авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

В.С. Щербаков, Н.В. Беляев, В.В. Беляев

СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ

ЭСКИЗНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

АВТОГРЕЙДЕРА

Омск • 2009

Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

В.С. Щербаков, Н.В. Беляев, В.В. Беляев

СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ЭСКИЗНОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОГРЕЙДЕРА

Монография

Омск Издательство СибАДИ 2009 УДК 681.5: 621.08 ББК 31.965: 39.311-06.5 Щ 61 Рецензенты:

д.т.н., профессор, С.В. Корнеев (Омский государственный технический университет) д.т.н., профессор, Д.И. Чернявский (Омский государственный технический университет) Монография одобрена редакционно-издательским советом СибАДИ.

В.С. Щербаков, Н.В. Беляев, В.В. Беляев Щ 61 Автоматизация эскизно-технического проектирования автогрейдера:

Монография. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2009. – 139 с.

ISBN В монографии проведен анализ тенденций развития автогрейдеров, обоснован критерий эффективности автогрейдера, рассмотрен этап эскизно технического проектирования жизненного цикла изделия;

рабочий процесс автогрейдера представлен как сложная динамическая система, состоящая из базовой машины, системы управления рабочим органом, микрорельефа обрабатываемой поверхности и силы реакции разрабатываемого грунта на рабочий орган;

проведен анализ влияния основных геометрических параметров и рабочего процесса автогрейдера на его планирующую способность;

приведена инженерная методика расчета основных параметров автогрейдера, описан программный продукт для автоматизации эскизно-технического проектирования автогрейдера.

Монография может быть полезна студентам ВУЗов, аспирантам, инженерам, научным работникам, чья деятельность связана с исследованиями автогрейдеров, их моделированием и проектированием.

Табл. 22. Ил. 82. Библиогр.: 115 назв.

ISBN © В.С. Щербаков, Н.В. Беляев, В.В. Беляев, ОГЛАВЛЕНИЕ Введение………………………………………………………………………………. 1. Состояние вопроса в предметной области.…………………………..................... 1.1. Жизненный цикл изделия…………………………...………………………... 1.2. Этап эскизного проектирования………………….…………………………... 1.3. Основные тенденции развития автогрейдеров………………........................ 1.4. Обзор механизмов подвески рабочего органа автогрейдера…..................... 1.5. Блок-схема рабочего процесса автогрейдера………………………………... 1.6. Анализ исследований по теории копания грунтов…………………...……... 1.7. Анализ математических моделей микрорельефа обрабатываемой поверхности….………………...….………………...….………………...….………..

1.8. Анализ и обоснование критериев эффективности автогрейдера, выполняющего планировочные работы………………………………...…………...

2. Математическое описание рабочего процесса автогрейдера................................ 2.1. Морфологический анализ конструкции автогрейдера….………………… 2.2. Обобщенная математическая модель автогрейдера……………………….. 2.3. Математическая модель системы управления рабочим органом автогрейдера…………...…………...…………...…………...…………...…………...

2.4. Математическая модель процесса копания грунтов………………………... 2.5. Математическая модель микрорельефа обрабатываемой поверхности ….. 2.6. Математическая модель рабочего процесса автогрейдера………………… 2.7. Методика экспериментальных исследований……………………………….. 2.8. Подтверждение адекватности математической модели автогрейдера…….. 3. Теоретические основы инженерной методики проектирования автогрейдера... 3.1. Методика теоретических исследований математической модели автогрейдера, выполняющего планировочные работы…………………................

3.2. Анализ влияния параметров рабочего процесса на планировочные свойства автогрейдера………………………………………………………………...

3.2.1. Влияние угла захвата рабочего органа………………………………... 3.2.2. Влияние соотношения базы машины и коэффициента базы к длине волны неровности обрабатываемой поверхности…………………………………..

3.2.3. Влияние параметров микрорельефа……………………….................... 3.2.4. Влияние параметров ходового оборудования……………....................

3.3. Результаты анализа влияния основных геометрических параметров на планировочные свойства автогрейдера……..……………………………………….

3.3.1. Аппроксимация функциональных зависимостей, полученных в результате машинного эксперимента…….………………………………………….

3.3.2. Алгоритм решения задачи безусловной оптимизации градиентным методом ………………………………………………………………..

3.3.3. Выбор оптимальных значений геометрических параметров автогрейдера………………………………………………………………………...

3.4. Тягово-сцепной расчет автогрейдера………………………………………… 3.5. Выбор шин……………….……………………..……………………………… 4. Система автоматизации проектирования…………...…………............................. 4.1. Инженерная методика расчета основных параметров автогрейдера……… 4.2. Система автоматизации проектирования автогрейдера на эскизно техническом этапе……………………………………………………….…………… Заключение…………………………………………..………………………............... Библиографический список…………..……………………………………………… ВВЕДЕНИЕ Целью каждой проектно-конструкторской разработки является создание и выпуск изделий на уровне лучших мировых образцов.

Достичь этой цели можно лишь путем применения комплекса наиболее эффективных технических решений. Для этого требуется синтезировать и проанализировать много вариантов решений, что по ряду причин затруднительно без применения вычислительной техники [52,66].

В наши дни наблюдается бурное развитие систем автоматизированного проектирования (САПР) в машиностроении, которые используются для автоматизации конструкторских и технологических работ. Современные САПР применяются для сквозного автоматизированного проектирования, технологической подготовки, анализа и изготовления изделий в машиностроении, для электронного управления конструкторской и технологической документацией.

Применение САПР в промышленности позволяет существенно снизить затраты времени и средств на создание новых и модернизацию существующих машин [5].

Автогрейдер, как землеройно-транспортная машина, выполняет широкий круг работ, в том числе работ по возведению земляного полотна. Значительная часть этих работ приходится на планировочные работы [61,92,93].

До настоящего времени не было разработано САПР автогрейдера, в полной мере учитывающей закономерности влияния основных конструктивных параметров на планировочные и тягово сцепные свойства.

В связи с этим возникла необходимость исследования планировочных, тягово-сцепных характеристик автогрейдера и создания научно-обоснованной методики по выбору рациональных конструктивных параметров при эскизно-техническом проектировании автогрейдера.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 1.1. Жизненный цикл изделия Жизненный цикл изделия - это период времени, проходящий с начала его разработки до момента вывода изделия из эксплуатации и утилизации. Жизненный цикл изделия может быть поделен на стадии (рис. 1.1):

Стадия внешнего проектирования - период, в течение которого происходит формирование требований к изделию и разработка технического задания (ТЗ) на его проектирование [107,109].

Содержание стадии: выяснение целей создания изделия, уточнение круга решаемых с его помощью задач, исследование свойств внешней среды, изучение вероятных характеристик процесса взаимодействия среды с изделием, формирование начальных представлений об облике и возможностях изделия.

Выход стадии - ТЗ на проектирование изделия, т.е. исходное описание изделия, содержащее сведения о его назначении, требования к его характеристикам, сведения о результатах проведенных исследований, условия испытаний, правила ввода в действие и эксплуатации.

Стадия внутреннего проектирования - период, в течение которого разрабатывается описание проектируемого изделия, достаточное для его изготовления и эксплуатации [107].

Содержание стадии: уточнение внешнего вида изделия, оп ределение его внутренней структуры, выбор технических решений по элементам конструкции изделия, значениям технических параметров и режимам эксплуатации.

Выход стадии - технический проект изделия, т.е. комплект проектно-конструкторской и технологической документации, необхо димой, и достаточной для серийного изготовления изделия, удов летворяющего требованиям ТЗ.

Большой объем работ на этой стадии сделал необходимым ее разделение на три этапа.

С адия внешнего проектирования т Формулировка цели С гласование ТЗ о С адия внутреннего проектирования т Техническое предложение Эскизный проект:

- Анализ;

- С нтез.

и Технический проект:

- Конструкторская документация;

- Технологическая документация.

С адия изготовления и испытания т опытного образца О ытный образец п Уточнение параметров Рабочий проект С адия серийного выпуска т и эксплуатации изделия С рийное производство е Эксплуатация Утилизация Рис 1.1. Стадии жизненного цикла изделия Техническое предложение содержит технико-экономическое обоснование целесообразности разработки, уточняет требования к ней, полученные на основании анализа технического задания и проработки вариантов возможных технических решений. Требования к выполнению технического предложения установлены ГОСТ 2.118 73 [5].

Этап эскизного проектирования предусматривает уточнение параметров и характеристик изделия, необходимое вследствие проектно-конструкторской проработки его основных агрегатов и узлов, формирования их облика, сопровождаемого комплексом экспериментальных исследований и расчетов. Выход этапа - эскизный проект изделия.

Эскизный проект представляет собой проектную конструктор скую документацию, в которой изложены принципиальные конструк торские решения, дающие общее представление о конструкции и принципе работы, а также данные, определяющие соответствие назначению (ГОСТ 2.119-73) [5].

Этап рабочего проектирования предусматривает проработку конструкций всех агрегатов, узлов и деталей изделия, а также технологии их изготовления и сборки. Выход этапа - технический проект изделия.

Технический проект содержит окончательное техническое реше ние, дающее полное представление о конструкции разрабатываемой и включающее данные, необходимые для разработки рабочей конструкторской документации (ГОСТ 2.180-73) [5].

Конструкторскую документацию разрабатывают на стадии рабочего проекта и используют для технологической подготовки производства, изготовления, контроля, приемки, поставки, эксплуатации и ремонта.

Техническую документацию, получаемую в процессе проектиро вания и используемую на различных стадиях жизненного цикла, разделяют на исходную, проектную, рабочую, информационную.

К исходной документации относят заявку на разработку и осво ение продукции, исходные требования, рекомендации по разработке продукции, получаемые в процессе исследований, ТЗ.

Проектную документацию разделяют на конструкторскую и технологическую. Конструкторскую составляют материалы техни ческого предложения, эскизного и технического проектов, а техноло гическую - материалы предварительного проекта [5].

Рабочая документация состоит из конструкторской, технологи ческой, эксплуатационной и ремонтной документации [5].

