Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса 11
1.1. Известные способы и средства разработки мерзлых и скальных грунтов 11
1.2. Анализ тенденций развития рыхлительных агрегатов 14
1.2.1. Обзор и анализ конструкций навесных устройств рыхлителей 17
1.2.2. Анализ работ в области совершенствования систем управления рыхлительным агрегатом 22
1.3. Модель объекта исследования 27
1.4. Анализ математических моделей двигателя как объекта регулирования 31
1.5. Анализ взаимодействия движителя с поверхностью грунта 38
1.5.1. Анализ стохастических математических моделей рельефа 39
1.5.2. Анализ математических моделей процесса взаимодействия ходового оборудования с неровностями микрорельефа 43
1.6. Обзор существующих теорий рыхления грунтов 47
1.7. Анализ, обоснование и выбор критериев эффективности 58
1.8. Цель и задачи исследования 63
2. Методика выполнения исследований 65
2.1. Общая методика исследований 65
2.2. Методы математического моделирования рабочего процесса рыхлительного агрегата 67
2.3. Методика экспериментальных исследований 69
2.4. Структура выполнения работы 71
3. Математическая модель рабочего процесса рыхлительного агрегата 73
3.1. Математическая модель движения рыхлительного агрегата 73
3.2. Математическая модель двигателя как объекта регулирования 76
3.3. Математическая модель механической трансмиссии 83
3.4. Математическая модель взаимодействия рабочего органа с грунтом 84
3.5. Математическая модель воздействия микрорельефа на неуправляемые перемещения рабочего органа 88
3.6. Математическая модель гидропривода рабочего органа 98
3.7. Математическая модель системы управления рабочим органом 111
3.8. Обобщенная математическая модель рыхлительного агрегата с системой управления 113
3.9. Выводы 114
4. Результаты теоретических исследований 117
4.1. Анализ влияния статистических параметров микрорельефа на эффективность рыхлительного агрегата 119
4.2. Анализ влияния основных параметров системы управления на эффективность рыхлительного агрегата 134
4.3. Методика выбора основных параметров системы управления 146
4.4. Выводы 149
5. Результаты экспериментальных исследований 151
5.1. Экспериментальные исследования рабочего процесса рыхлительного агрегата 151
5.2. Подтверждение адекватности математической модели 154
5.2.1. Оценка адекватности математической модели микрорельефа 155
5.2.2. Оценка адекватности математической модели рабочего процесса рыхлительного агрегата 158
5.3. Внедрение результатов исследований 161
5.4. Алгоритм работы системы управления 161
5.5. Выводы 168
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 170
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Анализ тенденций развития рыхлительных агрегатов
- Методика экспериментальных исследований
- Математическая модель взаимодействия рабочего органа с грунтом
- Анализ влияния основных параметров системы управления на эффективность рыхлительного агрегата
Введение к работе
Интенсивное освоение месторождений полезных ископаемых Северных регионов Сибири и Дальнего Востока, их транспортировка и строительство нефте- и газопроводов невозможно без современной землеройной техники, способной разрабатывать мерзлые грунты.
Одним из основных видов машин, осуществляющих разработку прочных, мерзлых и скальных грунтов являются рыхлители на базе гусеничных тракторов, рабочий процесс которых характеризуется наименьшей энергоемкостью процесса разрушения грунта.
Эффективность эксплуатации РА в значительной степени зависит от рациональных режимов работы силовой установки. Серийно выпускаемые на сегодняшний день системы управления и приборы индикации, а также замедленная реакция человека-оператора на быстро изменяющиеся условия РП не позволяют в полной мере использовать тягово-сцепные качества машины.
В связи с этим, актуальной является проблема дальнейшего совершенствования СУ РА, частично или полностью исключающей человека-оператора из контуров управления ДВС и положением РО.
Цель работы: повышение эффективности рыхлительного агрегата.
Объект исследования: рабочий процесс рыхлительного агрегата.
Предмет исследования: закономерности, связывающие критерий эффективности и параметры СУ РА.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1) Выбор критерия эффективности РП РА;
2) Обоснование расчетной схемы РП РА;
3) Разработка математической модели РП РА;
4) Разработка алгоритма работы и методики выбора основных параметров СУ PA.
Методика исследований носит комплексный характер, содержит как теоретические, так и экспериментальные исследования.
Задачами теоретических исследований являлось выявление основных закономерностей, связывающих принятый критерий эффективности и параметры СУ РА.
Задачей экспериментальных исследований являлось подтверждение адекватности математической модели РП РА, разработка алгоритма работы и методики выбора основных параметров СУ РА.
