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 |
-- [ Страница 1 ] --

В.С. Щербаков, Н.В. Беляев, П.Ю. Скуба

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ПЛАНИРОВОЧНЫХ МАШИН НА БАЗЕ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ

Омск • 2013

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное уч-

реждение высшего профессионального образования «Сибирская госу-

дарственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

В.С. Щербаков, Н.В. Беляев, П.Ю. Скуба

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЛАНИРОВОЧНЫХ МАШИН НА БАЗЕ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ Монография Омск СибАДИ 2013 УДК 681.5: 621.08 ББК 31.965: 39.311–06.5 Щ 61 Рецензенты:

д-р техн.наук, проф. С.В. Корнеев (Омский государственный технический университет);

д-р техн.наук, проф. Р.Т. Файзуллин (Омский государственный технический университет) Монография одобрена редакционно-издательским советом академии.

Щербаков В.С.

Щ 61 Автоматизация проектирования планировочных машин на базе ко лесных тракторов: монография/ В.С. Щербаков, Н.В. Беляев, П.Ю. Скуба. – Омск: СибАДИ, 2012. – 131 с.

ISBN 978 - 5 - 93204 - 655 - В монографии проведен анализ тенденций развития планировочных машин, обоснован критерий эффективности их рабочего процесса, предложены матема тические модели процесса формирования обрабатываемой поверхности двух- и трехосных планировочных машин как сложные динамические системы;

предло жены аналитические зависимости как для двухосной, так и трехосной планиро вочных машин, устанавливающие связь между высотой неровностей микрорель ефа под элементами ходового оборудования и изменением вертикальной коор динаты и угла наклона рабочего органа;

выявлены функциональные зависимо сти, устанавливающие связь между основными конструктивными параметрами планировочных машин и критерием эффективности;

предложены алгоритм и инженерная методика выбора основных конструктивных параметров двух- и трехосных планировочных машин на базе колесных тракторов;

разработана сис тема автоматизации проектирования основных конструктивных параметров двух- и трехосных планировочных машин на базе колесных тракторов.

Монография может быть полезна студентам вузов, аспирантам, инженерам, научным работникам, чья деятельность связана с исследованиями планировоч ных машин, их моделированием и проектированием.

Табл. 20. Ил. 80. Библиогр.: 134 назв.

ISBN 978 - 5 - 93204 - 655 - 5 © ФГБОУ ВПО «СибАДИ», ОГЛАВЛЕНИЕ Введение…………………………………………………….…………………... 1. Состояние вопроса в предметной области.

……………………………… 1.1. Основные тенденции развития планировочных машин...……………. 1.2. Обзор и анализ существующих конструкций планировочных машин 1.3. Требования к точности работ, выполняемых планировочными машинами 1.4. Блок-схема модели процесса формирования планировочной маши ной обрабатываемой поверхности……………….…………………………… 1.4.1. Блок-схема модели рабочего процесса двухосной планировочной машины на базе колесного трактора ………………………………………… 1.4.2. Блок-схема модели рабочего процесса трехосной планировочной машины на базе колесного трактора……………………................................. 1.5. Анализ предшествующих исследований по теории копания грунта... 1.6. Анализ математических моделей микрорельефа грунта ……………. 1.7. Анализ и обоснование критериев эффективности планировочной машины………………………………………………………………………….. 1.8. Анализ предшествующих исследований, направленных на совер шенствование планировочных машин………………………………………… 2. Математические модели планировочных машин…………………….. 2.1. Методы математического моделирования планировочных машин….. 2.2. Математическая модель двухосной планировочной машины………... 2.3. Математическая модель трехосной планировочной машины………. 2.4. Математическая модель микрорельефа обрабатываемой поверхности 2.5. Математическая модель влияния силы реакции грунта при копании на рабочий орган планировочной машины………………………………….. 2.6. Выбор шин……………………………………………………………….. 2.7. Методика экспериментальных исследований…………..…………….. 2.8. Подтверждение адекватности математической модели планировоч ной машины………………………………………………………..……………. 3. Теоретические основы инженерной методики проектирования планировочных машин...................................................................................... 3.1. Методика теоретических исследований……………………………….. 3.2. Теоретические исследования математических моделей в статиче ском режиме…………………………………………………………………….. 3.2.1. Двухосная планировочная машина…………………………………... 3.2.2. Трехосная планировочная машина…………………………………… 3.3. Теоретические исследования динамического режима………………... 3.3.1. Двухосная планировочная машина………………………………….. 3.3.2. Трехосная планировочная машина…………………………………… 3.4. Оптимизационный синтез конструктивных параметров планировоч ных машин на базе колесных тракторов………………………………………. 3.4.1. Постановка задачи оптимизации……………………………………... 3.4.2. Аппроксимация функциональных зависимостей……………………. 3.4.3. Решение задачи оптимизации………………………………………… 3.4.4. Алгоритм нахождения оптимальных значений основных конструк тивных параметров планировочных машин…………….……………………. 3.4.5. Результаты оптимизации основных конструктивных параметров … 3.5. Инженерная методика выбора конструктивных параметров плани ровочных машин на базе колесных тракторов……………………………….. 4. Система автоматизации проектирования…….......................................... 4.1. Основные понятия процесса проектирования…………………………. 4.2. Структура системы автоматизации проектирования………………….. 4.3. Интерфейс системы автоматизации проектирования…………………. 4.4. Алгоритм работы системы автоматизации проектирования…………. Заключение………………………………..……………………...................... Библиографический список…………..……………………………………... ВВЕДЕНИЕ В наши дни наблюдается бурное развитие систем автоматизиро ванного проектирования (САПР) в машиностроении, которые ис пользуются для автоматизации конструкторских и технологических работ. Применение САПР в промышленности позволяет существенно снизить затраты времени и средств на создание новых и модерниза цию существующих машин /61,76/.

Планировочная машина является одной из наиболее распро страненных и универсальных землеройно-транспортных машин (ЗТМ). За последние годы наблюдается некоторое видоизменение этих машин. На различных заводах России с производства выходят планировочные машины, предназначенные для районов сельской ме стности на базе колесных тракторов с применением грейдеров в каче стве прицепного и полуприцепного оборудования.

Конструкторским бюро транспортного машиностроения (г.

Омск) планируется разработка планировочной машины легкого типа на базе колесного трактора ЗТМ-82.

Необходимость создания такой техники возникла вследствие то го, что неэкономично эксплуатировать средние и тяжелые планиро вочные машины в зимнее время года при уборке улиц от снега и льда.

Фермерам неэффективно приобретать серийные планировочные ма шины для ведения приусадебных работ, для строительства сельских грунтовых дорог.

Планировочная машина как землеройно-транспортная машина выполняет широкий круг работ, в том числе работ по возведению земляного полотна. Большая часть этих работ приходится на плани ровочные работы. Исходя из этого, эффективность исследуемой в на стоящей работе машины оценивалась по планировочным и тяговым качествам.

В предшествующих исследованиях подобных землеройно транспортных машин на базе промышленных колесных тракторов в полной мере не были установлены закономерности влияния её основ ных конструктивных параметров на планировочные свойства машин.

В связи с этим возникла необходимость исследования планиро вочных характеристик машины на базе колесного трактора и необхо димость создания научно обоснованной методики по выбору рацио нальных конструктивных параметров планировочных машин на базе колесного трактора.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 1.1. Основные тенденции развития планировочных машин Круг работ, выполняемый планировочными машинами, очень широк. Они используются для строительства и ремонта грунтовых, гравийных и черных дорог, при профилировании земляного полотна, возведении насыпей, планировке откосов, выемок и насыпей, устрой стве корыт и боковых канав, при перемещении и распределении до рожно-строительных материалов, а также для очистки дорог от снега.

Кроме того, планировочные машины применяются для смешения грунтов с добавками и вяжущими материалами на полотне дороги /3, 56, 101,104, 120/.

Важное преимущество планировочной машины заключается в том, что ею можно выполнять практически полный цикл земляных работ и работ по распределению дорожно-строительных материалов при строительстве автомобильных и железных дорог, площадок, подъездных путей и т.д. /3,67,68/.

Большое разнообразие работ, выполняемых планировочной ма шиной, обеспечивается особенностью ее конструкции: рабочий орган (РО) – отвал с ножом, располагающийся в колесной базе машины, может иметь различные установки в плане и вертикальной плоскости, а также значительный вынос в сторону /3, 104/.

С целью повышения эффективности работы существующие кон струкции этих машин постоянно совершенствуются. В настоящее время намечаются следующие тенденции развития планировочных машин:

разработка машин для районов сельской местности на базе тракторов с применением грейдеров в качестве прицепного и полу прицепного оборудования /29,78,111/;

повышение единичной мощности и тягово-сцепных свойств машины /14, 84,89,93/;

повышение транспортных скоростей с целью увеличения про изводительности /14/;

широкое применение модульного принципа конструирования на базе унифицированных узлов /15,16,17/;

дальнейшее совершенствование гидропривода машин /10,11,125/;

повышение степени автоматизации машин и оборудования в результате применения систем автоматики и микропроцессорной тех ники /2, 10,11,79,84, 106,113/;

разработка машин для работы в специфических условиях Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири /86/;

повышение универсальности машин, благодаря использованию рабочего оборудования различного назначения /15,16, 37, 38, 115/;

одновременное использование нескольких рабочих органов с целью повышения производительности труда /99/;

разработка принципиально новых конструкций планировочных машин с целью повышения производительности машин: совершенст вование устройства подвеса РО, повышение удобства управления и выноса РО, совершенствование рабочих органов на основе анализа закономерностей их взаимодействия с разрабатываемым грунтом /15, 59, 75, 92, 108, 117/.

Проводимая в этих направлениях работа базируется на использо вании прогрессивных конструктивных решений и материалов, приме нении объемного гидропривода, унификации силового, ходового и рабочего оборудования и узлов и повышении их качества /9,15/.