К информационной документации относят карту технического уровня и качества продукции (ГОСТ 2.116-84), патентный формуляр, информационную карту расчета экономической эффективности и цен новой продукции, каталоги, отчеты о патентных исследованиях и др[5].

Стадия изготовления и испытаний опытного образца - период, в течение которого изготавливается и испытывается один или несколько образцов изделия [107].

Содержание стадии: изготовление опытного образца изделия с одновременной отладкой и корректировкой конструкторской и технологической частей рабочего проекта, испытания опытного образца (или партии) в лабораторных и полевых условиях на предмет выявления конструктивных недостатков и технологических недоработок, а также с целью уточнения значений параметров из делия и их соответствия ТЗ.

Выход стадии - рабочий проект изделия, скорректированный с учетом выявленных конструктивных и технологических недостатков, полностью адаптированный к условиям конкретного производства.

Стадия серийного выпуска и эксплуатация изделия - период, в течение которого ведется серийное производство изделия с параллельной его эксплуатацией [107].

Содержание стадии: серийный выпуск изделий и передача их в эксплуатацию, сопровождающиеся выявлением дефектов конструк ции изделия, недостатков в обеспечении его надежности и долго вечности, технологических просчетов.

Выход стадии - документация на модернизацию изделия и технологии его изготовления.

Заключительная стадия жизненного цикла изделия – снятие с эксплуатации и утилизация.

1.2. Этап эскизного проектирования В данной работе разработана САПР эскизного этапа проектирования автогрейдера.

При проектировании типовые проектные процедуры обычно вы полняются в традиционной последовательности, называемой типич ной последовательностью проектных процедур. Процедуры, включенные в алгоритм, блок-схема которого дана на рис. 1.2, предусматривают преобразование описания объекта на эскизном этапе проектирования.

В такой последовательности процедура "Формирование ТЗ на нижний уровень" является заключающей и предполагает разработку технического задания для проектных процедур нижеследующего иерархического уровня. Например, ТЗ на проектирование силового привода, рабочего органа, ходового оборудования автогрейдера могут появиться лишь как результат синтеза структуры автогрейдера в целом и анализа характерных для него рабочих процессов.

Ниже раскрыто содержание проектных процедур, предусмот ренных блок-схемой на рис. 1.2 [107].

Создание математической модели - создание математического описания (математической модели) функционирования изделия, отражающей существенные с точки зрения проектировщика свойства.

Выбор параметров - задание диапазонов или фиксированных значений параметров изделия, знание которых необходимо для выполнения расчетов по математической модели или для организации экспериментальных исследований [107].

Анализ - выполнение любой процедуры (математический расчет, физический или машинный эксперимент на ЭВМ, обработка информации и т.д.), позволяющей получить результаты, поддающиеся оценке.

ТЗ выполнено? - оценка результатов анализа на соответствие их требованиям технического задания.

Выбор решения - выбор варианта дальнейших действий, который, по мнению проектировщика, поможет добиться соответствия результатов анализа требованиям ТЗ [107].

В зависимости от характера вариантов, выбиравшихся в пре дыдущих шагах, возможны либо изменение параметров, либо (если диапазон варьирования параметров исчерпан) изменение структуры проектируемого изделия, либо (если рассмотрение возможных ва риантов структур не дало желаемых результатов) изменение ТЗ, сформированного на предыдущем иерархическом уровне [107].

Оформление документации - документирование всех принятых решений в случае, если результаты анализа соответствуют требо ваниям технического задания. Практически это означает изготовление окончательного для данного иерархического уровня и для данной итерации варианта описания [107].

Формирование ТЗ на нижний уровень - разработка ТЗ на про ектирование частей (или свойств) объекта, принадлежащих ниже следующему иерархическому уровню.

1.3. Основные тенденции развития автогрейдеров Достаточно большое количество научных работ посвящено решению проблемы повышения геометрической точности работ и максимального использования тягово-сцепных свойств автогрейдера.

В большинстве предшествующих работ рассматривается рабочий процесс автогрейдеров, оснащенных системами управления. Однако, в зависимости от задач исследования, различные подсистемы изучались с различной степенью детализации и глубины. Это позволяет условно разделить предшествующие исследования на несколько направлений [2,3,10,12,13,72]:

- работы, посвященные совершенствованию базовой машины, рабочего и ходового оборудования [18,22,23,24,26,28,29,30,39,54,65,97];

- работы, направленные на повышение динамических характеристик гидроприводов рабочего органа (РО) [41];

- работы, направленные на совершенствование систем управления (СУ) РО[6,7,17,19,25,31,42,50,51,70,73,95].

Совершенствованию конструкций базовых машин посвящены работы Беляева В.В. [15,16], Калугина В.Е. [65], Колякина В.И. [68], Немировского Э.Э. [82], Поповой Е.В. [88], Привалова В.В. [89], Степанова Э.А. [98], Шестопалова К.К. [108], Щербакова В.С. [110] и др.

С целью повышения эффективности автогрейдеров существующие конструкции этих машин постоянно совершенствуются.

A Начало B1 B ТЗ от Ввод верхнего исходных уровня данных C2 C С нтез и Изменение структуры ТЗ D2 D С здание о Изменение матем. С руктуры т модели E2 E Изменение Выбор параметров параметров F Анализ G G Выбор G ТЗ 2 Нет Критерий ТЗ выполнено? решения Да H О ормление ф документации I Формирование ТЗ на нижний уровень J Конец Рис. 1.2. Блок-схема алгоритма проектных процедур на эскизном этапе проектирования В настоящее время намечаются следующие тенденции развития автогрейдеров [60,62]:

повышение единичной мощности и тягово-сцепных свойств машины [53];

повышение транспортных скоростей с целью увеличения производительности [12];

широкое применение модульного принципа конструирования на базе унифицированных узлов [12, 13,68];

дальнейшее совершенствование гидропривода машин [6,7];

повышение степени автоматизации машин и оборудования в результате применения систем автоматики и микропроцессорной техники [6,7,84,88,101,110];

разработка вариантов машин, усовершенствованных для работы в специфических условиях Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири [75];

повышение универсальности машин, благодаря использованию рабочего оборудования различного назначения [12,13,99];

одновременное использование нескольких рабочих органов с целью повышения производительности труда [89];

разработка принципиально новых конструкций автогрейдеров с целью повышения производительности машин: совершенствование устройства подвеса РО, повышение удобства управления и выноса РО, совершенствование РО на основе анализа закономерностей их взаимодействия с разрабатываемым грунтом [12,13,65,68].

Не смотря на введенные новшества, конструкция автогрейдера, основной отличительной чертой которого является расположение РО в пределах колесной базы, существенных изменений не претерпела.

Основные параметры и размеры выпускаемых в настоящее время в России автогрейдеров регламентированы ГОСТ 9420-79 [49]. К ним относятся: масса, мощность двигателя, конструктивные схемы и параметры рабочего оборудования.

Авторы, проводившие исследования автогрейдеров [68,74,98,108,110,111] в полной мере не показали влияние изменения тех или иных параметров ЗТМ на планировочные и тягово-сцепные свойства машин. Возникает необходимость исследования планировочных, тягово-сцепных характеристик автогрейдеров и потребность в создании универсальной научно-обоснованной методики по выбору рациональных конструктивных параметров автогрейдеров.

1.4. Обзор и анализ механизмов подвески РО автогрейдера Основное рабочее оборудование автогрейдера включает в себя тяговую раму, механизм подвески рабочего оборудования и полноповоротный отвал. От конструкции механизма подвески рабочего оборудования зависят многие показатели автогрейдера: его технологические возможности, надёжность в эксплуатации, ремонтопригодность, металлоемкость, сложность изготовления, планирующая способность и сила резания.

Анализ существующих и перспективных кинематических схем навесного оборудования автогрейдера позволил сформировать их классификацию [65]:

1. По конструктивному признаку:

с креплением на неповоротных кронштейнах (рис. 1.3 - 1);

с одношарнирным креплением кронштейнов (рис. 1.3 - 2);

с креплением кронштейнов на обойме (рис. 1.3 - 3);

с трехшарнирным креплением кронштейнов (рис. 1.3 - 4);

с четырехшарнирным креплением кронштейнов (рис. 1.3 - 5).

2. По удобству управления при выносе РО:

с ручной установкой кронштейнов;

с установкой из кабины оператора (рис. 1.3 – 1,2,3,4,5):

а) с упором в грунт для установки кронштейнов (рис.1.3 – 2,4,5);

б) с принудительным выносом РО (рис. 1.3– 1).

Количественно конструктивный признак можно охарактеризовать числом подвижных звеньев, что влияет на неуправляемые перемещения РО, а по удобству управления – быстродействием оборудования, что влияет на производительность машины.

Большинство конструкций навесного оборудования имеют недостатка:

изменение угла перекоса при изменении угла захвата (схемы, у которых плоскость вращения поворотного круга не параллельна опорной поверхности колес);

изменение вертикальной координаты средней точки режущей кромки РО при изменении угла перекоса (все схемы, кроме изображенной на рис. 1.3,а) 1) 2) 3) 4) 5) Рис. 1.3. Кинематические схемы навесного оборудования:

1 - с креплением на неповоротных кронштейнах;

2 - с одношарнирным креплением кронштейнов;

3 - с креплением кронштейнов на обойме;

4 - с трехшарнирным креплением кронштейнов;

5 - с четырехшарнирным креплением кронштейнов.

На Брянском заводе дорожных машин разработана принципиально новая конструкция подвески рабочего органа без поворотного круга автогрейдера. Одновременное выдвижение (втягивание) гидроцилиндров 1, 2 (рис. 1.4) позволяет изменять угол резания отвала, выдвижение одного из них и втягивание другого изменять угол захвата отвала. Гидроцилиндры 5 и 7 служат для подъема-опускания рабочего органа, гидроцилиндр 6 - для выноса его в сторону [97].

Такое техническое решение позволило улучшить геометрические показатели автогрейдера, его компоновку, снизить трудоемкость изготовления, повысить жесткость системы отвал - машина [97].