При экспериментальных исследованиях использовался метод пассивного эксперимента.
Научная новизна заключается:
- в математической модели РП РА, представленной в виде сложной динамической системы, включающей подсистемы: "микрорельеф", "грунт -ходовое оборудование", "остов - навесное оборудование", "рабочий орган -грунт", "ДВС", "трансмиссия", "гидропривод РО" и "система управления";
- в выявленных функциональных зависимостях, отражающих связь: рациональных режимов работы силовой установки и параметров микрорельефа, а также критерий эффективности и основные параметры СУ;
- в разработке алгоритмов управления ДВС и положением РО. Практическая ценность работы состоит:
- в предложенной СУ РА;
- в обоснованных информационных и управляемых параметрах СУ РА;
- в инженерной методике выбора основных параметров СУ РА. Реализация работы. В Конструкторском бюро транспортного
машиностроения (КБТМ) г. Омска принята к внедрению методика выбора основных параметров СУ РА. На защиту выносятся:
- математические модели подсистем: микрорельеф, "грунт - ходовое оборудование", "остов - навесное оборудование", "рабочий орган - грунт", "ДВС", "трансмиссия", "гидропривод РО" и "система управления";
- полученные зависимости рациональных режимов работы ДВС от эксплуатационных параметров и зависимости критерия эффективности от основных параметров СУ;
- алгоритмы управления ДВС и РО.
Достоверность научных положений обеспечивается адекватностью математических моделей, корректностью принятых допущений, корректным использованием имитационного моделирования и достаточным объемом экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на: Межрегиональной научно-технической конференции "Многоцелевые гусеничные и колесные машины; разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование" (г.Омск, ОТИИ, 2002г.), Международной научно-практической конференции "Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура" (г.Омск, СибАДИ, 2003г.), Международной научно-технической конференции "Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и крайнего севера" (г.Омск, СибАДИ, 2004 г.), Второй Всероссийской научной конференции "Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB" (г.Москва, ИПУ РАН, 2004г.), Международной научно-технической конференции "Дорожно-транспортный комплекс как основа рационального природопользования" (г.Омск, СибАДИ, 2004 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет в целом 185 страниц основного текста, в том числе 8 таблиц, 98 рисунков, список литературы из 136 наименований и приложений на 18 страницах.
Анализ тенденций развития рыхлительных агрегатов
По целевому назначению различают основные и вспомогательные рыхлители. Первые используются для разработки мерзлых и скальных грунтов, вторые — для рыхления плотных немерзлых грунтов и слежавшихся материалов /20, 78/.
По виду навесного оборудования различают трех-, четырех-(параллелограммные) и многозвенные рыхлители. Они могут быть как с регулируемым, так и с нерегулируемым углом рыхления, с изменяемым шагом и вылетом зуба. Также используются рыхлители с регулируемой траекторией заглубления /20/.
По числу зубьев различают одно- и многозубые рыхлители. Однозубые предназначены для разработки особопрочных грунтов, а также для производства специальных работ (глубокого рыхления траншей, прокладки кабелей и т.д.). Многозубые содержат в комплекте нечетное число зубьев и, в зависимости от тягового класса трактора, имеют три или пять зубьев /13,20/.
Базовый трактор может иметь механическую, гидромеханическую или электрическую трансмиссию. Наиболее распространенной для РА является механическая трансмиссия, так как она позволяет получать на РО кратковременное усилие в 3 -г- 4 раза превышающее номинальное тяговое усилие трактора, что позволяет увеличить эффективность рыхлительного агрегата, в сравнении с другими типами трансмиссий /20, 133/.
Гидромеханическая и электрическая трансмиссии равномерно нагружают двигатель, исключая его перегрузки в случае встречи непреодолимого препятствия или особопрочных включений в разрабатываемом грунте, но и не позволяют использовать кратковременные мощные усилия, как при механической трансмиссии /13, 20/.
На тяжелых тракторах применяются двухпоточные гидромеханические трансмиссии, которые сочетают в себе достоинства механической и гидромеханической трансмиссий /24/.
Тип подвески базовой машины оказывает существенное влияние на эффективность РА. Жесткая подвеска увеличивает производительность, по сравнению с полужесткой и эластичной, но не позволяет работать на повышенных скоростях /53/.
Все работы посвященные проблемам повышения эффективности рыхлительных агрегатов можно условно разделить на три группы: 1) Совершенствование конструкции базового трактора; 2) Совершенствование конструкции навесного оборудования и РО; 3) Совершенствование СУ РА.