За последние годы наблюдается отход от классических схем пла нировочных машин: освоен выпуск планировочных комплексов раз личного типа для скоростного строительства дорог /24,30,67,69,78/, опробован также выпуск планировочных машин на базе промышлен ных колесных тракторов.

Рис. 1.1. Землеройно-транспортная машина на базе трактора Т-150К Брянский завод дорожных машин освоил выпуск землеройно транспортных машин (ЗТМ), агрегатируемых с колесным трактором Т-150К, унифицированным по основной раме, подвеске РО с авто грейдером ДЗ-143 (рис. 1.1).

Зарубежными фирмами также освоено производство подобных планировочных машин. Так, например, фирма «MELROE Europe»

производит малогабаритные землеройно-транспортные машины со сменным рабочим оборудованием (рис. 1.2). Область их применения – очистные, уборочные, строительные работы в промышленности и сельском хозяйстве.

Рис. 1.2. Землеройно-транспортная машина фирмы «MELROE Europe»

Конструкторским бюро транспортного машиностроения г. Омска готовится разработка планировочной машины на базе колесного трак тора ЗТМ-82 (рис. 1.3 и 1.4). Предполагается, что область применения данной машины будет весьма широкой. Такие планировочные маши ны могут выполнять работы, подобные серийным автогрейдерам. Од нако необходимость в создании новой техники возникла вследствие того, что нецелесообразно эксплуатировать серийно выпускаемые ав тогрейдеры в зимнее время года, неэффективно также приобретать их фермерам для ведения приусадебной работы, для строительства сель ских грунтовых дорог.

Авторы, проводившие исследования подобных ЗТМ на базе про мышленных колесных тракторов /44, 60, 78/, в полной мере не уста новили влияние изменения их основных конструктивных параметров на планировочные свойства машин. Возникает необходимость иссле дования планировочных свойств двух- и трехосных машин (см.

рис.1.3 и 1.4) и необходимость создания научно обоснованной САПР по выбору рациональных конструктивных параметров машин на базе колесных тракторов.

Рис. 1.3. Двухосная планировочная машина на базе трактора ЗТМ- Рис. 1.4. Трехосная планировочная машина на базе трактора ЗТМ- 1.2. Обзор и анализ существующих конструкций планировочных машин Первый опытный образец отечественной планировочной машины был изготовлен в 1939 г. /104/. В настоящее время планировочные машины выпускаются следующими предприятиями: Орловским заво дом дорожных машин ПО «Автогрейд», АО «Брянский арсенал», Че лябинским заводом дорожных машин им. Колющенко.

За рубежом выпуск планировочных машин налажен такими фир мами, как Caterpillar, Komatsu (Япония), John Deer (США), Fiat-Allis (Италия), Frish (Германия).

Основные параметры и размеры выпускаемых в настоящее время в России планировочных машин регламентированы /56/. К ним отно сятся: масса, мощность двигателя, удельная мощность двигателя и др.

По массе и мощности двигателя планировочные машины делятся на три типа: легкие (масса до 9 т, удельная мощность двигателя 6...7,5 кВт/т), средние (масса до 13 т, удельная мощность двигателя 7...9 кВт/т) и тяжелые (масса до 19 т, удельная мощность двигателя 9,5...10 кВт/т) /78, 104, 120/.

Планировочные машины можно классифицировать также по ряду конструктивных признаков: количеству колесных осей и типу колес ной схемы, системе управления рабочими органами, типу рулевого управления и т.д. /104, 120/.

Современная планировочная машина представляет собой само ходную с одномоторным приводом машину. Конструкция планиро вочных машин характеризуется, прежде всего, принятой для их ходо вой части колесной схемой. Последняя определяется колесной фор мулой АВС, где А – число осей с управляемыми колесами, В – чис ло осей с ведущими колесами, С – общее число осей. Выбор колесной схемы имеет большое значение, т.к. она в значительной степени влия ет на тяговые свойства планировочной машины, его устойчивость, маневренность и планирующую способность /104,120/.

Существуют следующее колесные схемы планировочных машин, выпускаемых промышленностью России: 112, 222, 123, 133, 333. Схема 123 обеспечивает планировочной машине при доста точной простоте конструкции хорошую планирующую способность.

Планировочные машины с колесной схемой 222 получаются более маневренными за счет меньшего радиуса поворота. Однако по срав нению с планировочными машинами со схемой 123 они обладают худшей планирующей способностью /104,120/.

Колесные схемы 133, 333 обеспечивают планировочной ма шине высокие тяговые качества и проходимость, а также хорошую маневренность. Однако машины, построенные по этим схемам, значи тельно сложнее конструктивно и в эксплуатации, следовательно, бо лее дороги.

Наиболее важной характеристикой планировочных машин явля ется сила тяжести, определяющая область применения машины. Лег кие планировочные машины (обычно имеют колесную схему 122) служат главным образом для мелкого ремонта и содержания дорог, средние – для ремонта дорог и для их строительства в грунтах сред ней прочности, тяжелые применяются при разработке прочных грун тов и при больших объемах грейдерных работ /104,120/.

Большинство современных планировочных машин снабжается различными видами сменного рабочего оборудования, например бульдозерным, снегоочистительным, кирковщиком, рыхлителем и др.

О перспективности планировочной машины убедительно свиде тельствуют большое число работ, посвященных повышению эффек тивности этой универсальной машины, а также непрекращающееся строительство дорог, аэродромов и других объектов, где успешно ис пользуется такой вид техники. Это также говорит о необходимости дальнейшего совершенствования планировочных машин.

1.3. Требования к точности работ, выполняемых планировочными машинами При проведении планировочной машиной земляных работ их наибольший объем приходится на планировку и профилировку зем ляных сооружений /3, 104/.

Планировочные работы являются отделочными работами, наибо лее ответственными, трудоемкими и требующими высокой квалифи кации оператора, и производятся на завершающем этапе возведения земляных сооружений /3, 104/.

В связи с этим нормативными документами /107/ предъявляются достаточно жесткие допуски к построению земляных сооружений.

Отклонения основных параметров при приемке и контроле земляных сооружений допускаются в пределах величин, указанных в табл. 1.1.

Таблица 1. Параметры земляного сооружения и условия их оценки /107/ Параметры Оценка земляного полотна «Хорошо» «Отлично»

Высотные отметки про- Не более 10% результатов определений могут Не более 5% результатов определений мо дольного профиля иметь отклонения от проектных значений в гут иметь отклонения от проектных значе пределах до 100 (20) мм, остальные – до ний в пределах до 100 (20) мм, осталь 50 (10) мм ные – до 50 (10) мм Поперечные уклоны Не более 10% результатов определений могут Не более 5% результатов определений мо иметь отклонения от проектных значений в гут иметь отклонения от проектных значе пределах от –0,015 (–0,010) до 0,030 (0,015)ний в пределах от –0,015 (–0,010) до 0, рад ;

остальные – до 0,010 (0,005) рад (0,015) рад ;

остальные – до 0,010 (0,005) рад Просвет под трехметровой рейкой оснований покрытий грунтов гравийно-песчаных и щебеночно-песчаных смесей, укрепленных органическими и неорганическими вяжущими материалами, 0,007 ( 0,005) м Примечание. Данные в скобках относятся к работам, выполняемым с применением машин с автоматической систе мой задания вертикальных отметок.

Минимальная величина допусков ограничивается лишь плани рующими свойствами современных машин. Уменьшение величин до пусков способствует улучшению эксплуатационных свойств дорож ного полотна и экономии дорожно-строительных материалов /10/, по этому улучшение планирующих свойств планировочных машин пред ставляется весьма актуальной задачей.

Таким образом, возникают противоречия между тем, что ставятся довольно жесткие условия возведения земляного полотна, предъяв ляемые СНиПом /107/, и одновременно с этим отсутствуют требова ния к планировочной машине по точности выполнения работ.

В связи с этим появилось значительное число работ по исследо ванию планировочных характеристик серийно выпускаемых машин и влиянию основных параметров машины (расположение РО внутри колесной базы, наличие балансирных подвесок колес, величин зазо ров в шарнирных сочленениях и др.) на качество планирования.

1.4. Блок-схема модели процесса формирования планировочной машиной обрабатываемой поверхности Как отмечено ранее, в конечном итоге целью рабочего процесса планировочной машины является земляное сооружение с требуемыми геометрическими параметрами, удовлетворяющими нормативам /107/.

Одним из факторов, оказывающих значительное влияние на точ ность планировочных работ, является кинематическое воздействие обрабатываемого и обработанного грунтов на ходовое оборудование планировочной машины. Это воздействие через элементы подвеса ра бочего органа (РО) передается на сам РО, тем самым влияя на геомет рические параметры формируемой поверхности /4, 103, 119/.

1.4.1. Блок-схема модели рабочего процесса двухосной планировочной машины на базе колесного трактора На рис. 1.5 и 1.6 представлены блок-схемы моделей процесса формирования планировочной машиной обрабатываемой поверхно сти.

Модель рабочего процесса двухосной планировочной машины (см. рис. 1.5) описана взаимодействием следующих подсистем (ПС):

человек-оператор;

базовая машина;

S P Грунт Базовая машина Микрорельеф Обработанный Задние колеса Передние колеса грунт S S S S Рулевое S управление Человек-оператор S S РО с устройством подвеса Ppo Рис. 1.5. Блок-схема модели процесса формирования обрабатываемой поверхности двухосной планировочной машиной ПС - грунт, представленная, в свою очередь, подсистемами мик рорельефа и обработанного грунта;

ПС - РО с устройством подвеса;

рулевое управление.

Эти ПС определенным образом объединяются однопараметриче скими связями (когда взаимодействие двух подсистем осуществляется одним параметром) и векторными связями (когда взаимодействие двух подсистем осуществляется по двум и более параметрам). Первые связи на схеме представлены одинарными стрелками, вторые – двой ными стрелками. Параметры, входящие в векторные и однопарамет рические связи, описаны в табл. 1.2.

Схемы процессов, отраженные на рис. 1.5 и 1.6, идеализированы.