Таким образом, каждая из конструктивных схем преследует решение конкретной задачи.

1.5. Блок-схема рабочего процесса автогрейдера Рабочий процесс автогрейдера рассматривается как сложная динамическая система, состоящая из подсистем, участвующих в процессе формирования профиля земляного полотна в соответствии с заданием на производство.

Рис. 1.4. Кинематическая схема крепления рабочего органа автогрейдера:

1,2 - гидроцилиндры изменения угла резания;

3 - хребтовая балка;

4 - тяговая рама;

5,7 - гидроцилиндры подъема-опускания отвала;

6 - гидроцилиндр выноса в сторону;

8 - универсальный шарнир;

9 - отвал.

В такой динамической системе взаимодействуют базовая машина (автогрейдер), грунт и СУ положением РО, в свою очередь состоящие из подсистем, влияющих на точность выполнения проектных геометрических параметров земляного полотна с заданной производительностью.

На рис. 1.5 представлена блок-схема динамической системы планировочного процесса. Данная блок-схема включает в себя основных блока: исходные данные, моделирование рабочего процесса автогрейдера, результаты работы.

В качестве исходных данных системы рассматриваются основные свойства грунта, влияющие на планирующие и тягово-сцепные характеристики автогрейдера (микрорельеф, длина волны неровности, плотность, влажность грунта, коэффициент сопротивления копанию) и задание на производство земляных работ (производительность и проектные геометрические размеры).

Моделирование рабочего процесса автогрейдера Результаты работы Исходные данные Параметры грунта, Векторный влияющие на планирующую критерий P способность автогрейдера: эффективности:

- микрорельеф;

P4 Т Кс =[Кy, Кgm], где, P6 P P7 P - сила реакции грунта на отвал. Кg- коэффициент Ходовое Навесное Рама Рабочий орган сглаживания Параметры грунта, оборудование оборудование в поперчной влияющие на тягово- сцепные плоскости;

свойства автогрейдера: P Кy - коэффициент - вид покрытия;

Гидропривод сглаживания - плотность;

P5 РО в продольной - влажность;

плоскости;

- предел прочности;

- коэффициент сопротивления копанию. m - масса P P2 P9 автогрейдера.

Задание на производсво земляных работ:

С стема управления и - производительность;

P - проектные геометрические размеры.

Рис. 1.5. Блок-схема рабочего процесса автогрейдера.

Результаты работы оценивались векторным критерием эффективности:

K [ K y, K, m]Т, (1.1) где K y, K - коэффициенты сглаживания в продольной и поперечной плоскостях, m – масса автогрейдера.

Автогрейдер представлен подсистемами: рама, ходовое оборудование, навесное оборудование, СУ, гидропривод РО и сам отвал.

Грунт воздействует на базовую машину через микрорельеф на ходовое оборудование и реакцией разрабатываемого грунта на РО автогрейдера.

Подсистема ходового оборудования, воспринимая возмущающие воздействия со стороны грунта, в свою очередь, воздействует на раму базовой машины. Далее воздействие передается на РО через навесное оборудование. РО, изменяет свое положение в пространстве – заглубляется или выглубляется.

Управление РО осуществляется СУ с помощью гидропривода по двум параметрам: продольному и поперечному уклонам профиля земляного полотна, формируемыми положением отвала автогрейдера.

Подсистемы соединены между собой векторными связями, отражающими прохождение информации от блока к блоку.

Вектор требуемых геометрических параметров земляного сооружения ( P 1 ) задается проектной документацией.

Реальные геометрические параметры ( P 3 ) снимаются с обработанного грунта и являются выходными координатами сложной динамической системы.

В реальных процессах формирования земляной поверхности P 3 P1.

Подсистема ходового оборудования воспринимает возмущающие воздействия от грунта ( P 4, P 5 ). В свою очередь подсистема ходового оборудования является источником воздействия ( P 6 ) на раму автогрейдера.

Подсистема рамы приводит к перемещениям навесного оборудования ( P 7 ). Подсистема навесного оборудования своими воздействиями ( P 8 ) изменяет положение РО относительно машины.

СУ получает информацию от датчиков положения отвала ( P9 ), сравнивает ее с проектными параметрами ( P1 ), по определенному алгоритму обрабатывает ее и формирует управляющие воздействия на гидропривод РО ( P10 ). Подсистема гидропривода РО реализует управляющие воздействия ( P 11 ), перемещает элементы навесного оборудования, компенсируя неуправляемые перемещения ( P 7 ) со стороны рамы машины.

Подсистема РО, двигаясь вместе с ЗТМ, осуществляет копание грунта, реакция которого ( P12 ) влияет на положение РО в пространстве. Изменяя свое положение (вертикальную координату, угол наклона РО в поперечной плоскости, угол захвата РО, угол резания), РО в разрабатываемом грунте формирует земляную поверхность с фактическими геометрическими параметрами ( P 3 ).

Процессам взаимодействия отдельных подсистем друг с другом посвящено достаточно много исследований, анализ которых позволяет сделать вывод о возможности их использования при решении поставленной в работе проблемы.

1.6. Анализ исследований по теории копания грунтов Выбор модели процесса взаимодействия РО с разрабатываемым грунтом базируется на следующих предпосылках: обеспечение требуемой точности геометрических параметров земляного сооружения происходит на завершающих проходах ЗТМ по обрабатываемому участку, грунт при этом, как правило, разрыхлен, а толщина срезаемой стружки грунта не более 0,07 м. Сопротивление копанию зависит от физико-механических свойств грунта, толщины стружки, параметров РО [63,64,110].

Теории копания можно разделить на группы [4,9,35,36]:

теории, базирующиеся на результатах экспериментальных исследований (В.П.Горячкин, А.Н.Зеленин, Ю.А.Ветров, а также зарубежные авторы: И.Ратье, Т.Кюн, Р.Шилд и др.);

теории, основанные на положениях механики сплошной среды и теории прочности (К.А.Артемьев, В.И.Баловнев и др.).

Данные теории позволяют определить сопротивление резанию и копанию при условии, что известны параметры РО, режим работы и параметры грунта [101].

В реальных условиях большинство этих параметров носят случайный характер. Поэтому математическая модель силового воздействия со стороны грунта при проведении планировочных работ должна быть реализована как случайный процесс, изменения реакции F грунта на отвале автогрейдера, предлагается представить в виде:

F ро Fт Fф, (1.2) где Fт - низкочастотный тренд;

Fф - высокочастотная составляющая (флюктуация), которая изменяется по случайному закону нормального распределения.

В качестве примера функция тренда приведена на рис. 1.6.

FТ t Рис. 1.6. Тренды сопротивлений копанию грунта рабочего органа автогрейдера Корреляционные функции случайных флюктуаций можно представить в виде [101]:

Ф Кф 2 е cos ф, (1.3) ф где ф2 - дисперсия флюктуаций;

ф и ф - параметры корреляционной функции.

Значения ф и ф приведены в табл. 1.1.

Таблица 1. Значения параметров корреляционной функции для определения флюктуаций Fф [9] Предел прочности Параметр грунта, МПа ф ф 0 - 0,2 0,8 - 1,5 2,5 - 0,2 - 0,4 1,2 - 1,8 4 - 0,4 - 0,6 1,5 - 2,0 6 - 0,6 - 0,8 1,8 - 3,0 8 - Дисперсия флюктуации определяется следующим образом [103]:

ф ф mф, (1.4) где mф - математическое ожидание флюктуации, численно равное тренду соответствующей составляющей реакции грунта;

ф коэффициент вариации флюктуации, соответствующей составляющей сопротивления копанию.

Низкочастотную составляющую реакции грунта на РО в работах К.А.Артемьева предложено определять как сосредоточенный вектор, состоящий из трех составляющих и приложенный к центральной точке режущей кромки отвала.

Применительно к автогрейдеру, выполняющему планировочные работы отвалом с ножом криволинейного профиля постоянного радиуса кривизны с острой режущей кромкой, справедливо равенство [103]:

Fх ( Fхл F yл 1 ) sin 2 Fпр sin, (1.5) где Fх - горизонтальная составляющая вектора силы сопротивления копанию грунта;

Fхл, F yл - соответственно горизонтальная и вертикальная составляющая силы сопротивления резанию грунта при лобовом копании;

Fпр - сопротивление перемещению призмы волочения;

1 - коэффициент трения грунта по металлу;

- угол захвата отвала.

При косом копании горизонтальная Fx, вертикальная F y и поперечная Fz составляющие силы резания определяются [4]:

Fx Fxл sin 2 ;

(1.6) Fy Fyл sin 2 ;

(1.7) Fz Fxл cos. (1.8) Сопротивление призмы волочения Fпр выражается уравнением [103]:

cos 2 1 Fп р п р g В H г, (1.9) 2 cos cos o где пр - объемная масса грунта в призме волочения;

g - ускорение свободного падения;

В – ширина колеи машины;

H г - высота отвала по хорде без участка, погруженного в грунт;

0 - угол внешнего трения;

- угол внутреннего трения;

- угол, составленный вертикалью и линией, соединяющей верхнюю точку отвала с точкой его контакта с поверхностью разрабатываемого грунта, равен:

h H arcsin cos p arcsin R0 2 R (1.10) р h arcsin 1 cos p, R0 2 где p - угол резания;

h - толщина срезаемой стружки;

R 0 - радиус кривизны отвала;

H 0 - высота отвала по хорде.

Величина H г определяется по формуле [103]:

H h 2 arcsin 0 arccos cos p p 2R R.

0 (1.11) H г 2 R0 sin Значения горизонтальной и вертикальной составляющих реакции грунта определяются из уравнений [103]:

Fxл М 1R h В K 1R g h С ctg Сtg ;

2 (1.12) F yл М 2 R h b K 1R g h C ctg Ctg, 2 где - объемная масса грунта;

С - коэффициент сцепления грунта.