Работы первого направления связаны с повышением единичной мощности, качества и срока службы базового трактора /20/.
Работы второго направления связаны с созданием новых кинематических схем навесного оборудования, дающих возможность регулировать не только глубину рыхления, но и такие параметры как: угол рыхления, вылет зуба и шаг между зубьями для многозубого рыхлителя. Также рассматриваются вопросы повышения надежности навесного оборудования и гидропривода РО /13, 20/.
Совершенствование РО связано с оптимизацией формы и основных рабочих параметров стоек зубьев, наконечников и накладок, применительно к грунтам с различными физико-механическими характеристиками; созданием износостойких быстрозаменяемых наконечников и накладок с использованием качественных конструкционных сталей и новых способов изготовления; применением приспособлений, увеличивающих производительность рыхлителя, например уширителей /13, 20/.
Работы третьего направления связаны с созданием новых и совершенствованием уже существующих СУ РА, позволяющих повысить эффективность РА и одновременно улучшить условия труда человека-оператора/13, 20/.
Навесное оборудование РА позволяет изменять положение РО относительно базового трактора, тем самым, изменяя глубину рыхления, а некоторые конструкции навесных устройств обеспечивают также изменение угла рыхления и вынос в сторону РО /77, 78, 93, 99, 133/. Также существуют конструкции, позволяющие поворачивать рабочее оборудование, что обеспечивает разработку мерзлых и скальных грунтов наклонных и вертикальных откосов и расширяет их технологические возможности /42, 133/.
В работе /133/ был произведен анализ кинематических схем навесных тракторных рыхлителей, который показал, что, используя общепринятую терминологию /104/ существующие тракторные рыхлители можно разделить на трех- и четырехточечные.
Методика экспериментальных исследований
Проведение теоретических исследований вновь создаваемой техники невозможно без математического описания исследуемого объекта, т.е. без математического моделирования. В настоящее время широко распространено представление математических моделей в виде системы каких-либо уравнений (общих дифференциальных, частных дифференциальных и др.), которые с достаточной степенью точности отражают исследуемые свойства объекта /79/.
При математическом моделировании, для рассматриваемого РП, РА представляет собой сложную динамическую систему, на которую действуют управляющие и возмущающие внешние воздействия, имеющие стохастическую природу. Параметры подсистем РА (гидропривод, СУ, базовая машина и т.д.) также флюктуируют во времени и имеют случайный характер. Но колебания этих параметров не соизмеримы с колебаниями внешних воздействий и растянуты во времени. Поэтому при составлении математической модели РП РА принимается допущение о том, что параметры подсистем объекта исследования за время переходного процесса не изменяются и во время исследования берутся как фиксированные величины.
Математическая модель исследуемого объекта будет неполной без описания динамических свойств базовой машины, которые могут быть представлены в различной форме: дифференциальными уравнениями, переходными процессами, амплитудно-фазовыми и амплитудно-частотными характеристиками, передаточными функциями отдельных звеньев и др. /62, 79/.
Выбор того или иного типа представления динамики объекта в основном определяется задачами исследования, требованиями обеспечения наглядности проходящих процессов и т.д. В настоящей работе целесообразно динамические свойства объекта исследования представить с помощью аппарата передаточных функций, который при компактности записи дает в достаточной степени полное представление о процессах, проходящих в звеньях системы.
Планы эксперимента могут быть классические и факторные. Классический план заключается в изменении одного фактора во всем интервале значений при постоянстве других независимых факторов. Полный факторный эксперимент заключается в том, что в нем реализуются все возможные сочетания уровней факторов. В данной работе целесообразно использовать классические планы эксперимента, причем интервал варьируемых значений определяется свойствами объекта, к которому относится варьируемый параметр /8/.
Адекватность математических моделей необходимо подтвердить результатами экспериментальных исследований. При этом сравнительная оценка, в соответствии с принятыми стохастическими входными воздействиями, должна производится по сравнительной оценке основных статистик и законов распределения для теоретического и экспериментального исследований. 2.3. Методика экспериментальных исследований
Принятый в настоящей работе комплексный метод исследований предполагает такой этап работы как проведение экспериментальных исследовании, основной задачей которого является подтверждение адекватности математической модели объекта исследования /41, 66/.
Общепринято различать два метода проведения эксперимента: активный и пассивный /41, 66, 79/.
Пассивный эксперимент предусматривает измерение только выбранных показателей в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в функционирование. Пассивный эксперимент, по существу, является наблюдением, которое сопровождается инструментальным измерением выбранных переменных состояния объекта исследования /41, 66, 79/.