При их составлении был принят ряд допущений:

планировочная машина движется с постоянной скоростью;

рассматривается процесс копания грунта уже заглубленным отвалом с постоянным углом резания;

рассматриваемые перемещения подсистем планировочной ма шины вызваны кинематическим воздействием без учета сил реакций копания, действующих на планировочную машину;

влияние зазоров в шарнирных сочленениях ПС РО не учитыва ется.

ПС-РО с установленными параметрами Ppo воздействует на ПС грунт S1, тем самым формируя земляное полотно с параметрами P.

ПС-обработанный грунт воздействует на ходовое оборудование ПС базовая машина (изменяя вертикальные координаты задних колес ПС базовая машина по левой и правой колеям S 4 ), что вызывает верти кальное перемещение, а также угловой поворот ПС-базовая машина вокруг оси, совпадающей с направлением движения планировочной машины. С другой стороны, ПС-микрорельеф необработанного грун та воздействует на передние колеса ПС-базовая машина S 4. Таким образом, формируется вектор параметров S 6 неуправляемого воздей ствия на ПС-РО через устройство подвеса. Этот вектор осуществляет изменение параметров РО в пространстве Ppo.

От ПС-РО с некоторой погрешностью ПС-человек-оператор по лучает информацию о параметрах РО S1. ПС-человек-оператор по средством ПС-ГС привода РО S7 задает положение ПС-РО в про странстве, меняя необходимые параметры S8.

Таблица 1. Описание параметров векторных и однопараметрических связей, входящих в блок-схемы на рис. 1.5 и 1. Обозначение на Параметры, соответствующие обозначениям блок-схемах Вертикальная координата центральной точки режущей кромки S РО, угол наклона РО в поперечной плоскости и угол захвата РО Информация о вертикальной координате центральной точки S режущей кромки РО, угле наклона РО в поперечной плоско сти и угле захвата РО Информация о вертикальной координате центральной точки S режущей кромки РО и угле наклона РО в поперечной плоско сти Угол захвата РО S Вертикальные координаты обработанного грунта по левой и S правой колеям Микрорельеф обрабатываемой поверхности, воздействующий S на планировочную машину по левой и правой колеям Вертикальное и угловое перемещения базового трактора S5 (см.рис.1.5) Вертикальное и угловое перемещения хребтовой балки S 6 (см.рис.1.5) Управляющие воздействия со стороны человека-оператора и S7, S САУ для изменения положения РО в пространстве Изменение положения РО в пространстве в результате управ S8, S ляющего воздействия человека-оператора и САУ Связи, отражающие влияние человека-оператора и САУ на S 9, S 9, S курс движения планировочной машины Информация о курсе движения планировочной машины S11, S Вертикальные координаты обработанного грунта по левой и P правой колеям Вертикальная координата центральной точки режущей кромки Ppo РО, угол наклона РО в поперечной плоскости и угол захвата РО На параметры формируемого земляного полотна в значительной степени оказывает влияние то, насколько точно планировочная ма шина движется в заданном направлении, не отклоняясь от установ ленного курса.

S P Базовая машина Грунт БТ Хребтовая балка S5 Шасси Микрорельеф Обработанный Шасси грунт S S4 S S7 С привода РО (автоматическое САУ Рулевое управление) управление S С привода РО (ручное управление) S S11 S S S S S S Ppo Человек РО с устройст оператор вом подвеса S S Рис.1.6. Блок-схема модели процесса формирования обрабатываемой поверхности трехосной планировочной машиной ПС-человек-оператор с помощью ПС-рулевого управления S9 за дает направление движения по установленному курсу S10. При этом ПС-человек-оператор получает информацию S11 о направлении дви жения ПС-базовая машина.

Помимо человека-оператора информацию о положении РО в про странстве воспринимают датчики ПС-САУ S 2.ПС-САУ сравнивает полученные параметры с заданными и с учетом параметра S3 форми рует сигнал, который, усиливаясь, поступает на ПС-ГС привода РО S7. Последняя, в свою очередь, изменяет установки ПС-РО S8, кото рый в итоге формирует в соответствии со СНиПом /107/ геометриче ские параметры земляного сооружения. Связь S3 устанавливается ПС человеком-оператором.

ПС-САУ участвует также в процессе управления движением пла нировочной машины по заданному курсу. Посредством ПС-рулевого управления S9 происходит изменение направления движения плани ровочной машины S10. Информация о курсе считывается датчиком ПС-САУ S11.

Таким образом, на блок-схеме модели процесса формирования обрабатываемой поверхности двухосной планировочной машины можно выделит пять замкнутых контуров системы.

Первый контур – неуправляемые перемещения ПСРО:

S1 S4, S4 S6.

Второй контур – управляющее воздействие на РО человека оператора: S1 S7 S8.

Третий контур – управляющее воздействие на РО подсистемы САУ частично исключает из контура управления подсистемы РО че ловека-оператора: S1 S3, S2 S7 S8.

Четвертый контур – управление курсом движения машины чело век-оператор: S 9 S10 S11.

Пятый контур – управление курсом движения машины подсисте мой САУ – частично или полностью исключает из системы четвертый контур : S 9 S10 S11.

1.4.2. Блок-схема модели рабочего процесса трехосной планировочной машины на базе колесного трактора Модель рабочего процесса трехосной планировочной машины (см. рис. 1.6) частично представлена взаимодействием подсистем, описанных в подр.1.4.1 для двухосной планировочной машины. Раз личие состоит лишь в ПС-базовая машина, в которой добавлено блока: ПС-базовый трактор (ПС-БТ) и ПС-хребтовая балка (ПС-ХБ).

Ходовое оборудование ПС-БТ перемещается по уже обработанному грунту. Вертикальные и угловые перемещения, вызванные изменени ем неровностей обработанного грунта, оказывают более сложное вли яние на перемещение ПС-БТ с ПС-ХБ S 5, чем у двухосной планиро вочной машины. Контур неуправляемых перемещений ПС-РО с уст ройством подвеса будет описан следующим образом:

S1 S 4 S 5, S 4 S 6.

Анализ блок-схем моделей процесса формирования планировоч ной машиной обработанной поверхности (см.рис.1.5 и 1.6) с учетом анализа исследований по этому вопросу показал, что на точность по зиционирования РО в большой степени влияют геометрические пара метры обработанного и обрабатываемого грунтов, что необходимо отражать в математических моделях исследуемых планировочных машин.

1.5. Анализ предшествующих исследований по теории копания грунта Выбор модели процесса взаимодействия РО с разрабатываемым грунтом базируется на следующих предпосылках: обеспечение тре буемой точности геометрических параметров земляного сооружения происходит на завершающих проходах ЗТМ по обрабатываемому участку, грунт при этом, как правило, разрыхлен, а толщина срезае мой стружки грунта не более 0,07 м. Сопротивление копанию зависит от физико-механических свойств грунта, толщины стружки, парамет ров РО /71/.

Теории копания можно разделить на группы /7,13,46,47/:

теории, базирующиеся на результатах экспериментальных ис следований (В.П. Горячкин, А.Н. Зеленин, Ю.А. Ветров, а также за рубежные 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 /113/.

В реальных условиях большинство этих параметров носит слу чайный характер. Поэтому математическая модель силового воздей ствия со стороны грунта при проведении планировочных работ долж на быть реализована как случайный процесс. Изменения реакции грунта Fро на отвале ЗТМ предлагается представить в виде Fро Fт Fф, (1.1) где F т – низкочастотный тренд;

Fф – высокочастотная составляющая (флюктуация), которая изменяется по случайному закону нормально го распределения.

В качестве примера функция тренда приведена на рис. 1.7.

Корреляционные функции случайных флюктуаций можно пред ставить в виде /113/ ф Fф ф e cos ф, (1.2) где ф2 – дисперсия флюктуаций;

ф и ф – параметры корреляцион ной функции (табл. 1.3).

Fт t Рис. 1.7. Тренды сопротивлений копанию грунта рабочего органа ЗТМ Дисперсия флюктуации определяется следующим образом /118/:

ф ф mф, (1.3) где m ф – математическое ожидание флюктуации, численно равное тренду соответствующей составляющей реакции грунта;

ф – коэф фициент вариации флюктуации, соответствующей составляющей со противления копанию.

Таблица 1. Значения параметров корреляционной функции для определения флюктуаций Fф /13/ 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 – Низкочастотную составляющую реакции грунта на РО в работах К.А.Артемьева предложено определять как сосредоточенный вектор, состоящий из трех составляющих и приложенный к центральной точ ке режущей кромки отвала.

Применительно к машине, выполняющей планировочные работы отвалом с ножом криволинейного профиля постоянного радиуса кри визны с острой режущей кромкой, справедливо равенство /118/ Fх ( Fхл Fyл 1 ) sin 2 Fпр sin, (1.4) где Fх – горизонтальная составляющая вектора силы сопротивления копанию грунта;

Fхл, Fyл – соответственно горизонтальная и верти кальная составляющие силы сопротивления резанию грунта при ло бовом копании;

Fпр – сопротивление перемещению призмы волоче ния;

1 – коэффициент трения грунта по металлу;

– угол захвата от вала.

При косом копании горизонтальная Fx, вертикальная Fy и по перечная Fz составляющие силы резания определяются /7/:

Fx Fxл sin 2 ;

(1.5) F y F yл sin 2 ;

(1.6) Fz Fxл cos. (1.7) Сопротивление призмы волочения Fпр выражается уравнением /118/ cos 2 1 Fпр п р g В H г, (1.8) cos 2 cos 2 0 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 тре ния;

– угол внутреннего трения;

– угол, составленный вертикалью и линией, соединяющей верхнюю точку отвала с точкой его контакта с поверхностью разрабатываемого грунта.

h H arcsin cos p arcsin R0 2 R h р 1 (1.9) arcsin 1 cos p, R0 2 где p – угол резания;

h – толщина срезаемой стружки;

R0 – радиус кривизны отвала;

H 0 – высота отвала по хорде.

Величина H г определяется по формуле /118/ H h 2 arcsin 0 arccos cos p p 2R R.

