представляет собой блок управления с датчиками угла поворота передних управляемых колес и угла складывания ШСР.
Входным воздействием является угол поворота рулевого колеса - в. Гидрораспределитель в совокупности с ГМОС являются гидравлическим рулевым управлением (ГРУ), его задачей является изменение расхода QH на выходе из ГРМ в зависимости от угла поворота и скорости вращения рулевого колеса. Рабочая жидкость, поступая в исполнительные ГЦ, приводит к перемещению штоков в ту или иную сторону в зависимости от направления поворота, которые поворачивают передние управляемые колеса на необходимый угол а. Передние управляемые колеса, ХР и MP с задними колесами формируют траекторию движения АГ в декартовых координатах OoX0Y0Zo, которая описывается векторами Rm_oi... Rm_oi. В зависимости от необходимости сигнал hynP от блока управления поступает на ЭГР, управляющий складыванием ШСР, электрогидрозолотник перемещается в нужном направлении, рабочая жидкость от насоса поступает к исполнительным ГЦ складывания ШСР, перемещая штоки и, тем самым, поворачивая ее на нужный угол /?. Таким образом, предлагается реализовать управление поворотом АГ с ШСР.
Механическая подсистема АГ с ШСР состоит из MP, ХР, переднего моста с двумя управляемыми колесами и задних БТ, которые имеют четыре ведущих неуправляемых колеса. Передние управляемые колеса шарнирно крепятся к переднему мосту и имеют возможность поворачиваться в горизонтальной плоскости в обе стороны относительно переднего моста. ХР шарнирно крепится к MP и благодаря двум гидроцилиндрам имеет возможность складываться в горизонтальной плоскости в обе стороны относительно MP.
Для составления математической модели, определения числа степеней свободы звеньев АГ с ШСР и ввода обобщенных координат была разработана пространственная расчетная схема АГ. На рисунке 3.2 представлена пространственная расчетная схема АГ с ШСР с указанием базовой и локальных СК. На схеме АГ представлен в положении при повороте вправо [62,163].
Допущения, принятые при составлении расчетной схемы АГ с ШСР [107,111]: - АГ представляет собой шарнирно-сочлененный пространственный многозвенник, звенья которого представлены как абсолютно жесткие стержни; - люфты и силы сухого трения в шарнирах отсутствуют; - система голономна, стационарна; - элементы ходового оборудования имеют постоянный контакт с грунтом; - вследствие сглаживающей способности шин, грунт представлен идеально ровным.
Пространственная расчетная схема описана в неподвижной правой ортогональной СК OOXQYQZQ, связанной с грунтом, формирующей систему отсчета, в которой движется АГ. Ось ОоХ0 совпадает с начальным направлением движения, ось OOYQ направлена вертикально вверх, ось (90Z0 дополняет триаду правой ортогональной СК, точка О0 является началом неподвижной правой ортогональной СК. Связи правых локальных СК (] со звеньями АГ сведены в таблицу 3.1. Локальная СК OJXJYJZJ жестко связана с MP, точка О і находится в центре оси качания БТ. Ось 0\Х\ совпадает с продольной осью MP, ось Off і направлена вертикально вверх, ось 0{Zi дополняет триаду правой ортогональной СК. СК O2X2Y2Z2 связана с ХР, точка 02 находится в шарнире сочленения MP и ХР. Ось О2X2 совпадает с продольной осью ХР, ось O2Y2 направлена вертикально вверх, ось O2Z2 дополняет триаду правой ортогональной СК. СК O3X3Y3Z3 связана с передними управляемыми колесами, точка 03 находится в шарнире присоединения колеса к переднему мосту на оси вращения колеса. Ось ОгХ3 совпадает с направлением центральной продольной оси колеса, ось O3Z3 совпадает с центральной поперечной осью колеса, ось O3Y3 направлена вертикально вверх и дополняет триаду правой локальной СК (в данной работе термины: ось вращения колеса, центральные продольная и поперечная оси соответствуют ГОСТ 17697 - 72 [39]). В соответствии с принятой СК направление углов обобщенных координат создается от / осей координат к / - 1. Направление вращения против часовой стрелки считается положительным [149,164]. Таблица 3.1- Связи локальных систем координат со звеньями автогрейдера [111]
Уравнения кинематики механической подсистемы автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой
В настоящем исследовании количественная оценка устойчивости ГРУ оценивается при помощи коэффициента колебательности, который определяется из выражения (4.11) [158, 165]. Если система устойчива, коэффициент колебательности будет лежать в пределах 0 М 99%. Если переходный процесс будет являться апериодическим, коэффициент колебательности будет стремиться к 0, и, соответственно, система будет абсолютно устойчивой. При М 100% система будет неустойчивой [158].