Активный эксперимент связан с выбором специальных воздействий и контролирует вход и выход исследуемой системы. Входными могут быть единичные ступенчатые воздействия на элементы ходового оборудования РА, Выходными характеристиками могут служить переходные процессы, снимаемы аппаратурой с характерных точек РА /41, 66, 79/.
Принимая во внимание, принятые в качестве входных, возмущающие воздействия, имеющие случайную природу, в данной работе целесообразно использовать пассивный способ проведения эксперимента.
Важным условием проведения экспериментальных исследований является обеспечение достоверности экспериментальной информации с требуемой доверительной вероятностью Рд. В настоящей работе достаточной считалась доверительная вероятность рд 0,95 /20,113/.
Математическая модель взаимодействия рабочего органа с грунтом
Данная математическая модель позволяет получать значения низкочастотных составляющих сопротивления рыхлению в зависимости от физико-механических свойств грунта, параметров РО и РП РА,
Вектор сил высокочастотной составляющей силы реакции Иф может быть представлен в виде /29,112,113,127/: РФ=[РФГ РфВ РфБ J- (3.47) Анализ исследований статистических характеристик нагрузок на рабочее оборудование ЗМ в различных грунтовых условиях показал, что основным фактором, определяющим коэффициенты вариации, параметры корреляционных функций и спектральных плотностей, является прочность разрабатываемого грунта. Корреляционные функции флуктуации при резании грунтов могут быть аппроксимированы выражением /29,113,127/: Яф(т)= Оф -е а !т -совРф -т, (3.48) где Оф - дисперсия флуктуации; Оф и (5ф - параметры корреляционной функции; т - интервал времени корреляции. Спектральные плотности случайных флуктуации, в соответствии с преобразованием Фурье, будут равны /29, 113, 127/: Г і і 1 8ф(і 2.аф.Оф- + , (3.49) [аФ+4-я -(f+f0Jr аФ+4-7г -(f-f0f где і - текущая частота колебаний, Гц; fo - основная частота колебаний скрытой периодической составляющей случайного процесса, Гц.
Значения параметров корреляционной функции и спектральной плотности случайных флуктуации приведены в работах /112, 113/.
Значения вектора сил высокочастотной составляющей силы реакции разрабатываемого грунта на РО РА определяются с помощью соответствующего рекуррентного уравнения из табл. 1.1 по известным значениям параметров корреляционной функции.
Анализ предшествующих работ по теориям рыхления мерзлых и скальных грунтов показал, что для достижения поставленной в данной работе цели процесс взаимодействия РО с разрабатываемым грунтом может быть представлен математической моделью (3.39), отражающей низкочастотную сотавляющую (тренд) сопротивления резанию, представленную детерменированными выражениями сил реакции разрабатываемого грунта на РО от физико-механических свойств грунта, глубины рыхления, параметров РО, а также высокочастотную составляющую (флюктуацию), вызванную случайными явлениями (неоднородностью фунта, механическими включениями в грунт, переменным значением глубины рыхления, неуправляемыми перемещениями РО и т.д.).
Представленные уравнения позволяют моделировать на ЭВМ реакции фунта на РО РА. Выбор модели взаимодействия ходового оборудования РА с грунтом базируется на следующих предпосылках: определение линейных и угловых перемещений РА в двухмерном пространстве, учет упруго-вязких свойств подвески и деформируемости фунта, а также учет действия силы реакции фунта на перемещения остова.
При составлении модели взаимодействия ходового оборудования с фунтом приняты следующие упрощения: - упруго-вязкие свойства фунта не учитываются вследствие их малости при работе на мерзлых фунтах; - влияния массы элементов подвески на перемещения остова не учитываются; - профиль пути под обеими гусеницами одинаков; - катки имеют постоянный контакт с гусеницей; - остов трактора и элементы навесного оборудования являются абсолютно жесткими; - угол наклона линии действия сопротивления рыхлению при колебаниях остова не изменяется; - вертикальная нагрузка на левую и правую гусеницы одинакова.
Для составления модели применяется расчетная схема (рис.3.11), в которой гусеница разделена на две полугусеницы взаимодействующие с грунтом и связанные между собой через остов, упруго-вязкие свойства каждой полу гусеницы характеризуются коэффициентами жесткости сь с2 и демпфирования р)? р2. Поскольку используется плоская расчетная схема, коэффициенты жесткости и демпфирования являются суммой коэффициентов жесткости и демпфирования левой и правой гусеницы для каждой полугусеницы.