0 (1.10) H г 2 R0 sin Значения горизонтальной и вертикальной составляющих реакции грунта определяются по уравнениям /118/:

Fxл М 1R h В K1R g h С ctg С tg ;

2 F yл М 2 R h b K 1R g h C ctg C tg, (1.11) 2 где – объемная масса грунта;

С – коэффициент сцепления грунта.

M 1R 1 tg0 tg ( / 2) ;

M 2 R tg ( / 2) tg0 ;

(1.12) cos0 cos0 sin 2 sin 2 K1R cos 2 (1 sin ) sin cos1R 1 sin 2 sin 2 1R, (1.13) где – угол, образуемый подпорной стенкой с вертикалью;

– цен тральный угол дуги ножа криволинейного профиля, погруженного в грунт.

arccos(cos p h / R0 ) p ;

(1.14) sin 1R 0 arcsin. (1.15) sin 2 Анализ предшествующих работ по теориям копания грунта пока зал, что процесс взаимодействия РО с разрабатываемым грунтом мо жет быть представлен математической моделью (1.1), включающей в себя низкочастотную составляющую (тренд) сопротивления копанию, зависящую от физико-механических свойств грунта, толщины сре заемой стружки, параметров призмы волочения, формы отвала, а так же высокочастотную составляющую (флюктуацию), вызванную слу чайными явлениями, такими как неоднородность грунта, переменное значение толщины стружки грунта, неуправляемые колебания РО и др.

1.6. Анализ математических моделей микрорельефа грунта В зависимости от решаемых задач математическая модель релье фа может быть представлена детерминированными или стохастиче скими функциями /18/.

Детерминированные модели представляют собой математическое описание неровностей рельефа в виде детерминированных функцио нальных зависимостей вертикальных координат поверхности от гори зонтальных координат. Они менее достоверны по сравнению со сто хастическими и имеют ограниченные возможности. Их в основном используют при подтверждении адекватности создаваемых математи ческих моделей, анализе частотных характеристик исследуемых ма шин и качественных показателей систем управления РО /113/.

Для изучения ЗТМ наиболее удобно пользоваться стохастическо детерминированной моделью земляного полотна. При этом корреля ционная функция профиля задается детерминированной моделью, а по ней с использованием рекуррентных соотношений строится на ЭВМ псевдослучайный профиль /113/.

Профиль местности может быть условно разделен на макропро филь, микрорельеф и шероховатость. К макропрофилю относят не ровности значительной протяженности (более 100 м) и сравнительно большой амплитуды. Для шероховатости характерны неровности вы сокой частоты с длиной менее 0,5 м и малыми амплитудами. Как мак рорельеф, так и шероховатости не представляют интереса с точки зрения планировочных свойств, так как макрорельеф вызывает очень медленное изменение во времени положения РО, а шероховатость компенсируется сглаживающей способностью шин /18/.

Взаимосвязь случайных значений функции по длине обрабаты ваемого участка земляного полотна можно охарактеризовать корре ляционными функциями /74,128/.

Корреляционные функции случайного процесса с достаточной степенью точности аппроксимируют функциональной зависимостью /128/ ( ) A1 e 1 A2 e 2 cos, (1.16) где 1 и 2 – коэффициенты, характеризующие затухание этой функ ции;

– коэффициент, характеризующий периодическую составляю щую микропрофиля;

при = 0 A1 A2 1.

В табл. 1.4 приведены некоторые аппроксимации корреляционных функций поверхностей, которые могут стать объектом планировочных работ /18/.

Большинство корреляционных функций аппроксимируется вы ражением (1.17). В ряде случаев нормированные корреляционные функции микропрофилей можно представить более простыми выра жениями /128,74/:

( ) 2 e ;

(1.17) ( ) 2 e cos( ), (1.18) где и – коэффициенты, зависящие от типа профиля;

2 – диспер сия функции микропрофиля поверхности;

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

V – скорость движения машины.

Функции (1.17) и (1.18) можно реализовать на ЭВМ с помощью следующего рекуррентного соотношения /128/:

– для уравнения (1.17):

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

(1.19) a0 1 2 ;

(1.20) q1 e к ;

(1.21) e к ;

(1.22) к к hД ;

(1.23) – для уравнения (1.18):

y (n) a 0 x( n) a1 x( n 1) q1 y (n 1) q 2 y ( n 2) ;

(1.24) c ;

2 c1 4c a0 c (1.25) c ;

(1.26) a c q1 2 cos 0 ;

(1.27) q2 2 ;

(1.28) c 0 ( 2 1)cos 0 ;

(1.29) c1 1 4 ;

(1.30) e к ;

(1.31) к к h;

(1.32) 0 h, (1.33) где h – шаг дискретности времени;

x(n) – реализация независимых нормально распределенных чисел со следующими параметрами: ма тематическое ожидание m = 0, среднеквадратичное отклонение = 1.

Для случайных процессов с наиболее часто встречающимися корреляционными функциями моделирующие алгоритмы и его пара метры приведены в табл. 1.5 /18/.

При формировании математической модели микрорельефа обра батываемой поверхности целесообразно учитывать сглаживающие характеристики пневматических шин ходового оборудования.

Элементы ходового оборудования ЗТМ контактируют с грунтом на площадке длиной 2X0 /74,128/. Нивелирующая способность шин определяется уравнением 1 x x y ( X ) dX, (1.34) Y (X ) 2 X 0 x x где y (X ) – вертикальная координата микрорельефа;

Y (X ) – резуль тирующая вертикальная координата микрорельефа после сглаживаю щего действия шины.

С учетом сказанного при исследовании процесса взаимодействия элементов ходового оборудования с грунтом правомерно принять до пущение о точечном контакте шин с грунтом, при этом вертикальные координаты микропрофиля должны определяться по формуле (1.34).

1.7. Анализ и обоснование критериев эффективности планировочной машины При формировании показателей эффективности необходимо, чтобы они обеспечивали /72/:

- отражение влияния на эффективность машины всего многооб разия факторов: технических параметров, эксплуатационных и произ водственных условий и т.д.;

- получение обоснованных рекомендаций для выбора рацио нальных технических параметров машины и ее СУ, совокупность ко торых определяет ее технико-экономическую эффективность.

Кроме того, показатели эффективности должны удовлетворять следующим требованиям /72/:

- иметь технико-экономическую основу;

- соответствовать цели, достигаемой в результате применения оборудования;

- иметь иерархическую структуру, обеспечивая включение ча стных показателей в более общие.

Таблица 1. Статистические свойства микрорельефа типовых грунтовых поверхностей /18/ Выражение, аппроксимирующее Численные значения параметров Характер нормированную корреляционную поверхности функцию микропрофиля 1, с–1 2, с–1, с–1 у,10–2, м А1 А 1 2 3 4 5 6 7 1=0, cos 1l A2 e ( ) A1e1 cos 0,1 0,1 0,7 0,3 1, 2=0, Накатанная грунтовая дорога A2 e ( ) A1e1 cos 0,087 0,1 0,35 0,92 0,08 2, Укатанная дорога ( ) A1e1 cos 0,77 – 1,35 5,5 – 5, ( ) e1 0,3 – – – – 2, Грунтовая грейдерная дорога A2 e ( ) A1e1 cos 0,8 0,05 0,6 0,8 0,2 2, cos 1 A2 e ( ) A1e1 cos 2=0, Грунтовая дорога 0,039 0,27 0,54 0,46 57, Грунтовая дорога 0,01… ( ) A1e1 cos среднего и плохо- 0,1…0,5 0,1…1,. 0,8.…3,0 0,6…1,. 4,5…9, A2 e 0, го качества Разбитая грунто- ( ) A1e1 cos 0,085 0,08 0,235 0,55 0,45 47, A2 e вая дорога Проселочная 0,014… 0,025… ( ) e1 cos – – – дорога 0,111 0, ( ) A1e1 A2 e Проселочная доро- cos 0,65 0,15 2,0 0,8 0,2 0, га на границе поля Окончание табл. 1. 1 2 3 4 5 6 7 Проселочная доро- ( ) cos A1e1 A2e 0,2 0,3 0,95 0,8 0,2 2, га возле пашни 1=0, Грунтовый аэро- ( ) e1 (cos 1 2 sin 2 ) 0,53 0,138 – – 2, 2=3, дром Основная лесовоз ная дорога с гра- ( ) e1 cos 0,084… 0,084… 7,6… вийным покрыти- – – – 0,116 0,115 18, ем на песчаной почве Целина A2 e ( ) 1,9( A1e1 sin ) 3,5 0,67 3,05 1,0 0,72 1, Вспаханное поле ( ) e1 cos 0,518 – 1,366 – – 0, вдоль пахоты Вспаханное поле ( ) e1 cos 1,171 – 3,142 – – 1, поперек пахоты Трасса движения ( ) e1 cos мелиоративной 0,085 – 0,151 – – 10, машины ( ) e1 cos Рисовый чек 0,06 – 0,022 – – – Таблица 1. Моделирующие алгоритмы случайных процессов и их параметры /18/ Корреляционная функция Моделирующий алгоритм Параметры моделирующего алгоритма y I [n] a0 x[n] b1 y[n 1] R I ( ) 2 e a0 1 2 ;

b1 ;

e ;

h R II ( ) 2e cos 2 a0 C (C1 C 1 4C0 ) / 2;

y II [n] a0 x[n] a1 x[n 1] a1 C0 / C ;

b1 2 cos 0 ;

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

C0 ( 2 1) cos 0 ;

C1 1 4 ;

e ;

h;

0 h R ( ) R I ( ) R II ( ) y[n] y I [n] y II [n] 2 a0 (C1 C 1 4C 0 ) / 2;

a1 aC 0 / C ;

b1 2 cos 0 ;

b2 2 ;

R( ) 2e (cos y[ n] a0 x[ n ] a1 x[ n 1] C1 1 4 4 2 sin 0 cos 0 ;

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

х/h/ – реализация независимых нормально распределенных чисел с па раметрами: матожидание m=0, среднеквадратическое отклонение =1.