M 1R 1 tg 0 tg ( / 2) ;

M 2 R tg ( / 2) tg 0 ;

(1.13) cos 0 cos 0 sin 2 sin 2 K1R cos 2 (1 sin ) (1.14) sin cos1R 1 sin 2 sin 2 1R, где - угол, образуемый подпорной стенкой с вертикалью;

центральный угол дуги ножа криволинейного профиля, погруженного в грунт.

arccos(cos p h / R0 ) p ;

(1.15) sin 1R 0 arcsin. (1.16) sin 2 2 Анализ предшествующих работ по теориям копания грунта показал, что для достижения поставленной в данной работе цели процесс взаимодействия РО с разрабатываемым грунтом может быть представлен математической моделью (формула 1.2), включающей в себя низкочастотную составляющую (тренд) сопротивления копанию, зависящую от физико-механических свойств грунта, толщины срезаемой стружки, параметров призмы волочения, формы отвала, а также высокочастотную составляющую (флюктуацию), вызванную случайными явлениями, такими как неоднородность грунта, переменное значение толщины стружки грунта, неуправляемые колебания РО и др.

1.7. Анализ математических моделей микрорельефа обрабатываемой поверхности В зависимости от решаемых задач математическая модель рельефа может быть представлена детерминированными или стохастическими функциями [14].

Детерминированные модели представляют собой математическое описание неровностей рельефа в виде детерминированных функциональных зависимостей вертикальных координат поверхности от горизонтальных координат. Они менее достоверны по сравнению со стохастическими и имеют ограниченные возможности. Их в основном используют при подтверждении адекватности создаваемых математических моделей, анализе частотных характеристик исследуемых машин и качественных показателей систем управления РО [101].

Для изучения ЗТМ наиболее удобно пользоваться стохастическо детерминированной моделью земляного полотна. При этом корреляционная функция профиля задается детерминированной моделью, а по ней с использованием рекуррентных соотношений строится на ЭВМ псевдослучайный профиль [101].

Профиль местности может быть условно разделен на макропрофиль, микрорельеф и шероховатость. К макропрофилю относят неровности значительной протяженности (более 100 м) и сравнительно большой амплитуды. Для шероховатости характерны неровности высокой частоты с длиной менее 0,5 м и малыми амплитудами. Как макрорельеф так и шероховатости не представляют интереса с точки зрения планировочных свойств автогрейдера, так как макрорельеф вызывает очень медленное изменение во времени положения РО, а шероховатость компенсируется сглаживающей способностью шин [14].

Взаимосвязь случайных значений функции по длине обрабатываемого участка земляного полотна можно охарактеризовать корреляционными функциями [113,94].

Корреляционные функции случайного процесса с достаточной степенью точности аппроксимируют функциональной зависимостью [113]:

( ) A1e 1 A2 e 2 cos, (1.17) где 1 и 2 - коэффициенты, характеризующие затухание этой функции;

- коэффициент, характеризующий периодическую составляющую микропрофиля;

при = 0 A1 A2 1.

В табл. 1.2 приведены некоторые аппроксимации корреляционных функций поверхностей, которые могут стать объектом планировочных работ автогрейдера [14].

Большинство корреляционных функций аппроксимируются выражением (1.17). В ряде случаев нормированные корреляционные функции микропрофилей можно представить более простыми выражениями [113,94]:

( ) 2 e ;

(1.18) ( ) 2 e cos( ), (1.19) где и - коэффициенты, зависящие от типа профиля, дисперсия функции микропрофиля поверхности;

L / V, здесь L – расстояние, пройденное машиной от начала отсчета;

V – скорость движения машины.

Функции (1.18) и (1.19) можно реализовать на ЭВМ с помощью следующего рекуррентного соотношения [113]:

Для (1.18) y (n) a 0 x( n) q1 y (n 1) ;

(1.20) a0 1 2 ;

(1.21) ђ ;

(1.22) q1 e e ђ;

(1.23) ђ ђ hЉ. (1.24) Таблица 1. Статистические свойства микрорельефа типовых грунтовых поверхностей [14] Численные значения параметров Выражение, аппроксимирующее № Характер нормированную корреляционную у,10-2, п/п поверхности 1, с-1 2, с-1, с- функцию микропрофиля А1 А м 1. 1=0, cos 1l A2 e ( ) A1e1 cos 0,1 0,1 0,7 0,3 1, 2=0, Накатанная грунтовая дорога 2. A2 e ( ) A1e1 cos 0,087 0,1 0,35 0,92 0,08 2, 3. ( ) A1e1 cos Укатанная дорога 0,77 - 1,35 5,5 - 5, 4. ( ) e1 0,3 - - - - 2, Грунтовая 5. грейдерная дорога A2 e ( ) A1e1 cos 0,8 0,05 0,6 0,8 0,2 2, 6. cos 1 A2 e ( ) A1e1 cos 2=0, Грунтовая дорога 0,039 0,27 0,54 0,46 57, 7. Грунтовая дорога 0,1… 0,6… 0,01… ( ) A1e1 cos 0,1…0,5 0,8…3,0 4,5…9, A2 e среднего и плохого 1,0 1,0 0, качества 8. Разбитая грунтовая ( ) A1e1 cos 0,085 0,08 0,235 0,55 0,45 47, A2 e дорога 9. Проселочная 0,014… 0,025… ( ) e1 cos - - - дорога 0,111 0, 10. Проселочная ( ) A1e1 cos A2 e дорога на границе 0,65 0,15 2,0 0,8 0,2 0, поля Продолжение таблицы 1. 11. Проселочная ( ) A1e1 A2e cos дорога возле 0,2 0,3 0,95 0,8 0,2 2, пашни 12. 1=0, Грунтовый ( ) e1 (cos 1 2 sin 2 ) 0,53 0,138 - - 2, 2=3, аэродром 13. Основная лесовозная дорога ( ) e1 cos 0,084… 0,084… 7,6… с гравийным - - 0,116 0,115, покрытием на песчаной почве 14. A2 e ( ) 1,9( A1e1 sin ) Целина 3,5 0,67 3,05 1,0 0,72 1, 15. Вспаханное поле ( ) e1 cos 0,518 - 1,366 - - 0, вдоль пахоты 16. Вспаханное поле ( ) e1 cos 1,171 - 3,142 - - 1, поперек пахоты 17. Трасса движения ( ) e1 cos 0,085 - 0,151 - - 10, мелиоративной машины 18. ( ) e1 cos Рисовый чек 0,06 - 0,022 - - Для (1.19) y (n) a 0 x( n) a1 x(n 1) q1 y ( n 1) q 2 y (n 2), (1.25) c ;

2 c1 4c a0 c (1.26) c ;

(1.27) a c q1 2 cos 0 ;

(1.28) q2 2 ;

(1.29) c0 ( 2 1)cos 0 ;

(1.30) c1 1 4 ;

(1.31) e к ;

(1.32) к к h;

(1.33) 0 h, (1.34) где h - шаг дискретности времени;

x(n) - реализация независимых нормально распределенных чисел со следующими параметрами:

математическое ожидание m=0, среднеквадратичное отклонение =1.

Для случайных процессов с наиболее часто встречающимися корреляционными функциями моделирующие алгоритмы и его параметры приведены в табл. 1.3 [14].

При формировании математической модели микрорельефа обрабатываемой поверхности целесообразно учитывать сглаживающие характеристики пневматических шин ходового оборудования [94,113].

Элементы ходового оборудования ЗТМ контактируют с грунтом на площадке длиной 2X0 [110]. Нивелирующая способность шин определяется уравнением:

1 x x y ( X ) dX, (1.35) Y(X ) 2 X 0 x x где y (X ) - вертикальная координата микрорельефа;

Y (X ) результирующая вертикальная координата микрорельефа после сглаживающего действия шины.

С учетом сказанного, при исследовании процесса взаимодействия элементов ходового оборудования с грунтом, правомерно принять допущение о точечном контакте шин у грунтом, при этом вертикальные координаты микропрофиля должны определяться по формуле (1.35).

Таблица 1. Моделирующие алгоритмы случайных процессов и их параметры [14] Корреляционная функция Моделирующий алгоритм Параметры моделирующего алгоритма R I ( ) 2e a0 1 2 ;

b1 ;

e ;

h y I [ n ] a 0 x [ n ] b 1 y [ n 1] 1.

2 a0 C (C1 C1 4C0 ) / 2;

a1 C0 / C;

II y [n] a0 x[n] a1x[n 1] II R ( ) e cos b1 2 cos 0 ;

b2 2 ;

C0 ( 2 1) cos 0 ;

2.

b1 y[ n 1] b2 y[n 2] C1 1 4 ;

e ;

h;

0 h R( ) R I ( ) R II ( ) y[n] y I [n] y II [n] 3.

2 a0 (C1 C 1 4C 0 ) / 2;

a1 aC 0 / C ;

R ( ) 2e (cos y[ n ] a0 x[ n ] a1 x[ n 1] b1 2 cos 0 ;

b2 2 ;

C1 1 4 - 4 2 sin 0 cos 0 ;

4.

sin ) b1 y[ n 1] b2 y[ n 2] C 0 ( 2 1) cos 0 (1 2 ) sin Примечание: h – шаг дискретности времени ;

х[h] – реализация независимых нормально распределенных чисел с параметрами: матожидание m=0, среднеквадратическое отклонение =1.

1.8. Анализ и обоснование критериев эффективности автогрейдера, выполняющего планировочные работы Применение на этапе разработки автогрейдеров научно обоснованных методов оценки, построенных на базе технико экономического анализа систем, позволяет сократить нерациональное расходование средств на освоение новой продукции и обеспечить производство новейших, более эффективных машин [13, 69].

Оценка эффективности рабочего процесса автогрейдера обычно осуществляется на базе комплекса числовых характеристик, называемых критериями эффективности, которые оценивают степень соответствия машины выполнению поставленных задач. Без учета критерия эффективности нельзя решить вопросы оптимизации основных параметров автогрейдера [13].

Согласно толковому словарю критерий (от греческого KRITERION - средство для суждения) - мерило оценки, суждения.

Для того чтобы используемый критерий эффективности отвечал своему предназначению, необходимо при его выборе учесть основные требования, предъявляемые к нему. Согласно этим требованиям, критерий прежде всего должен обладать представительностью, т. е.