Из рисунка 4.19 можно определить, что колебательность выходной величины составляет 0%, из рисунков 4.20, 4.21 видно, что колебательность выходных величин равна 0%.
Перерегулирование переходного процесса - это отношение максимального отклонения выходной величины от ее установившегося значения к установившемуся значению выходной величины [165]. Из рисунка 4.19 определено, что перерегулирование выходной величины угла поворота передних управляемых колес составляет 3,05 %, из рисунков 4.20, 4.21 видно, что перерегулирование выходных величин равно 0%.
Время переходного процесса tnn выдвижения штоков исполнительных ГЦ поворота передних управляемых колес составляет примерно 1 с, время запаздывания - 0,1 с. Для РУ с последовательным управлением tnn 1,2 с, время запаздывания приблизительно 0,3 с, для РУ с параллельным управлением tnn 1 с время запаздывания приблизительно 0,18 с.
Таким образом, с учетом полученных по результатам анализа качественных характеристик переходных процессов, РУ АГ с последовательным управлением и РУ АГ с параллельным управлением являются устойчивыми системами. Но РУ АГ с параллельным управлением является более быстродействующей системой, чем РУ АГ с последовательным управлением.
Вывод аналитической зависимости радиуса поворота от угла поворота передних управляемых колес автогрейдера
Схема для определения кинематического радиуса поворота автогрейдера Точка пересечения перпендикуляров к направлениям движения колес АГ OR называется кинематическим центром поворота, а радиус поворота называется кинематическим радиусом Rn [123]. Используя геометрические соотношения, можно определить кинематический радиус поворота АГ. Рассмотрим треугольник ABC: хорда АС стягивает дугу описанной около треугольника окружности, по которой движется
Поворот АГ осуществляется в результате определенного силового взаимодействия колес с опорной поверхностью, поэтому необходимо рассмотреть силы и моменты сил, действующие на АГ при повороте. После определения этих сил и моментов сил можно оценить маневренность АГ [123].
В данной работе не рассматриваются вертикальные перемещения АГ. Поэтому от общего случая (рисунок 3.2) можно перейти к частному (рисунок Ill 4.23), упростив расчетную схему АГ. На рисунке 4.23 представлена плоская расчетная схема АГ с ШСР при совершении поворота.
Мс2 Рисунок 4.23 - Плоская расчетная схема автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой Для определения сил реакций и моментов сил, действующих на АГ в процессе движения, составлена плоская расчетная схема АГ с ШСР (рисунок 4.23). Будем считать переднее управляемое правое колесо первым колесом, левое - вторым колесом. Силы, моменты сил и силы реакции, действующие на колеса задней БТ, приведены к середине заднего ведущего моста.
На рисунке 4.23 показаны FXi, Fx2 - толкающие силы, приложенные к осям передних управляемых колес и совпадающие по направлению со скоростью Л АГ продольного перемещения AT, Fxn - суммарная толкающая сила, приведенная к центру переднего моста AT. FZi, FZ2 и FEEZ - боковые силы, возникающие при криволинейном движении, действующие на передние и задние колеса AT. GRI, GK2, GZE, GAT, - вес, приходящийся на первое, второе передние колеса АГ, суммарный вес, приходящийся на задние колеса БТ. Задние ведущие колеса АГ приводятся в движение крутящим моментом (рисунок 1.18, б), сила тяги колес Т х направлена в одну сторону с поступательной скоростью АГ. На передние управляемые колеса АГ действуют стабилизирующие моменты сил, вызванные различием точек приложения боковых сил и их реакций, - Ма и Мс2 (рисунок 4.22). МСАГ - момент сил сопротивления повороту АГ, который определяется по следующей зависимости [123]:
АГ совершает поворот путем изменения углов между плоскостями вращения колес и продольной осью машины за счет поворота управляемых колес через систему РУ. Основное внимание в системах РУ уделяется снижению коэффициента трения шин во время поворота [93]. Это допущение означает, что все шины должны катиться свободно без поперечного скольжения. Чтобы выполнялось это требование, колеса должны двигаться по кривым траекториям с радиусами, имеющими общий центр ( - кинематический центр поворота АГ (рисунок 4.22). Это обуславливает взаимосвязь углов поворота внутреннего и наружного передних управляемых колес. Углы должны удовлетворять геометрии рулевого управления Аккермана [169]:
Методика оптимизации основных конструктивных параметров автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой
Работа РУ поворотом АГ осуществляется следующим образом. При повороте АГ хребтовая рама 2, за счет гидроцилиндров 8 и 9, поворачивается на угол а, одновременно, за счет тяги 5, соединенной шарниром 4 с MP 1, шарниром 6 с одноосным передним мостом 7, осуществляется поворот одноосного переднего моста АГ на угол а в ту же сторону, что повышает маневренность АГ в стесненных условиях [86]. Предложенная конструкция АГ обладает улучшенной конструкцией ходового устройства, тем самым, повышая маневренность АГ при работе в стесненных условиях [86]. Автогрейдер (Приложение И) Недостатками всех ранее известных устройств является невозможность регулировки передаточного отношения между углом поворота ШСР и углом поворота передних управляемых колес. В результате передние и задние колеса будут двигаться по разным колеям, что недопустимо в транспортном режиме при движении по дорогам и не всегда допустимо при выполнении земляных работ [89].