Анализ влияния основных параметров системы управления на эффективность рыхлительного агрегата
Хорошая сходимость нормированных корреляционных функций экспериментальных и смоделированных случайных процессов (рис.5.6 и 5.7), также позволяет судить об адекватности математической модели рабочего процесса рыхлительного агрегата реальному рабочему процессу исследуемой машины.
В Федеральном государственном унитарном предприятии Конструкторское Бюро транспортного машиностроения, г. Омск, внедрена методика выбора рациональных параметров СУ РА.
Акт внедрения методики представлен в приложении настоящей диссертационной работы. Методика представляет собой руководство по выбору основных параметров гидропривода и системы управления рыхлительным агрегатом на базе трактора Т-170 с использованием пакета программ написанных на языке MATLAB 6.5, моделирование рабочего процесса производилось в приложении Simulink 5.0, входящим в состав пакета MATLAB 6.5.
Блок-схема выбора рациональных параметров СУ РА на базе трактора Т-170 приведена на рисунках 4.40 и 4.41.
В работе предлагается использовать комбинированную двухконтурную систему управления (рис.5.8).
Первым контуром является контур управления по отклонению угловой скорости вала ДВС, сигнал управления h (положение рейки топливного насоса) генерируется регулятором частоты вращения исходя из ошибки регулирования Да , которая является результатом сравнения фактической угловой скорости вала ДВС и заданного ее значения (положение органа, регулирующего топливоподачу). Такой контур управления присутствует на всех ДВС, используемых на современных ЗМ и ЗТМ, и представляет собой серийный РЧВ, поставляемый совместно с ДВС заводом-изготовителем.
Второй контур осуществляет компенсацию основного возмущающего воздействия, которым для ДВС является момент сопротивления на валу. Имерительно-преобразовательный блок на основании полученных информационных параметров вырабатывает численную характеристику, оценивающую рабочий процесс РА (например: энергетический показатель Эп). Решающий блок на основании этой характеристики вырабатывает управляющее воздействие U на гидропривод РО, который изменяет глубину рыхления hp, являющуюся основной величиной определяющей значение момента сопротивления М Возможны два варианта реализации систем управления:
1) Автоматизированная СУ - задачей такой системы является выдача параметров, оценивающих рабочий процесс РА, в удобной для человека-оператора форме;
2) Автоматическая СУ - задачей такой системы является выработка управляющих воздействий на РО, на основании получаемых информационных параметров.
В состав автоматизированной системы управления (рис.5.9) входит человек-оператор, задачей которого является осуществление функций решающего блока.
Измерительно-преобразовательный блок на информационных параметров должен выдавать: - текущее значение коэффициента загрузки двигателя К3; - определять его рациональное, для данных условий эксплуатации, значение; - давать рекомендации о изменении положения РО. Наилучшим образом с подобной задачей может справиться микропроцессорное устройство, позволяющее реализовать любой алгоритм управления/87, 138/. В соответствии с задачами, которое должно выполнять ИПУ, был составлен алгоритм работы микропроцессорной системы (рис.5.11). В качестве параметра, характеризующего рабочий процесс РА, используется целевая функция, отражающая использование мощности ДВС: Z = MC-сод- тах. (1) Выбор целевой функции Z основывался на известных выводах /87, 88, 105, 107/ о том, что при обеспечении максимального тягового усилия, а соответственно и мощности ДВС, достигается максимальная эффективность рабочего процесса РА.
С другой стороны, определение, принятого в работе показателя эффективности Эц, в настоящее время практически не возможно, так как не существует способов непосредственного определения глубины рыхления hp и действительной скорости базового трактора v .
Накопление выборок случайных процессов Mc(t) и сод(0 необходимо для обеспечения достоверности статистических оценок получаемых с датчиков момента и угловой скорости величин.
Во время работы автоматизированной СУ РА на пульт человека-оператора постоянно выдается значение коэффициента загрузки двигателя. Задачей человека-оператора, на начальном этапе работы системы, является поддержание коэффициента загрузки двигателя в пределах 0,85-5-0,95.
Для уменьшения требуемой, для работы микропроцессорной СУ, памяти предлагается использовать буферную организацию хранения данных (в памяти хранится ограниченное количество данных, вновь поступающие данные "вытесняют устаревшие"), в сочетании с рекуррентной оценкой математического ожидания, при которой значение математического ожидания корректируется, при обновлении информации поступающей с датчиков: m(n) = m(n-l) + (l/n)[x(n) - m(n-l)], (2) где m(n) - скорректированное значение математического ожидания; m(n-l) -значение на предыдущем шаге; х(п) - текущее значение измеряемой величины.