соответствовать целям и задачам исследуемого процесса, быть критичным (чувствительным) к исследуемым параметрам, быть достаточно удобно вычисляемым, иметь ясный смысл. Кроме того, необходимо соблюдение определенности (однозначности), результативности (возможности оценки при любых значениях исследуемых параметров) и объективности критерия.

Обоснование и выбор критерия или системы соответствующих показателей эффективности автогрейдера является важнейшим этапом в решении задач оптимизации и совершенствования параметров машины [57].

При формировании показателя эффективности необходимо учитывать следующее [64]:

показатель должен отражать влияние на эффективность машины всего многообразия определяющих факторов: технических параметров, условий производства, эксплуатации и др.;

должен обеспечить получение обоснованных рекомендаций для выбора рациональных технических параметров машины, совокупность которых определяет ее технико экономическую эффективность;

обеспечить решение вопросов, касающихся установления технико-экономической целесообразности практического применения объекта в группе машин разного типоразмера с учетом условий эксплуатации, производства, потребностей и перспектив развития промышленности.

Систему показателей для оценки эффективности землеройных машин целесообразно формировать на базе такого обобщенного показателя как приведенные удельные затраты, который с учетом соответствующих связей и ограничений наиболее полно отвечает рассмотренным требованиям и позволяет оценить эффективность машины как в сфере производства, так и в сфере производительности [64].

Приведенные удельные затраты являются комплексным показателем оценки эффективности сложных систем наиболее высокого уровня. В наиболее общем виде этот критерий учитывает эффективность соответствующего объекта техники в сферах производства и эксплуатации. Приведенные удельные затраты определяются [69] Z Пр. уд. с уд. E k уд. ;

(1.36) С с уд. МС ;

(1.37) П СМ Ц, (1.38) k уд.

Т СМ П СМ где с уд. - себестоимость единицы продукции;

С МС - себестоимость машино-смены;

П СМ - эксплуатационная производительность машины в смену;

k уд. - удельные капитальные затраты, т.е. сумма производственных основных фондов на единицу годового выпуска продукции;

Е - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, характеризующий средний размер экономии от снижения себестоимости продукции, приходящийся на 1 руб.

дополнительных капиталовложений;

Ц - расчетная стоимость машины;

Т СМ - число смен работы машины в году в соответствии с установленным режимом работы.

Все узлы, элементы и подсистемы машины можно условно разделить на две основные подсистемы: двигатель как энергетическую установку и машину без двигателя и представить зависимость для расчета приведенных удельных затрат в виде следующей функции от энергоемкости и металлоемкости системы как частных технико-экономических показателей более низкого уровня [64]:

Z Пр. уд. b1 N уд. b2 m уд. ;

(1.39) a E a b1 1 ;

(1.40) TP k В a E a b2 3, (1.41) TP k В где а1, а2, а3, а4 - капитальные и эксплуатационные затраты, с учетом затрат на повышение надежности, технологичности, ремонтопригодности и т.п., приходящиеся на единицу мощности двигателя (массы машины) в расчете на смену;

m уд. материалоемкость;

TP - число часов работы машины в смену;

k В коэффициент использования машины по времени;

N уд. энергоемкость процесса.

Показатель приведенные удельные затраты целесообразно применять если известно, что коэффициенты, входящие в показатель для сравниваемых объектов техники, изменяются в значительной степени [13].

Недостатком этого критерия является то, что часть показателей, входящих в него, не могут быть определены с необходимой точностью, поэтому целесообразно применять более низкие по иерархической структуре показатели (энергоемкость, материалоемкость и т.д.), которые позволяют определять качество машины при неизменных параметрах, входящих в показатели более высокого уровня [13].

Более низким по иерархической структуре общим показателем служит обобщенный показатель оценки. Он позволяет оценить экономию энергетических и материальных затрат и определяется [64] Пэм=Nуд /Пуд, (1.42) где Пуд - удельная производительность, которая, в свою очередь, определяется Пуд=ПТ /m. (1.43) Обобщенный показатель энергоемкости и материалоемкости целесообразно применять при условии, что для нового объекта коэффициенты приведенных удельных затрат не эксплуатацию и основные фонды значительно не меняются по сравнению с эталоном.

Ниже по иерархической структуре находятся энергоемкость и материалоемкость, входящие в приведенные удельные затраты, оценивающие основные группы подсистем машин или комплексов энергетического и технического назначения. Энергоемкость процесса оценивают показателем Nуд [64] Nуд=N/Пт, (1.44) где N - установленная мощность двигателя машины, Пт – техническая производительность.

mуд Материалоемкость машины является показателем, определяющим затраты материалов на единицу готовой продукции [64] mуд=m/Пт, (1.45) где m - масса машины.

Важным более низким по иерархической структуре показателем служит производительность, которая является составляющим компонентом показателей более высокого уровня, и они не могут быть определены без известного значения производительности. Этот показатель важен при определении эффективности функционирования объекта. Применительно к автогрейдеру этот показатель имеет вид [64]:

П=3600Vb3/n, (1.46) где b3 - ширина захвата;

n - число проходов автогрейдера по обрабатываемому участку до достижения требуемой точности по СНиП [49];

V - рабочая скорость движения машины.

Необходимость соблюдения точностных требований геометрических параметров земляных сооружений объясняется их функциональным назначением. В связи с этим проектной документацией, СНиП на производство и приемку работ в большинстве случаев предусматриваются допускаемые отклонения от основных проектных размеров. В табл. 1.4 даны численные значения предельных отклонений и соответствующих им средних квадратических отклонений высотных отметок и поперечных уклонов земляного полотна дороги.

Таблица 1. Связь геометрических параметров земляного полотна, предусмотренных СНиП 3.06.03- с среднеквадратическими отклонениями [96] Контролируемый Условия оценки параметр Количество Предел измерений % отклонений «ХОРОШО»

Высотные отметки продольного профиля 30,3 (6,06) мм 90 % 50 (10) мм «ОТЛИЧНО»

25,5 (5,1) мм 95 % 50 (10) мм “ХОРОШО” Поперечные уклоны 0, 90 % 0, (0,00303) (0,005) “ОТЛИЧНО” 0, 95 % 0, (0,00255) (0,005) Примечание. Значения в скобках указаны для работ, выполненных автоматизированными машинами.

Критериями, характеризующими точность обработки грунта автогрейдером могут служить вероятностные характеристики случайных функций, описывающих рабочий процесс, например, [110] ~ y ном ;

y (1.47) у min у ;

~ p pном ;

(1.48) min, ~ ~, - математические ожидания соответственно вертикальной где y p координаты и угла наклона поперечного профиля;

y ном, pном номинальные значения соответственно вертикальной координаты и угла наклона поперечного профиля;

y, - среднеквадратические отклонения соответственно вертикальной координаты и угла наклона поперечного профиля.

В тех случаях, когда нецелесообразно или невозможно использовать абсолютные значения математического ожидания и среднеквадратического отклонения, есть смысл применять коэффициенты сглаживания K y, K, равные отношению среднеквадратических отклонений параметров рельефа до прохода и после прохода ЗТМ [46].

Сравнительный анализ автогрейдеров, осуществляющих планировочные работы, целесообразно проводить с помощью векторного критерия K [ K y, K, m ]Т. (1.49) Применяемый критерий K не исключает использования в данной работе единичных критериев более низкого иерархического уровня, например, критериев устойчивости и качества систем управления, показателей переходных процессов и амплитудно-частотных характеристик, времени запаздывания и величины перерегулирования и др.

Таким образом, задача повышения эффективности каких-либо параметров автогрейдера сводится к соблюдению следующих тенденций:

K y max, K max, m min.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА АВТОГРЕЙДЕРА 2.1. Морфологический анализ конструкции автогрейдера Декомпозиция расчетных схем, морфологический анализ конструкций автогрейдеров, созданные на его основе математические модели подсистем с возможностью формирования различных обобщенных моделей землеройно-транспортных машин методом структурно-кинематического объединения (композиции) агрегатных динамических подсистем позволили разработать алгоритм и методику принятия проектных решений при автоматизированном проектировании структуры и основных параметров автогрейдера [18].

Под структурой понимается совокупность функциональных составляющих и их отношений, необходимых для достижения системой заданной цели [18], в данном случае – повышение точности профилирования и производительности. Решение задачи синтеза структур, имеющих требуемые характеристики, невозможно без классификации составных частей. Рассмотрение типовых технических и патентных решений позволяет провести их классификацию по числу структурных составляющих и характеру взаимосвязей.


С целью выявления основных структурных элементов и подсистем был проведён морфологический анализ известных компоновочных схем автогрейдеров (рис. 2.1).

Автогрейдер состоит из ряда элементов разных по назначению, форме и размеру, но выполняющих одну и ту же функцию в различных конструкциях при выполнении земляных работ [13].

Основными структурными элементами, представленными на рис. 2.1, являются: корпус 1, в который входят кабина оператора, двигатель, коробка перемены передач и прочее;

балансирная тележка 2;

шарнирно-сочлененная хребтовая балка 3;

ось колес 4 и навесное оборудование с РО 5.

Из полученных элементов аналогично могут быть составлены практически все типы традиционных, а также ряд существенно модернизированных конструкций автогрейдеров [13]. При их составлении необходимо варьировать параметры, в наибольшей степени влияющие на планирующую способность автогрейдера. К таким можно отнести: колесную схему, длину базы, расположение отвала в базе, размер балансирной тележки, конструкцию навесного оборудования.

Успешное решение вопроса автоматизированного синтеза новых конструктивных решений предлагаемым методом композиции требует наличия их математических моделей [13].

4. О ь колес с 2. Балансирная тележка 3. Хребтовая балка 5. Навесное оборудование с РО 1. Корпус Рис. 2.1. Структурные элементы автогрейдера 2.2. Обобщенная математическая модель автогрейдера Для составления уравнений геометрических связей автогрейдера, рассмотрения перемещения РО в пространстве под действием различных факторов, определения динамических характеристик объекта при различных возмущающих и управляющих воздействиях составлена пространственная расчетная схема автогрейдера (рис. 2.2).