Для оценки эффективности целесообразно использовать систему показателей, сформулированных на базе такого обобщенного показа теля, как приведенные удельные затраты, который с учетом соответ ствующих ограничений наиболее полно отвечает рассмотренным тре бованиям и позволяет оценить эффективность как в сфере производ ства, так и в сфере эксплуатации /78/.

Приведенные удельные затраты на единицу продукции /72/ ЗПР. УД = CУД + ЕkУД, (1.35) где CУД = СМС / ПСМ – себестоимость единицы продукции;

СМС – себе стоимость машиносмены;

ПСМ – эксплуатационная производитель ность машины в смену;

kУД = Ц / ТСМ ПСМ – удельные капитальные за траты, т.е. сумма производственных основных фондов на единицу го дового выпуска продукции;

Е – нормативный коэффициент эффек тивности капиталовложений;

Ц – расчетная стоимость машины;

ТСМ – число смен работы машины в году в соответствии с установленным режимом работы.

Для показателей эффективности характерна иерархическая структура построения с точки зрения охвата параметров, определяю щих протекание процесса с включением частных показателей более низкого уровня в более общие (табл. 1.6) /72/.

Показатель первого уровня применяется для оценки комплексов систем и машин, если известно, что коэффициенты удельных приве денных затрат для сравниваемых объектов существенно разнятся /72/.

Показатель второго уровня применяется для тех же целей, что и показатель первого уровня, но при условии, что для нового объекта коэффициенты приведенных затрат на эксплуатацию и основные фонды незначительно отличаются от эталонных /72/.

Показатели третьего уровня оценивают основные группы подсис тем рабочего процесса планировочной машины. При этом важнейшим показателем является эксплуатационная производительность, так как все показатели более высокого уровня не могут быть определены без известного значения этого показателя /72/.

Показатели четвертого и пятого уровней характеризуют отдель ные параметры рабочего процесса планировочной машины и позво ляют определить их влияние на эффективность рабочего процесса при остальных неизменных параметрах, входящих в показатели более вы сокого уровня /72/.

Таблица 1. Система показателей для оценки эффективности землеройных машин и отдельных рабочих процессов /72/ Назначение модели Оценка по относитель (оценки) Уровень Оценка по абсо модели Показатель Применение ной величине и выявле лютной величине ние областей примене показателя ния 1 2 3 4 Приведенные удельные затраты с Оптимизация систем и Зi учетом сопряженного эффекта, установление областей k з З = Суд + Еkуд I оценивающие эффект применения Пр.уд применения машин и З j подсистемы комплексов Зi kз ЗПр.уд = Суд + Еkуд II Приведенные удельные затраты То же Зj III Оптимизация пара N уд П Обобщенный показатель по энер- NGi k NG П NG метров и режимов П NGj гоемкости и материалоемкости П т. уд эксплуатации G удi G G уд kG Материалоемкость Пт G удj N удi N N уд kN Энергоемкость Пт N удj IV То же q П тi Пт kп Производительность tц П тj tц = tк kt = tцi / tцj Время цикла Окончание табл. 1. 1 2 3 4 k = i / j Коэффициент полезного действия V То же kp kкp = kpi / kpj Энергоемкость частной операции N kN = Ni / Nj Мощность VI То же A k A = Ai / A j Энергия W k W = W i / Wj Сила сопротивления VII То же V kV = Vi / Vj Скорость h kh = hi / hj Глубина копания и др.

Так как часть показателей, входящих в состав удельных приве денных затрат, может быть установлена весьма приблизительно, це лесообразней применять показатели более низкого уровня /72/.

Важным более низким по иерархической структуре показателем служит техническая производительность, которая является состав ляющим компонентом показателей более высокого уровня, и они не могут быть определены без известного значения производительности.

Применительно к планировочной машине этот показатель имеет вид /3/ V L, (1.36) П n где L3 – ширина захвата;

n – число проходов по обрабатываемому участку до достижения требуемой точности по СНиПу /107/;

V – ра бочая скорость движения машины.

Число проходов по обрабатываемому участку до достижения требуемой точности зависит от планировочных свойств машины.

Одним из наиболее жестких условий выступает равенство нулю математического ожидания погрешности и минимум ее дисперсии или эквивалентное условие – равенство математического ожидания величины параметра точности по номинальному значению и миниму му дисперсии /4/.

Иногда в качестве критерия обеспечения точности принимают максимальную или допустимую величину вероятности нахождения параметра или погрешности в некоторых заданных пределах /4/.

Кроме рассмотренных могут быть и другие критерии при реше нии задач обеспечения точности землеройных машин, их выбор зави сит от типа решаемой задачи, вида и объема исходной информации и др. /4/.

В ряде работ /36, 78, 99, 113/ оценку планирующих свойств ма шин предложено проводить с помощью коэффициентов сглаживания – в продольном K cy и поперечном K c направлениях:

исх K cy = у / у ;

(1.37) исх K c = /, (1.38) исх где у, исх – среднеквадратические отклонения исходного про филя по вертикальной и угловой координатам;

у, – среднеквад ратические отклонения профиля по вертикальной и угловой коорди натам соответственно после прохода планировочной машины по об рабатываемому участку.

В настоящей монографии оценка эффективности исследуемых планировочных машин производится по производительности:

V L max. (1.39) П n Количество проходов определяется как /124/ lg исх треб lg y y ;

(1.40) nпл lg K y lg K y lg исх lg треб -, (1.41) nпл lg K lg K где Ky – коэффициент сглаживания в продольном направлении;

K – коэффициент сглаживания в поперечном направлении;

исх, исх – y среднеквадратические отклонения исходного профиля по вертикаль ной и угловой координатам;

y, треб – требуемые среднеквадра треб тические отклонения профиля по вертикальной и угловой координа там.

При этом количество числа проходов принимает большее из зна чений.

Таким образом, задача повышения эффективности каких-либо параметров планировочной машины сводится к задаче повышения производительности путем увеличения коэффициентов сглаживания.

1.8. Анализ предшествующих исследований, направленных на совершенствование планировочных машин Одной из наиболее ответственных и трудоемких операций, вы полняемых планировочной машиной при возведении земляного по лотна, является планирование грунта. При этом оператор, выполняю щий данную операцию, должен иметь высокую квалификацию и об ладать достаточным опытом с целью выполнения требований по точ ности возведения земляного полотна, указанных в подр. 1.3, и повы шения производительности.

В связи с этим значительное число исследований планировочных машин было направлено на совершенствование этих машин с точки зрения повышения точности выполняемых ими работ.

Все предшествующие работы можно условно разделить на три группы:

1) работы по совершенствованию конструкций базовой машины и элементов рабочего оборудования /36, 75, 78, 99, 108/;

2) работы по совершенствованию систем гидропривода /10, 75/;

3) работы по совершенствованию систем автоматического управ ления /11, 86, 113/.

Авторы этих работ с разной степенью детализации рассматрива ли процесс планировки земляного полотна и давали рекомендации по повышению точности этих работ.

В.В. Беляев в работе /36/ с помощью модели рабочего процесса автогрейдера при проведении планировочных работ осуществил ана лиз влияния различных факторов на точность обработки грунта. Наи более существенное влияние, по мнению автора, оказывает соотно шение длины неровностей и базы планировочной машины, угол за хвата планировочной машины, а также в меньшей степени влияет время запаздывания гидропривода и ряд других факторов. С целью улучшения планировочных качеств автогрейдера автор предложил исключить жесткую механическую связь базовой машины, колеблю щейся под действием неровностей микрорельефа и реакции разраба тываемого грунта, с РО. При этом РО, названный инвариантным, опирается на уже спланированную поверхность.

В.В. Привалов в работе /99/ для снижения возмущающего воз действия грунта на автогрейдер, выполняющий планировочные рабо ты, предложил установить перед колесами автогрейдера так называе мые лидирующие РО, выполненные в виде небольших отвалов.

В работе /75/ В.Е.Калугин провел анализ влияния зазоров в уст ройстве подвеса РО и в самом РО автогрейдера на качество планиро вания откосов. Автор провел морфологический анализ устройств под веса РО и предложил эффективную конструкцию – устройство подве са РО на неповоротных кронштейнах.

В работе /108/ приводятся разработки Брянского завода дорож ных машин, в частности, разработана конструкция подвески рабочего органа. Такая подвеска по сравнению с уже существующими обеспе чивает повышенную жесткость, участие практически всех основных деталей в работе на растяжение-сжатие, что позволяет значительно снизить металлоемкость машины.


В.И. Колякин в своей работе /78/ провел исследования планиро вочных характеристик планировочных машин на базе промышленных тракторов. Были определены факторы, оказывающие наибольшее влияние на планирующие свойства автогрейдера на базе трактора Т-150К. К этим факторам, в частности, относятся: частотный состав обрабатываемого профиля, расположение отвала в колесной базе, расположение шарнира крепления хребтовой балки грейдера к раме трактора и др. Автором выделена наиболее перспективная из рас смотренных планировочная машина, у которой шарнир крепления хребтовой балки установлен на задней оси трактора, а также в базе тягача перед задними колесами крепятся дополнительные РО. В ре зультате анализа гидропривода машин выявлено, что наиболее пер спективными являются схемы многоскоростных гидроприводов и приводов с переменной скоростью перемещения РО.

В.А. Палеев в работе /96/ провел исследование в области систем управления отвалом автогрейдера, выполняющего планировочные ра боты. Для повышения точности этих работ было предложено приме нить гидромеханическую систему стабилизации отвала в поперечной плоскости, были определены параметры этой системы. Автор проана лизировал планировочные свойства автогрейдера при изменении угла наклона отвала в поперечной плоскости с одновременным изменени ем угла захвата РО.

В работе /11/ А.Ф. Бакалов рассмотрел систему стабилизации РО автогрейдера и пришел к выводу, что можно повысить быстродейст вие системы, применив корректирующее звено, которое устраняет демпфирование маятника датчика относительно корпуса.