Технической задачей настоящей полезной модели является повышение маневренности АГ при работе в стесненных условиях и обеспечение движения передних и задних колес по одной колее за счет требуемого передаточного отношения между углом поворота ШСР и углом поворота передних колес [89].
Указанный технический результат достигается тем, что автогрейдер содержит шарнирно-сочлененную моторную и хребтовую рамы, передний мост, состоящий из основной балки, ступиц с колесами и рулевой трапеции поворота колес, отвал, гидроцилиндры управления и большую тягу, одним концом шарнирно соединенную с рычагом ХР, а другим концом шарнирно соединенную с угловым рычагом; угловой рычаг закреплен на ХР с помощью пальца, имеет вращательную степень свободы относительно ХР и шарнирно соединен с рулевой трапецией одноосного переднего моста; рычаг ХР шарнирно закреплен на ХР и шарнирно соединен малой тягой с MP, имеет несколько отверстий шарнирного крепления малой и большой тяг для изменения передаточного числа углов поворота шарнирно-сочлененной рамы и передних колес. Конструкция разработана таким образом, что угол поворота ХР относительно MP приводит к углу поворота передних управляемых колес в ту же сторону с угловым коэффициентом передачи к [89].
Сущность полезной модели поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на рисунке 5.13 изображена боковая проекция АГ (ХР, гидроцилиндры поворота хребтовой рамы, рабочее оборудование сняты), на рисунке 5.14 изображен вид АГ сверху (кабина, рабочее оборудование, левый гидроцилиндр поворота хребтовой рамы сняты), на рисунке 5.15 - АГ на виде сверху при выполнении разворота (кабина, рабочее оборудование, ХР, левый гидроцилиндр поворота хребтовой рамы сняты), на рисунке 5.16 - рычаг, обеспечивающий требуемое передаточное отношение между углами поворота [89].
АГ содержит шарнирно-сочлененную MP 1 с задним ведущим мостом и ХР 2. Малая тяга 3 соединяет MP 1 с рычагом ХР 4 с помощью шарниров 5 и 6. Большая тяга 7 соединена с рычагом ХР 4 с помощью шарнира 9 и с рулевой трапецией одноосного переднего моста 8 с помощью углового рычага 10, закрепленного на ХР с помощью пальца. ХР 2 соединена шарниром lie MP 1 и шарниром 12 с рычагом ХР 4. Механизм поворота ХР состоит из двух гидроцилиндров управления 13 и 14 [89].
Работа устройства поворота АГ осуществляется следующим образом. 160 При повороте АГ хребтовая рама 2 за счет гидроцилиндров 13 и 14 поворачивается на угол /?, одновременно, за счет большой тяги 7, шарнирно соединенной с рычагом ХР 4 и угловым рычагом 10, который в свою очередь шарнирно соединен с рулевой трапецией одноосного переднего моста 8, осуществляется поворот передних управляемых колес АГ с коэффициентом передачи к на угол а в ту же сторону, что повышает маневренность АГ в стесненных условиях и обеспечивает движение передних и задних колес по одной колее [89].
Пропорциональное соотношение углов а и /?: J3 = k-a, (5.10) k=lf. (5.11) Коэффициент пропорциональности к зависит от размеров рам автогрейдера и обеспечивается местами закрепления малой и большой тяг на рычаге хребтовой рамы. Например, для среднего автогрейдера к = 2. Расстояния 1ор и 1Р поясняются на рисунке 5.16 [89].
Предложенная конструкция автогрейдера обладает улучшенной конструкцией устройства поворота, тем самым, повышая маневренность автогрейдера при работе в стесненных условиях и обеспечивая движение передних и задних колес по одной колее [89].
Экспериментальные исследования АГ с ШСР позволили подтвердить адекватность теоретических исследований АГ с ШСР. Максимальное относительное отклонение результатов торетических и экспериментальных исследований составляет не более 8,4%. Относительное отклонение результатов экспериментальных исследований и аналитических результатов не превышает 13,6%. Расхождение результатов теоретических и аналитических исследований составляет не более 13,4%.
Предложенные технические решения позволяют повысить маневренность АГ с ШСР в стесненных условиях, обеспечить движение передних и задних колес АГ по одной колее и минимизировать радиус поворота АГ.