Y Z ZБП V Y3П YБП LБ XБП ZБ Y2П LБ ZХР YХР YБ ZБЛ LБ XБ ZТР YТР X O Z YБЛ ХР РО Y3Л YРОП XТР XБЛ РО YРО Y2Л XРО Y1П Y1 YРОЛ L Z X1 L L Y1Л L X Рис. 2.2. Пространственная расчетная схема автогрейдера При составлении расчетной схемы были приняты допущения [101]:

- автогрейдер является пространственным шарнирно сочлененным многозвенником;

- конструктивные элементы автогрейдера абсолютно жесткие;

- люфты в шарнирных сочленениях автогрейдера отсутствуют;

- отвал постоянно заглублен в обрабатываемый грунт;

- рассматриваются малые перемещения элементов расчетной схемы;

- уплотнение грунта колесами пренебрежимо мало;

- автогрейдер движется прямолинейно с постоянной скоростью;

- эффективная длина РО принимается примерно равной ширине колеи автогрейдера.

Указанные допущения не влияют на правомерность выводов, и позволяют получить результаты расчетов с необходимой точностью.

Для описания положения элементов пространственной расчетной схемы в пространстве принята правая ортогональная инерциальная система координат O0X0Y0Z0, связанная с грунтом. Ось O0X совпадает с направлением движения автогрейдера, ось O0Y направлена вертикально вверх [101].

Элементами пространственной расчетной схемы выбраны основные узлы автогрейдера, совершающие независимые перемещения друг относительно друга и определяющие его кинематические характеристики: хребтовая балка, подмоторная рама, левый балансир, правый балансир, передняя ось, тяговая рама и поворотный круг с РО.

Положение элементов расчетной схемы определяется положением соответствующих правых локальных систем координат (табл. 2.1).

Таблица 2. Локальные системы координат элементов расчетной схемы Системы координат элементов Элемент пространственной расчетной схемы Основное обозначение Дополнительное обозначение Передняя ось O 1 X 1 Y 1 Z1 O 1 X 1 Y 1 Z Балансир правый OБПXБПYБПZБП O 2 X 2 Y 2 Z Балансир левый OБЛXБЛYБЛZБЛ O 3 X 3 Y 3 Z Рама подмоторная OБXБYБZБ O 4 X 4 Y 4 Z Хребтовая балка OХРXХРYХРZХР O 5 X 5 Y 5 Z Тяговая рама OТРXТРYТРZТР O 6 X 6 Y 6 Z Поворотный круг с РО OРОXРОYРОZРО O 7 X 7 Y 7 Z Для определения положения в пространстве произвольных точек элементов расчетной схемы в любой момент времени и установления связи между положением РО и параметрами сформированной поверхности были получены уравнения геометрических связей автогрейдера.

Положение РО в пространстве можно охарактеризовать вертикальной координатой центральной точки отвала YРО и углом перекоса РО.

Из расчетной схемы видно, что YРО (t ) (1 K ) Y1 (t ) K YБ (t ), (2.1) где К - коэффициент базы, характеризующий положение РО в колесной базе автогрейдера, Y1, YБ – вертикальные координаты центральных точек передней оси и балансирной тележки.

L K 1;

(2.2) L Y (t ) Y1Л (t ) Y1 (t ) 1П ;

(2.3) Y (t ) YБП (t ) YБ (t ) БЛ ;

(2.4) где Y1Л, Y1П - вертикальные координаты передних левого и правого колес автогрейдера, L - расстояние между осями передних колес и балансирной тележки автогрейдера, L1 - расстояние от оси передних колес до центральной точки режущей кромки РО.

Для определения вертикальных координат осей правого балансира YБП и левого балансира YБЛ используем коэффициент базы балансира [110] К ББ LБ1 LБ. (2.5) Тогда из пространственной расчетной схемы можно записать выражение изменения вертикальных YБЛ и YБП YБЛ (1 К ББ ) Y 2 Л К ББ Y 3 Л ;

(2.6) YБП (1 К ББ ) Y 2 П К ББ Y 3 П, (2.7) где Y2 Л, Y2 П, Y3 Л, Y3 П - соответственно вертикальные координаты переднего и заднего колес балансирной тележки.

Заднее колесо балансирной тележки движется с запаздыванием Б по неровностям рельефа, находящимся под передним колесом, равным величине Б LБ V, (2.8) где V - скорость машины.

Вертикальные координаты крайних левой и правой точек режущей кромки РО определяются как YРОЛ (t ) YРО (t ) YO0 X 0 YO0 Z0 ;

(2.9) YРОП (t ) YРО (t ) YO0 X 0 YO0Z0, (2.10) где YO0 Z0 - вертикальное приращение вертикальной координаты РО, вызванное перекосом автогрейдера вокруг оси O0Z0 на угол при наезде на неровность грунта, YO0 Х 0 - вертикальное приращение вертикальной координаты РО, вызванное перекосом автогрейдера вокруг оси O0Х0 на угол при наезде на неровность грунта.

L YO0Z 0 3 cos tg ;

(2.11) L YО0 Х 0 3 sin tg ;

(2.12) Y (t ) YБЛ (t ) tg БП ;

(2.13) L Y (t ) Y1 (t ) tg Б, (2.14) L где L3 - ширина колеи машины, – угол захвата РО.

Подставив выражения (2.11) - (2.14) в (2.9) - (2.10), получим Y (t ) YБЛ (t ) L Y (t ) Y1 (t ) YРОЛ (t ) YРО (t ) БП sin 3 cos Б ;

(2.15) L 2 Y (t ) YБЛ (t ) L Y (t ) Y1 (t ) YРОП (t ) YРО (t ) БП sin 3 cos Б. (2.16) L 2 Приняв для упрощения записи:

sin ;

(2.17) K L3 сos, (2.18) K 2L уравнения (2.15) и (2.16) запишем в виде:

YРОЛ (t ) YРО (t ) K1 (YБП (t ) YБЛ (t )) K 2 (YБ (t ) Y1 (t )) ;

(2.19) YРОП (t ) YРО (t ) K1 (YБП (t ) YБЛ (t )) K 2 (YБ (t ) Y1 (t )). (2.20) Тогда угол перекоса отвала РО в момент времени t:

Y (t ) YРОЛ (t ) РО tg РО РОП sin. (2.21) L Для положения отвала, изображенного на рис. 2.2, поперечный профиль обрабатываемой поверхности грунта сформирован лишь на половине пути, пройденного стороной отвала максимально приближенной к передней оси автогрейдера. С другой стороны отвала профиль в момент времени t пока не сформирован, так как отвал еще не дошел до этого места.

С учетом сказанного можно записать:

(t ) YРОЛ (t ) Y tg ПРО (t ) РОП, при 90 ;

(2.22) L (t ) YРОП (t ) Y tg ПРО (t ) РОЛ, при 90 ;

(2.23) L YПРО (t ) YРО (t ) ;

(2.24) L сos 3. (2.25) V При движении автогрейдер колесами балансирной тележки обычно движется по обработанному грунту. Поэтому определим вертикальные координаты задних колес [101].

Y2 Л (t ) YРОЛ (t Л ) ;

(2.26) Y2 П (t ) YРОП (t П ) ;

(2.27) Y3 Л (t ) Y2 Л (t Б ) ;

(2.28) Y3 П (t ) Y2 П (t Б ), (2.29) где Л, П - время, необходимое для прохождения машиной расстояния от режущей кромки РО до передних колес балансирной тележки по левой и правой колее.

L ( L3 / 2) сos LБ Л 2 ;

(2.30) V L ( L3 / 2) сos LБ П 2. (2.31) V Динамические характеристики ходового оборудования описаны с помощью аппарата передаточных функций колебательным звеном второго порядка, входом которого является кинематическое воздействие на элементы ходового оборудования.

- tp e П Передняя ось D YOZ Y1П K2 =f ( ) WK Y 1/ 2 1- K Y1Л WK РО -tp e t gg YРОП РО 1/ L YРО YРОЛ Балансирная тележка Y2П YРО 1- KББ WK Y3П YБП - tp e KББ WK Б YБ 1/ 2 K Y3Л YБЛ - tp KББ e WK Б D YOX K1=f ( ) 1- KББ WK Y2Л - tp e Л Рис. 2.3. Структурная схема математической модели автогрейдера A Начало Геометрические параметры B2 B машины, скорость движения, Значения Ввод параметров параметры движителя, исходных L,L1,L3,LБ,LБ1,, вертикальные координаты данных V,K,T1,T2,Y1П,Y1Л неровностей под передними колесами C Расчет Л,,K,KББ П, Б, D Цикл для t = с шагом t E Расчет Y2П,Y2Л,Y3П,Y3Л,YБП, YБЛ,YБ,Y1,Z,X YO YO F Расчет Координаты режущей YРО,YРОП,YРОЛ, кромки отвала РО G Запись файла данных H1 H Нет H Время Конец t =t + t моделирования пути?

Да I Конец Рис. 2.4. Блок-схема алгоритма реализации математической модели автогрейдера Уравнение звена с использованием аппарата передаточных функций [101]:

K, (2.32) WК ( p) 2 T1 p T2 p где T1 и Т2 - постоянные времени;

K – коэффициент передачи. На основании уравнений (2.1) - (2.32) построена структурная схема математической модели автогрейдера, представленная на рис. 2.3.

Блок-схема алгоритма реализации модели представлена на рис. 2.4.

2.3. Математическая модель системы управления рабочим органом автогрейдера Многообразие функций оператора, возмущения со стороны микрорельефа обрабатываемой поверхности, передающиеся через ходовое оборудование и раму автогрейдера на РО, реакция грунта непосредственно на РО, приводящие к изменению положения РО автогрейдера, высокие требования к точности земляного сооружения являются причинами не позволяющих обеспечивать геометрические параметры формируемой поверхности, требуемые СНиП. В связи с этим появился целый ряд СУ, исключающих оператора из контура управления положением РО.