Исследовав в работе /10/ систему стабилизации отвала автогрей дера, В.А. Байкалов предложил двухскоростную систему стабилиза ции и определил ее основные параметры.

В работе /113/ В.В. Титенко предлагает повысить производитель ность автогрейдера, выполняющего планировочные работы, путем применения системы стабилизации отвала, включающей запоминаю щее устройство и устройство индикации. Такая система позволяет в процессе производства планировочных работ человеку-оператору ви зуально по устройству индикации следить за геометрическими пара метрами формируемого земляного полотна и при достижении задан ной точности, требуемой СНиПом, предотвратить лишние проходы по обработанному участку.

В результате проведенного анализа литературы выявлено, что выполнено довольно много исследований, направленных на повыше ние эффективности работы планировочных машин. Из них значи тельное число работ посвящено улучшению планировочных свойств автогрейдера.

Однако до сих пор с достаточной степенью не изучены планиро вочные характеристики планировочных машин на базе колесных тракторов, используемых при строительстве сельских грунтовых до рог, у которых грейдерное оборудование навешивается впереди базо вого трактора. Также отсутствуют научно обоснованные методики по выбору основных конструктивных параметров и компоновочных схем машин, алгоритмы автоматизации планировочных машин на базе ко лесных тракторов.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ПЛАНИРОВОЧНОЙ МАШИНЫ 2.1. Методы математического моделирования планировочных машин Проведение теоретических исследований вновь создаваемой тех ники невозможно без математического описания исследуемого объек та, т.е. без математического моделирования. В настоящее время ши роко 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 /83/.

При математическом моделировании для рассматриваемого ра бочего процесса планировочная машина представляет собой сложную динамическую систему, на которую действуют управляющие и воз мущающие внешние воздействия, имеющие стохастическую природу.

Параметры подсистем планировочных машин (гидропривод, САУ по ложением РО, базовая машина) также флюктуируют во времени и имеют случайный характер. Но колебания этих параметров не соиз меримы с колебаниями внешних воздействий и растянуты во време ни. Поэтому при составлении математических моделей планировоч ных машин принимается допущение о том, что параметры гидропри вода, САУ РО и 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 уравне ниями, переходными процессами, амплитудно-фазовыми и амплитуд но-частотными характеристиками, передаточными функциями от дельных звеньев и др. /62, 83/.

Выбор того или иного типа представления динамики объекта в основном определяется задачами исследования, требованиями обес печения наглядности проходящих процессов и т.д. В настоящей мо нографии целесообразно динамические свойства объекта исследова ния представить с помощью аппарата передаточных функций, кото рый при компактности записи дает в достаточной степени полное представление о процессах, проходящих в звеньях системы.

2.2. Математическая модель двухосной планировочной машины При разработке математической модели двухосной планировоч ной машины (применительно к пространственной расчетной схеме) были приняты следующие допущения:

планировочная машина является пространственным шарнирно сочлененным многозвенником;

конструктивные элементы планировочной машины абсолютно жесткие;

элементы ходового оборудования имеют постоянный контакт с грунтом;

люфты в шарнирных сочленениях планировочной машины от сутствуют;

отвал постоянно погружен в обрабатываемый грунт;

проседание грунта под колесами планировочной машины пре небрежимо мало;

система голономна и стационарна;

силы трения в шарнирах отсутствуют;

планировочная машина движется прямолинейно с постоянной скоростью.

Анализ предшествующих исследований, направленных на повы шение эффективности планировочных машин /10,11, 36, 86, 94, 99, 113/, позволил сделать вывод, что указанные допущения не влияют на правомерность выводов и позволяют получить результаты расчетов с необходимой точностью.

Для математического описания двухосной планировочной маши ны была составлена пространственная расчетная схема, представлен ная на рис. 2.1. На схеме даны следующие обозначения:

O0X0Y0Z0 – правая ортогональная неподвижная система коорди нат, в которой ось O0X0 совпадает с направлением движения планиро вочной машины, ось O0Y0 направлена вертикально вверх, ось O0Z0 яв ляется третьей осью правой системы координат;

L – расстояние между осями передних и задних колес планиро вочной машины;

L1 – расстояние от оси передних колес до центральной точки ре жущей кромки РО;

L2 – расстояние от оси задних колес до центральной точки режу щей кромки РО;

L3 – ширина колеи машины;

Y1л, Y1п – вертикальные координаты передних левого и правого колес планировочной машины;

Y2л, Y2п – вертикальные координаты задних левого и правого ко лес планировочной машины;

Y1, Y2 – вертикальные координаты условных точек грунта под центрами передней и задней осей;

Yрл, Yрп – вертикальные координаты крайних левой и правой точек режущей кромки РО;

Yр – вертикальная координата центральной точки режущей кром ки РО;

– угол захвата РО;

V – поступательная скорость машины.

Элементами пространственной расчетной схемы являются сле дующие основные узлы планировочной машины, совершающие неза висимые перемещения друг относительно друга и определяющие его кинематические характеристики: хребтовая балка, жестко сочленен ная с базовым трактором, передняя и задняя оси с колесами, тяговая рама и поворотный круг с РО.

С учетом того, что при проведении планировочных работ вели чина заглубления РО невелика и силы копания оказывают незначи тельное воздействие на планировочную машину, а также с учетом принятых допущений основными возмущающими воздействиями яв ляются кинематическое воздействие на ходовое оборудование плани ровочной машины со стороны обрабатываемого и обработанного профилей.

Все элементы расчетной схемы имеют возможность перемещать ся в определенных направлениях:

передняя ось планировочной машины может вращаться вокруг оси O0Х0;

базовый трактор с жестко связанной с ним хребтовой балкой может перемещаться по оси Y0 и вращаться вокруг осей O0X0 и O0Z0;

тяговая рама может вращаться вокруг осей O0X0 и O0Z0;

задняя ось планировочной машины жестко связана с базовым трактором, имеет возможность перемешаться вместе с трактором по оси Y0 и вращаться вокруг оси O0X0.

При формировании земляного полотна РО планировочной маши ны, как правило, установлен на угол захвата 90°. Существующие системы управления положением РО в поперечной плоскости не учи тывают влияния угла на геометрические параметры земляного со оружения, в результате чего земляное полотно формируется с отлич ными от требований СНиПа значениями /124/. Следовательно, при составлении уравнений геометрических связей необходимо учесть влияние угла захвата РО.

Для определения положения в пространстве произвольных точек элементов расчетной схемы в любой момент времени и установления связи между положением РО и параметрами сформированной по верхности были получены уравнения геометрических связей двухос ной планировочной машины.

В соответствии с методикой, изложенной в работе /124/, из про странственной расчетной схемы планировочной машины (рис. 2.1) определено:

Y (t ) Y1п (t ) Y1 (t ) 1 л. (2.1) Вертикальные координаты задних левого и правого колес будут равны вертикальным координатам режущих кромок отвала через со ответствующие промежутки времени л и п /124/:

Y2 л (t ) Y pл (t л ) ;

(2.2) Y2 п (t ) Y pп (t п ), (2.3) где л, п – время запаздывания, необходимое для прохождения маши ной расстояния от режущей кромки РО до задних колес планировоч ной машины по левой и правой колеям:

L2 п L ;

L2 п L2 3 ctg ;


п (2.4) V L L л 2 л ;

L2 л L2 3 ctg. (2.5) V При наезде задним правым колесом на неровность планировоч ная машина вращается вдоль оси EM (рис. 2.2). Следовательно, РО тоже будет вращаться вдоль оси EM в точке N. Необходимо найти ве личину x, которая зависит от угла захвата.

2L x x L / 3 ;

DF. (2.6) L DF L L L OD x 3 ND 3, (2.7) 2 ctg но OD DF L2, (2.8) значит, 2L x L L L L3 / 2 ctg L L x 3 32 ;

(2.9) ctg 2 L L3 ctg YРП L3 x ;

(2.10) Y2 П L x L L3 / 2 ctg YРП Y2 П 1 Y2 П 1 2 ;

(2.11) L 2 L L3 ctg 3 L L3 / 2 ctg YРЛ Y2 П YРП Y2 П 2. (2.12) 2 L L3 ctg При наезде левым задним колесом на неровность планировочная машина вращается вдоль оси EG. Следовательно, РО тоже будет вра щаться вдоль оси EG в точке C. Величину y находим аналогичным образом.

Рис. 2.1. Пространственная расчетная схема двухосной планировочной машины Рис. 2.2. Расчетная схема перемещений рабочего органа L3 L OB BC 3 ;

(2.13) y 2 ctg BC L3 / 2 2L y, BE L ;

(2.14) L BE L 2L y L1 L L L3 / 2 ctg L3 L 2 ;

(2.15) y ctg 2 L / L3 ctg y L L3 / 2 ctg YРЛ L3 y ;

YРЛ Y2 Л 1 Y2 Л 1 2 ;

(2.16) L 2 L L3 ctg Y2 Л L3 3 L2 L3 / 2 ctg. (2.17) YРП Y2 Л YРЛ Y2 Л 2 L L3 ctg Таким образом, учитывая вышеизложенное, можно записать формулы для определения вертикальных координат правой и левой точек РО.

L ctg L ctg Y pл (t ) (1 K бл ) Y1 (t ) Y2 л (t ) 1 2 Y2 п (t ) 2 ;

(2.18) 2( L ctg ) 2( L ctg ) L ctg L2 ctg Y pп (t ) (1 K бп ) Y1 (t ) Y2 п (t ) 1 2( L ctg ) Y2 л (t ) 2( L ctg ) ;

(2.19) L L K бл 1л ;

K бп 1п, (2.20) L L где Кбп, Кбл – коэффициенты базы, характеризующие положение пра вой и левой комок РО в колесной базе планировочной машины.

Готовую поверхность можно описать двумя параметрами: верти кальной координатой центральной точки Y2 л (t ) Y2п (t ) Yр (t ) (2.21) и углом поперечного уклона Y Y p arctg 2 п 2 л. (2.22) L Y1п Yрл Wk1(p) 1/2 K • + + + + + Y Y1л K3 K Wk1(p) Y2п (t) Y2л Y2п Y2л K4 K • • K1 1 K бп + K 2 1 K бл + + Yрп K L ctg K3 2( L ctg) Wk2(p) Wk2(p) е -пp е -лp • Yрл L ctg K 4 1 2( L ctg) Yрп • • + Yрл L ctg + K 5 1 2( L ctg) 1/ • Yрп Yр + 1/L L ctg arct K6 2( L ctg) g р Рис. 2.3. Структурная схема двухосной планировочной машины Рис. 2.4. Пространственная расчетная схема трехосной планировочной машин При этом динамика элементов ходового оборудования описыва лась как колебательное звено второго порядка ki Wi ( p ), (2.23) Ti1 p Ti 2 p где ki – коэффициент передачи i-го колеса, ki = 1 / сi, здесь сi – коэф фициент жесткости i-й шины;

Ti1 – постоянная времени i-го колеса, Ti12 = mi / сi;

Ti2 – постоянная времени i-го колеса, Ti2 = bi / сi;

mi – мас са, приходящаяся на ось;

bi – коэффициент демпфирования i-й шины.

Уравнения (2.1) – (2.23) позволяют построить структурную схему (рис. 2.3) для двухосной планировочной машины, соответствующую пространственной расчетной схеме (см.рис. 2.1).

2.3. Математическая модель трехосной планировочной машины Для математического описания трехосной планировочной маши ны была составлена пространственная расчетная схема этой машины (рис.2.4). Основными элементами планировочной машины являются:

базовый трактор (БТ);

передняя ось планировочной машины с коле сами;

оси БТ с колесами;

хребтовая балка (ХБ), шарнирно сочлененная с БТ;

тяговая рама и поворотный круг с РО.

В дополнение к пространственной схеме двухосной планировоч ной машины на схеме введены следующие обозначения:

L – расстояние между передней осью планировочной машины и шарниром S крепления ХБ к БТ;

L2 – расстояние от шарнира S до центральной точки режущей кромки РО;

L1б – расстояние между передней осью БТ и шарниром S;

L2б – расстояние между задней осью БТ и шарниром S;

Lб – межосевое расстояние БТ;

S – шарнир крепления ХБ к БТ;

Ys – вертикальная координата шарнира S;

Y2л, Y2п – вертикальные координаты передних колес БТ;

Y3л, Y3п – вертикальные координаты задних левого и правого ко лес БТ;

Y1, Y2 – вертикальные координаты условных точек грунта под центрами передней и задней осей БТ.

Допущения, принятые для пространственной модели двухосной планировочной машины, справедливы и для трехосной планировоч ной машины на базе колесного трактора.

Элементы расчетной схемы (рис. 2.4) имеют возможность пере мещаться в следующих направлениях:

передняя ось планировочной машины, передняя и задняя оси БТ – по оси Y0 и могут вращаться вокруг оси O0X0;

БТ – по оси Y0 и вращаться вокруг оси O0Z0, а также вместе с ХБ – вокруг оси O0X0;

ХБ – по оси Y0 и вращаться вокруг оси O0Z0;

тяговая рама – по оси Y0 и вращаться вокруг осей O0Z0 и O0X0.

По аналогии с формулами для двухосной планировочной маши ны математическое описание трехосной планировочной машины представлено следующими формулами:

Y (t ) Y (t ) Y1 (t ) 1 л 2 1п ;

(2.24) Y2 л (t ) Y2 п (t ) ;

(2.25) Y2 (t ) Y2 л (t ) Y pл (t л ) ;

(2.26) Y2 п (t ) Y pп (t п ) ;

(2.27) Y3 л (t ) Y pл (t л б ) ;

(2.28) Y3п (t ) Y pп (t п б ) ;

(2.29) L L L L п 2 п 1б ;

л 2 л 1б ;

(2.30) V V L L2 п L2 3 ctg ;

(2.31) L L L2 л L2 3 ctg ;

б б, (2.32) V где л, п – время запаздывания, необходимое для прохождения маши ной расстояния от режущей кромки РО до передних колес БТ по ле вой и правой колеям;

б – время, необходимое для прохождения ма шиной расстояния Lб.

С учетом подстановок выражения примут вид Y pл (t ) (1 K бл ) Y1 (t ) Y2 (t ) (1 K бб ) K бл L L2б ctg L L2б ctg Y3 л (t ) 1 2 Y3п (t ) 2 ;

(2.33) 2( L L ctg ) 2( L L2б ctg ) 2б Y pп (t ) (1 K бп ) Y1 (t ) Y2 (t ) (1 K бб ) K бп L L2б ctg L2 L2б ctg Y3п (t ) 1 2( L L ctg ) Y3 л (t ) 2( L L ct g ) ;

(2.34) 2б 2б где Кбп, Кбл – коэффициенты базы, характеризующие положение пра вой и левой кромок РО между передней осью планировочной машины и шарниром S;

Кбб – коэффициент, характеризующий положение шарнира S в колесной базе БТ.

L L1л L ;

K бп 1п ;

K бб 1б ;

(2.35) K бл Lб L L Y (t ) Y (t ) Y Y p arctg 3п 3 л ;

Y р (t ) 3 л 2 3п. (2.36) L На основе уравнений (2.23) – (2.36) построена структурная схема трехосной планировочной машины, представленная на рис. 2.5.

В результате построены структурные схемы математической мо дели рабочего процесса двух- и трехосных планировочных машин.

Математические модели отдельных подсистем были собраны воедино методом композиции для дальнейшего решения задач анализа и син теза. Эти сложные подсистемы описаны рядом уравнений, на основе которых построены обобщенные структурные схемы, изображенные на рис. 2.11 для двухосной планировочной машины и 2.12 для трех осной планировочной машины. Обозначения на рисунках соответст вуют обозначениям, используемым ранее при описании каждой под системы в отдельности.

Таким образом, обобщенные математические модели обоих ти пов машин представлены структурными схемами, элементы ходового оборудования которых описаны с использованием аппарата переда точных функций.

Y1п(t) Y1 Yрп Wk1(p) 1/2 K • + + + + + + + Y2п K3 K7 K • Y1л (t) Wk1(p) Y3л Y • K K Y3п K9 K • K 2 1 K бл K 1 1 K бп + + + + + Yрл L L ctg K K3 2 2б Y 2(L L ctg) 2б Y3л Y2л L L ctg бp пр K4 1 2 2б е- е Wk2(p) Wk3(p) • • 2(L L ctg) + 2б + Wk3(p) L L 2б ctg К 8 1 2 2(L L ctg) 2б • лр е + Y3л Y3п L L 2б ctg К9 2 • Yр 2(L L ctg) + 2б 1/ • Y2п Y3л K 5 (1 K бб ) бp Wk2(p) е– • K 6 K бл р + 1/L K 7 K бп Arctg Рис. 2.5. Структурная схема трехосной планировочной машины 2.4. Математическая модель микрорельефа обрабатываемой поверхности Анализ рабочего процесса планировочной машины показал, что одним из важнейших факторов, определяющих точность формирова ния земляного полотна, является микрорельеф грунтовой поверхно сти, неровности которой приводят к стохастическим вертикальным и угловым перемещениям планировочной машины при движении и, следовательно, к неуправляемым перемещениям РО. Таким образом, составление математической модели микрорельефа является важным этапом в разработке обобщенной математической модели рабочего процесса планировочной машины. Это позволит установить основные закономерности движения планировочной машины по опорной по верхности, соответствующей реальной, выявить характер влияния микрорельефа на точность формирования земляного полотна.

Для моделирования микрорельефа левой и правой колей в моно графии использовались корреляционные функции разных типов, оп ределяемые выражениями /89, 111, 122/ R(t) = 2 · e -||;

(2.37) R(t) = 2 · e -|| cos( ||). (2.38) Для реализации моделей микрорельефа грунтовой поверхности на ЭВМ использовались следующие рекуррентные уравнения:

• для уравнения (2.37):

Y (i) = d0 · x(i) + b1 · Y(i – 1);

(2.39) • для уравнения (2.38):

Y (i) = d0 · x(i) + d1 x(i – 1) – b1 · Y(i – 1) – b2 Y(i – 2), (2.40) p12 4 p p0 ;

b2 = –e –2·n;

;

d где d 0 p 2 2 p1 4 p p b1 = 2 · e –n · cos(·n);

p0 = e –·n (e –2·n – 1) · cos(·n);

p1 = 1 – e –4·n, – среднеквадратическое отклонение исходного микрорельефа;

, – коэффициенты затухания и периодичности корреляционной функ ции;

n – шаг дискретного времени ti.

Переход от текущего времени ti к координате пути bi: xi = V · ti.

YЛЕВ, м 0, 0, 0, -0, -0, l, м 0 20 40 60 80 Рис. 2.6. Фрагмент реализации микрорельефа по левой колее YПРАВ, м 0, 0, 0, -0, -0, l, м 0 20 40 60 80 Рис. 2.7. Фрагмент реализации микрорельефа по правой колее При составлении программы на ЭВМ микрорельеф был сглажен по пятну контакта шины с микрорельефом /17, 87, 100, 111/:

1 ik Y (i ), (2.41) Y (m) x0 m i k где Y(m) – ординаты сглаженного микрорельефа;

k = 0,5(x0 – 1);

x0 – интервал усреднения;

Y(i) – ординаты несглаженного микрорельефа.

На основании указанных уравнений была составлена программа в среде MATLAB для реализации микрорельефа на ЭВМ.

На рис. 2.6 и 2.7 в качестве примера приведены фрагменты реали зации сглаженного микрорельефа по двум корреляционным функци ям.

Приведенная выше математическая модель позволяет моделиро вать неровности микрорельефа грунта с заданными характеристиками.

2.5. Математическая модель влияния силы реакции грунта при копании на рабочий орган планировочной машины Помимо микрорельефа обрабатываемой поверхности на точность позиционирования РО оказывает влияние также сила реакция грунта на РО /36, 78, 113, 124/. Это необходимо учесть в математических мо делях исследуемых планировочных машин.