Общим вопросам исследования СУ землеройных машин и их математическому моделированию посвящены работы Т.В.Алексеевой [2, 57], В.Ф.Амельченко [3], В.А.Байкалова [6], А.Ф.Бакалова [7], В.И.Баловнева [12,13], Б.Д.Кононыхина [70], Э.Н.Кузина [73], Е.Ф.Малиновского [76], В.А. Палеева [85], В.Н. Тарасова [100], В.В.Титенко [101], В.С.Щербакова [2, 110] и др.

Предлагается реализовать алгоритм одновременного управления обоими гидроцилиндрами, путём установки на отвал двух лазерных датчиков высотного положения РО. Управление отвалом будет происходить левым и правым гидроцилиндром.

СУ РО в пространстве состоит из следующих элементов:

- задатчика проектной плоскости (лазерного нивелира);

- датчиков вертикальной координаты (лазерных приемников);

- элементов сравнения;

- пороговых элементов;

- исполнительного электрогидропривода.

В данной работе в качестве задающих параметров приняты высота средней точки режущей кромки отвала YPOЗ и угол поперечного наклона отвала РОЗ. В качестве информационных параметров – вертикальные координаты правого и левого краев отвала YРОП и YРОЛ. После установки на задатчиках требуемых геометрических параметров дорожного полотна YРОЗ, РОЗ СУ РО устанавливает отвал в требуемое положение с помощью правого и левого гидроцилиндров. За счёт неровностей микрорельефа под колёсами и силы реакции разрабатываемого грунта на отвал возникают неуправляемые перемещения базовой машины как в продольной, так и в поперечной плоскостях, что приводит к изменению положения РО. Лазерные приёмники высотного положения, установленные на краях отвала, считывают текущие вертикальные координаты. Элементы сравнения вычисляют рассогласование между текущими и заданными значениями параметров, и как только эта величина становится больше ширины зоны нечувствительности порогового элемента, подаётся сигнал управления на золотник соответствующего электрогидрораспределителя, в результате чего начинает перемещаться шток соответствующего гидроцилиндра, поднимая или опуская свой край отвала, до тех пор, пока разность сигналов датчика и задатчика не станет меньше ширины зоны нечувствительности, т.е.

отвал вернётся в заданное положение.

Лазерный приёмник вертикальной координаты представляет собой безинерционное звено. Он преобразует перемещение своего чувствительного элемента в электрический сигнал по пропорциональному закону [77].

W Д ( p) K Д, (2.33) где KД – коэффициент пропорциональности преобразования.

Пороговый элемент представляет собой электронное реле с регулируемой зоной нечувствительности (рис. 2.5). Поскольку быстродействие электронных схем является высоким в сравнении с другими элементами, пороговый элемент описан как безинерционное реле.

i зол, при I с;

(2.34) i зол 0, при с I c;

i, при I с;

зол где iзол – ток, подаваемый на электрогидрораспределитель;

I – значение обработанного сигнала рассогласования для правого и левого параметра управления, 2с – ширина зоны нечувствительности порогового элемента СУ.

iзол +iзол I -с с -iзол Рис. 2.5. Статическая характеристика порогового элемента Пороговыми значениями для каждого контура управления являются допустимые отклонения значений соответствующих параметров.

Одной из важнейших составляющих сложной динамической модели формирования земляного полотна является электрогидравлический привод РО, осуществляющий его перемещение относительно базовой машины и, соответственно, изменяющий параметры формируемого земляного полотна. Решение задач анализа и синтеза гидропривода невозможно осуществлять без его математической модели [110].

Существует множество схем гидроприводов, но все они представляют собой совокупность малого количества функциональных элементов гидроаппаратуры: насос, гидромотор, гидроцилиндр, гидролиния, дроссель, клапаны и др. Поэтому гидропривод автогрейдера, без количественного учёта гидроэлементов, можно представить в виде блок-схемы (рис. 2.6).

В настоящее время можно выделить два направления математического описания гидроприводов.

Первое направление заключается в представлении гидроэлементов в виде передаточных функций типовых динамических звеньев известных из теории автоматического управления. Представление элементов гидропривода в виде передаточных функций основывается на экспериментальных исследованиях, при этом реальный переходный процесс элементов гидропривода аппроксимируется с некоторой точностью передаточными функциями.

Pн Pр iр Fц eн Qц Гидро- ц Qн Qл Распре- Qр Гидро- Гидро- Гидро н насос линия делител линия цилинд Pл Pл Pц Mс.г Рис. 2.6. Блок-схема гидропривода рабочего органа автогрейдера Точность моделирования гидропривода при этом способе определяется точностью аппроксимации переходных процессов и точностью замеров, проводимых в ходе эксперимента. При этом способе достаточно сложно учесть большое количество параметров влияющих на работу гидропривода, что ведет к упрощению математической модели гидропривода в целом.

Второе направление заключается в том, что для каждого из элементов, входящих в гидропривод, составляется своя математическая модель, представляющая собой дифференциальные уравнения, а затем находится общее дифференциальное уравнение, описывающее гидропривод машины в целом.

Данный способ обладает высокой точностью описания динамических процессов происходящих в гидроприводе и при наличии мощных вычислительных систем легко реализуется на ЭВМ.

Однако, для решения задач динамики гидрофицированной машины в целом, когда наибольший интерес представляет движение выходного звена исполнительного электрогидропривода при подаче на вход управляющего воздействия, то есть "макродинамика" гидропривода, его математическое описание может быть значительно упрощено. При этом не будут рассматриваться процессы, связанные с работой отдельных гидроэлементов.

При описании электрогидропривода в качестве входного воздействия принята выходная координата порогового элемента, в качестве выходной координаты - перемещение штока гидроцилиндра.

Так как объемный гидропривод обладает такими общими свойствами, как время запаздывания и постоянная скорость перемещения штоков исполнительных гидроцилиндров в установившемся режиме, переходные процессы разгона и торможения штока гидроцилиндра, то можно выделить следующие характерные стадии переходного процесса:

- чистое запаздывание г в течение которого шток находится в покое после включения, распределителя;

-стадию разгона Tр, в течение которой шток разгоняется до номинальной скорости;

- стадию установившегося движения.

Выделенным стадиям можно поставить в соответствие три последовательно соединенных звена - звено чистого запаздывания, апериодическое звено первого порядка и интегрирующее звено.

Математическое описание звена чистого запаздывания имеет вид [77]:

Qг(t) = Rг(t-г), (2.35) где Rг, Qг – соответственно входной и выходной сигналы звена чистого запаздывания.

Передаточная функция такого звена определяется по преобразованию Лапласа, и имеет вид [110,112]:

W з ( р ) e p г, (2.36) Свойства апериодического звена первого порядка времени Tр, определяются постоянной характеризующей его инерционность, и коэффициентом передачи Кр.

С учетом того, что Кр = 1, передаточная функция имеет вид:

1. (2.37) W p ( p) Tp p Передаточная функция интегрирующего звена:

K W y ( p) ш, (2.38) p где Kш - коэффициент, определяющий скорость штока гидроцилиндра в установившемся режиме.

Общую передаточную функцию гидропривода можно записать:

K ш e p г (2.39) W ГП ( р) p(T p p 1) Численные значения коэффициентов зависят от конструктивных параметров элементов гидропривода.

Оператор выставляет на задатчике требуемые угол поперечного уклона РОЗ и вертикальную координату дорожного полотна YРОЗ, а датчики измеряют высотные координаты краёв отвала YРОП, YРОЛ.

Необходимо параметры РОЗ и YРОЗ преобразовать в YРОПЗ и YРОЛЗ, и на элементах сравнения вычислять отклонения краёв отвала.

Изменение положения края отвала (места крепления штока ГЦ к отвалу) YРОПЗ, YРОЛЗ определяется суммой изменения высотного положения центральной точки отвала YРОЗ и изменения высотного положения крайней точки отвала за счёт угла перекоса отвала РОЗ в поперечной плоскости tgРОЗL3/2 (рис.2.7):

L YРОПЗ YРОЗ tg РОЗ 3 (2.40) L YРОЛЗ YРОЗ tg РОЗ 3 (2.41) Заданные координаты сравниваются с полученными от датчиков и на электрогидропривод идёт сигнал рассогласования:

(2.42) П YРОПЗ YРОП (2.43) Л YРОЛЗ YРОЛ Структурная схема математической модели СУ РО автогрейдера представлена на рис. 2.8. Блок - схема алгоритма реализации математической модели СУ РО автогрейдера представлена на рис. 2.9.

L YРОПЗ РОЗ YРОЗ YРОЛЗ Рис. 2.7. Схема преобразования РОЗ и YРОЗ в YРОПЗ и YРОЛЗ YРОЛ hШтЛ KД YРОЛЗ 1 КШ Л - tp YРОЗ e г Тр р+1 р 1 КШ - tp g L3|2 e г РОЗ Тр р+1 р YРОПЗ П Задатчик KД hШтП YРОЛ Рис. 2.8. Структурная схема математической модели системы управления рабочим органом автогрейдера A Начало B2 B Значения Колея машины,проектные Ввод параметров исходных геометрические параметры, YРОЗ,L3, РОЗ, г, данных параметры ЭГП ТР,KШ,с,+iзол,- iзол C Расчет YРОПЗ,YРОЛЗ D Цикл для t = с шагом t E2 E Отклонения фактических Мат.модель Расчет координат от заданных, автогрейдера hШтП,hШтЛ,, Л П, ход штоков F Расчет Координаты режущей YРО,YРОП,YРОЛ, кромки отвала РО G Запись файла данных H1 H H2 Нет Время Конец t =t + t моделирования пути?

Да I Конец Рис 2.9. Блок – схема алгоритма реализации математической модели системы управления рабочим органом автогрейдера 2.4. Математическая модель процесса копания грунтов На точность планировочных работ существенное влияние оказывают микрорельеф обрабатываемой поверхности и реакция разрабатываемого грунта, действующая на РО. Ее необходимо учитывать при составлении математической модели автогрейдера.

Для учета силы реакции грунта на РО на рис. 2.10 представлен фрагмент основной расчетной схемы.

Элементы ходового оборудования представлены моделями, содержащими упруго-вязкие элементы (модели Фохта) [102,110].

На схемах введены следующие обозначения: Fx, Fy, Fz горизонтальная, вертикальная и поперечная составляющие вектора равнодействующей реакции грунта на РО;

R1, R2,..., R6 - силы реакций грунта на элементы ходового оборудования;

С1, С2,..., С6 коэффициенты жесткости элементов ходового оборудования;

b1, b2,..., b6 - коэффициенты вязкости элементов ходового оборудования.

В дополнение к допущениям, изложенным при составлении математической модели автогрейдера, введены следующие допущения:

наложенные на автогрейдер связи являются голономными и стационарными;

в шарнирных соединениях отсутствуют силы сухого трения;

элементы ходового оборудования имеют одинаковые упруго-вязкие свойства;

упруго-вязкие свойства гидрооборудования не учитываются;

внешние силы, действующие на автогрейдер рассматриваются как сосредоточенные;

реакция грунта приложена к центру режущей кромки РО;

призма волочения набрана;

рассматриваются только вертикальные перемещения РО.

С учетом указанных допущений можно записать:

YF = YРО + YR (2.44) где YF - вертикальная координата грунта под центром отвала;

YРО вертикальная координата грунта под центром отвала без учета действия сил реакции грунта;

YR - изменение вертикальной координаты центра отвала под действием реакции грунта.

Y Z b V C R b C R b C5 O R b C Fz b R Fx C2 Fy R b C R X Рис. 2.10. Фрагмент расчетной схемы для определения влияния реакции грунта на позиционирование рабочего органа Используя уравнения для определения YРО можно определить YR, зная Y1R и YБR - изменение условных вертикальных координат средних точек переднего моста и балансирной тележки автогрейдера под действием силы сопротивления копанию.

Из принятой расчетной схемы можно записать [102]:

Riпр YiR пр, (2.45) Ci где YR - изменение вертикальной координаты центральной точки режущей кромки отвала автогрейдера;

Rпр и Cпр - соответственно приведенные к центральной точке режущей кромки отвала значения вертикальных компонентов изменения вектора силы и жесткости ходового оборудования.

На рис. 2.11 представлена структурная схема, описывающая математическую модель влияния реакции грунта при копании на точность позиционирования РО, а на рис. 2.12 - блок-схема алгоритма реализации этой модели.

Используя принятые допущения, и выводы, сделанные при анализе теорий копания, можно компоненты вектора реакции грунта на РО при выполнении планировочных работ представить случайной функцией состоящей из двух составляющих [102]: тренда Fт, зависящего от толщины срезаемой стружки h, физико-механических свойств грунта, параметров РО и флюктуаций Fф. Численные значения Fт можно определить по теории К.А.Артемьева, а численные значения Fф - исходя из корреляционной функции флюктуации.

2.5. Математическая модель микрорельефа обрабатываемой поверхности Анализ рабочего процесса автогрейдера при планировочных работах показал, что одним из возмущений, действующих на РО через ходовое оборудование и раму машины и в итоге, влияющих на точность обработки поверхности, является микрорельеф обрабатываемого грунта.

Определение FYЛ Y Определение FФY YF FФ Определение YR FX YРО Определение FФX sin sin Определение FПР Определение FXЛ X Рис. 2.11. Структурная схема математической модели копания A Начало B2 B Значения Ввод С ойства грунта и в параметров исходных параметры отвала,,,B 0, данных р,h пр, C Вертикальная составляющая Расчет FУЛ силы сопротивления резанию грунта при лобовом копании D2 D Вертикальная составляющая Значение Расчет Fy силы сопротивления резанию параметра грунта при косом копании E Цикл для t = с шагом t F2 F Высокочастотная Значения параметров Расчет FФ составляющая Ф, Ф Ф, реакции грунта G Реакция грунта Расчет FРО на отвале автогрейдера H Изменение вертикальной Расчет координаты i- ой точки YiR автогрейдера I Запись файла данных J1 J Нет J2 Конец Время t =t + t пути?

моделирования Да K Конец Рис. 2.12. Блок-схема алгоритма реализации модели влияния реакции грунта Таким образом, составление математической модели микрорельефа является важным этапом в разработке обобщенной математической модели автогрейдера, осуществляющего планирование. Это позволит установить основные закономерности движения автогрейдера по опорной поверхности, выявить характер влияния на точность обработки грунта параметров обрабатываемого микрорельефа.

В работе использовались для моделирования микрорельефа корреляционные функции разных типов, определяемые выражениями (1.18) и (1.19).

Для реализации случайного микрорельефа на ЭВМ используется алгоритм, основанный на преобразовании стационарной последовательности x(n) независимых нормально распределенных случайных чисел (дискретный белый шум) с параметрами: mx = 0 и x =1 в последовательность y(n), для чего используется рекуррентное уравнение.

Рекуррентное уравнение, определяемое видом корреляционной функции, описывает поведение некоторого дискретного фильтра, который преобразует подаваемый на его вход белый дискретный шум, в случайный процесс с заданной корреляционной характеристикой. Передаточная функция этого фильтра в общем виде имеет вид:

l k ak z l a 0 a1 z... al z k (2.46) y( z).

m m 1 q1 z... q m z k 1 qk z k Зная передаточную функцию (2.46) можно сформировать структурную схему дискретного фильтра (рис. 2.13), описываемого рекуррентным уравнением.

Cглаживание микрорельефа шинами за счет пятна контакта моделируется в соответствии с (1.35).

На рис. 2.14 приведены профили микрорельефа, полученные в программном комплексе Matlab-Simulink [106].

На рис. 2.15 представлена структурная схема математической модели микрорельефа обрабатываемой поверхности. На рис. 2. представлена блок-схема алгоритма реализации математической модели микрорельефа обрабатываемой поверхности.

x(n) z z z z a0 a1 a2 al- 1 al z z z z q1 q2 qm- 1 qm y(n) Рис. 2.13. Структурная схема дискретного фильтра Y, м Несглаж Сгла.

ж.

X0, м Рис. 2.14. Профили микрорельефа:

1 - по правой колее, 2 - по левой колее На основе математической модели можно смоделировать микрорельеф грунта с заданными характеристиками [27].

Дискретный фильтр a0 a z x(n), mx =0, x= Сглаживание шинами q1 q2 Y1П yП(n) X+X y(X)dX z z 2X X- X yЛ(n) Y1Л a z q Рис. 2.15. Структурная схема математической модели микрорельефа A Начало B2 B Значения Ввод Коэффициенты, характеризующие параметров исходных корреляционную функцию,h,n,, данных случайного процесса C Коэффициенты, характеризую ие щ Расчет рекуррентное уравнение параметров случайного процесса a0,a1,q1,q D Цикл для i= с шагом h E Вертикальные координаты Расчет соответственно левой и правой YМЛ,YМП колеи несглаженного профиля F2 F Вертикальные координаты Размер Расчет соответственно левой и правой пятна Y1Л,Y1П контакта 2X0 колеи сглаженного профиля G Запись файла данных H1 H Да H in Значение n i=i+h Нет I Конец Рис. 2.16. Блок-схема алгоритма реализации математической модели микрорельефа Определение FYЛ Y Определение FФY KД FФ Определение YR YРОЛЗ Л 1 КШ - tp YРОЗ e г FX Тр р+1 р Определение FФX sin 1 КШ - tp g L3 |2 e г РОЗ Тр р+1 р YРОПЗ П sin Определение FПР Микрорельеф Определение FXЛ X - tp e KД П hШтП D YOZ Y1П X+X yП(n) K hШтП y(X)dX WK Y 2X -tp e X- X t gg 1/ 2 1- K YРОП РО yЛ(n) X+X WK 1/ L y(X)dX YРО 2X Y1Л YR YРОЛ X- X Y2П X+X hШтЛ YРО 1- KББ WK y(X)dX 2X hШтЛ X- X Y3П YБП X+X - tp e WK KББ Б y(X)dX YБ 2X X- X 1/ 2 K Y3Л YБЛ X+X - tp KББ e WK y(X)dX Б 2X D YOX X- X X+X K 1- KББ WK y(X)dX 2X Y2Л X- X - tp e Л Рис. 2.17. Структурная схема обобщенной математической модели автогрейдера A Начало B2 B Значения Ввод Параметры машины, параметров исходных обрабатываемого грунта, подсистем данных микрорельефа,С РО У C Расчет Коэффициенты, постоянных запаздывания параметров D Цикл для t = с шагом t E Мат.модель микрорельефа F Мат.модель Координаты режущей грунта кромки отвала hШтП,hШтЛ G2 G Мат.модель Мат.модель Стабилизация автогрейдера С РО У положения РО YРОП,YРОЛ H Запись файла данных: YРО, РО I1 I Нет I2 Конец Время t =t + t моделирования пути?

Да J Конец Рис. 2.18. Блок-схема алгоритма реализации рабочего процесса автогрейдера 2.6. Математическая модель рабочего процесса автогрейдера Для реализации поставленной в работе цели необходимо построить обобщенную математическую модель автогрейдера. Как показал анализ предшествующих исследований, а также анализ рабочего процесса автогрейдера, проведенные в главе 1, обобщенная математическая модель автогрейдера включает в себя математические модели следующих подсистем: базовая машина, СУ РО в поперечной плоскости и продольной плоскостях, микрорельеф обрабатываемой поверхности и учет влияния реакции грунта на вертикальные перемещения автогрейдера. Эти сложные подсистемы описаны рядом уравнений, на основе которых построены обобщенные структурные схемы. Обозначения на рисунках соответствуют обозначениям, используемым ранее при описании каждой подсистемы в отдельности.

На основе обобщенной математической модели автогрейдера была составлена структурная схема, представленная на рис. 2.17.

На рис. 2.18 представлен блок-схема алгоритма, описывающего рабочий процесс автогрейдера. Данный алгоритм используется как составная часть САПР структуры автогрейдера.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.