Для математического описания влияния силы реакции грунта на РО планировочной машины на рис. 2.8 и 2.9 изображены фрагменты расчетных схем двух- и трехосных планировочных машин соответст венно. На схемах введены следующие обозначения: Fx, Fy, Fz – гори зонтальная, вертикальная и поперечная составляющие вектора равно действующей силы реакции грунта на РО;

R1, R2,..., R6 – силы реак ций грунта на элементы ходового оборудования;

С1, С2,..., С6 – коэф фициенты жесткости элементов ходового оборудования;

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

Элементы ходового оборудования представлены моделями, со держащими упруговязкие элементы (модели Фохта) /116, 124/.

В дополнение к допущениям, изложенным при составлении ма тематической модели планировочной машины, введены следующие допущения: наложенные на планировочную машину связи являются голономными и стационарными;

в шарнирных соединениях отсутст вуют силы сухого трения;

элементы ходового оборудования имеют одинаковые упруговязкие свойства;

упруговязкие свойства гидрообо рудования не учитываются;

внешние силы, действующие на планиро вочную машину, рассматриваются как сосредоточенные;

реакция грунта приложена к центру режущей кромки РО;

призма волочения набрана.

С учетом указанных допущений можно записать YF=Yp+YR, (2.42) где YF – вертикальная координата грунта под центром отвала;

Yp – вертикальная координата грунта под центром отвала без учета дейст вия сил реакции грунта;

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

Величину YR можно определить, используя соотношения (2.1) – (2.23) для двухосной планировочной машины и (2.24) – (2.36) для трехосной планировочной машины.

Из принятых расчетных схем (см. рис. 2.8 и 2.9) можно записать /116/ Riпр YiR пр, (2.43) Ci где YiR – изменение вертикальной координаты i-й точки планировоч ной машины;

Riпр и Ciпр – соответственно приведенные к i-й точке значения вертикальных компонентов изменения вектора силы и жест кости ходового оборудования.

На рис. 2.10 представлена структурная схема, описывающая ма тематическую модель учета влияния силы реакции грунта при копа нии на точность позиционирования РО.

Учитывая выводы, сделанные при анализе теорий копания грунта в разделе 1, с учетом принятых допущений математическую модель влияния силы реакции грунта на РО можно представить уравнением (1.1), в котором флюктуация определяется корреляционной функцией (1.2), а тренд – по теории К.А. Артемьева с помощью уравнений (1.4) – (1.15).

В результате построены структурные схемы математической мо дели рабочего процесса двух- и трехосных планировочных машин.

Математические модели отдельных подсистем были собраны воедино методом композиции для дальнейшего решения задач анализа и син теза. Эти сложные подсистемы описаны рядом уравнений, на основе которых построены обобщенные структурные схемы, изображенные на рис. 2.11 для двухосной планировочной машины и 2.12 для трехос ной планировочной машины. Обозначения на рисунках соответству ют обозначениям, используемым ранее при описании каждой подсис темы в отдельности.

Таким образом, обобщенные математические модели обоих ти пов машин представлены структурными схемами, элементы ходового оборудования которых описаны с использованием аппарата переда точных функций.

Y Z C2 b2 b C Fx R2 R Fz b C1 b1 Fy C Х0 R R Рис. 2.8. Фрагмент расчетной схемы к расчету влияния силы реакции грунта на точность позиционирования рабочего органа двухосной планировочной машины Y V Z C2 C b b4 b C Fx R R4 R Fz b3 b C1 b1 Fy C3 C Х0 R3 R R Рис. 2.9. Фрагмент расчетной схемы к расчету влияния силы реакции грунта на точность позиционирования рабочего органа трехосной планировочной машины Y F Определение сил F yл y F yл + Y F Y R F yлф Определение Y R + + + Y F p x F фу фy + Определение Определение Y sin2( p флюктуаций Fфy + + + F xлф sin( F Определение фx Y F флюктуаций Fфх + + F Определение F xл пр фх Определение сил F хл x Рис. 2.10. Структурная схема математической модели процесса копания Y1п М Yрл (t) Wk1(p) И • 1/2 K К + + + Р О + + Р Е Y Л Y1л Ь K3 K Wk1(p) Y2п Y2л Е Ф Y2п Y2л K4 K • • + + + Yрп K е - пp е - лp Wk2(p) Wk2(p) • Yрл Yрп • + • + Yрл Yрл ВЛИЯНИЕ 1/2 Yр СИЛ + + РЕАКЦИИ + + ГРУНТА НА Yрп РАБОЧИЙ ОР 1/L3 Arctg ГАН + Yрп - р Рис. 2.11. Структурная схема математической модели рабочего процесса двухосной планировочной машины Y1п М Yрп Y Wk1(p) И 1/2 K • К + + + + Р О + - + + Р Е Y2п Л K3 K7 K • Ь Y1л Wk1(p) Е Y3л Ф Y • K K Y3п K9 K • + + + + + Yрл K Y Y2л Y3л е - пp бp Wk3(p) Wk2(p) е • • + + Wk3(p) е - лp • Y3л + Y3п Yрп Yрл • Yр + 1/ • ВЛИЯНИЕ Y3л Y2п СИЛ бp Wk2(p) е - • РЕАКЦИИ ГРУНТА р + НА Arctg 1/L3 РАБОЧИЙ ОРГАН Рис. 2.12. Структурная схема математической модели рабочего процесса трехосной планировочной машины 2.6. Выбор шин Тяговые качества, экономичность по расходу топлива и устойчи вость землеройных машин в значительной степени зависят от пара метров пневматических шин. В связи с этим при проектировании зем леройных машин необходимо подбирать шины таких размеров, типов, рисунком протектора и давлением воздуха внутри, которые обладали бы совокупностью наиболее высоких эксплуатационных качеств в данных условиях /12,41,64,85/.

Пневматические шины классифицируются по назначению, габа ритам, конструкции, принципу герметизации, внутреннему давлению, форме профиля и рисунку протектора.

В настоящее время на ЗТМ в зависимости от назначения устанав ливают шины G-2, G-3, L-2 и L-3 по коду TRA (США) (табл. 2.1) /129/.

Таблица 2. Классификация шин для ЗТМ по коду TRA при обычной глубине протектора /131/ Цифровой код Вид работ Тип рисунка L-2 Повышенного сцепления Планирование L-3 Для каменистой поверхности G-2 Профилирование, Повышенного сцепления перемещение грунта G-3 Для каменистой поверхности По конструкции пневматические шины делятся на диагональные и радиальные, которые, в свою очередь, по принципу герметизации могут изготавливаться как камерными, так и бескамерными /129/.

Радиальные шины имеют более равномерное и лучшее сцепление с дорогой, т.к. пятно контакта у диагональной шины имеет меньшую (эллипсовидного типа), а у радиальной (практически прямоугольного типа) – большую площадь (рис. 2.13) /129/.

По форме профиля поперечного сечения (в зависимости от соот ношения высоты профиля Н к его ширине В) шины классифицируют ся в соответствии с данными, приведенными в табл. 2.2 /129/.

В зависимости от условий эксплуатации ЗТМ рисунки протекто ра шин могут быть следующих типов (рис. 2.14) /55/:

универсальный – для эксплуатации на дорогах с усовершенство ванным покрытием, на грунтовых дорогах и в условиях бездорожья;

повышенной проходимости – для эксплуатации в условиях без дорожья и на мягких грунтах;

карьерный – для эксплуатации в карьерах, рудниках и шахтах.

а) б) Рис. 2.13. Пятно контакта шины с дорогой без нагрузки и под нагрузкой:

а – диагональная шина;

б – радиальная шина Таблица 2. Классификация шин по форме профиля поперечного сечения Форма профиля Н/В Обычного профиля 0, Широкопрофильные 0,5–0, Низкопрофильные 0,7–0, Сверхнизкопрофильные 0, Арочные 0,39–0, а) б) в) Рис. 2.14. Рисунок протектора: а – универсальный;

б – карьерный;

в – повышенной проходимости Основой для выбора размеров шин является вертикальная нагрузка на колесо. Поэтому, располагая основными параметрами ЗТМ, необхо димо определить наиболее нагруженные колеса машины в статическом состоянии. Причем рекомендуется, чтобы при выборе размера шин рас четная нагрузка, по которой подбирается шина, была больше на 10-20 % действительной нагрузки.

В соответствии с размером шины и характеристиками грунта устанав ливается величина внутреннего давления в шине (табл. 2.3 – 2.7).

Существуют шины сверхнизкого, низкого и высокого внутреннего давления. На ЗТМ чаще применяют шины низкого давления, состав ляющего не более 0,3 МПа. Однако наилучшими сцепными качествами обладают шины переменного давления, что обусловливается двумя об стоятельствами – меньшим коэффициентом сопротивления качению и более высоким коэффициентом сцепления. Специальная конструкция пневматических шин с регулируемым давлением позволяет при работе в тяжелых грунтовых условиях снижать давление воздуха до 0,05...0,08 МПа и за счет этого повышать тяговые качества землеройных машин, а при работе на плотных грунтовых поверхностях доводить до 0,5...0,7 МПа в целях уменьшения расхода топлива и увеличения срока службы.

Важную роль в теории качения колеса играют коэффициент сопро тивления качению f и коэффициент сцепления сц. Коэффициент сопро тивления качению f в основном зависит от двух факторов: свойств грунта (его гранулометрического состава, плотности, влажности) и свойств шины (величины удельного давления, ее размеров). Величина сц зависит от многих факторов и в первую очередь от состояния по верхности качения (гранулометрического состава грунта и особенно влажности), параметров шин (внутренного давления в шине и особенно рисунка протектора), вертикальной нагрузки на шину.

Характеристики шин различных конструкций и основные показа тели их тягово-сцепных свойств представлены в табл. 2.8 – 2.10.



Pages:   || 2 |
 





 
© 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.