«АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ОРГАНОМ БУЛЬДОЗЕРНОГО АГРЕГАТА Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего ...»

В.С. Щербаков

И.В. Лазута

Е.Ф. Денисова

АВТОМАТИЗАЦИЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ

ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА

УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ОРГАНОМ

БУЛЬДОЗЕРНОГО АГРЕГАТА

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

В.С. Щербаков И.В. Лазута Е.Ф. Денисова

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА

УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ОРГАНОМ

БУЛЬДОЗЕРНОГО АГРЕГАТА

Монография Омск СибАДИ УДК 621. ББК 39.91- Щ Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. С.В. Корнеев (ОмГТУ);

д-р техн. наук, проф. Д.И. Чернявский (ОмГТУ) Монография одобрена редакционно-издательским советом академии.

Щербаков В.С.

Щ 61 Автоматизация проектирования основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата: монография / В.С.

Щербаков, И.В. Лазута, Е.Ф. Денисова. Омск: СибАДИ, 2012. 128 с.

ISBN 978-5-93204-612- В монографии рассмотрены основные особенности конструкции бульдозерного агрегата, проведен анализ существующих систем управления рабочим органом. Разработана сложная математическая модель рабочего процесса планировки земляного полотна, состоящая из отдельных подсистем. Проведен автоматизированный анализ и синтез основных параметров устройства управления рабочим органом, составлены программы и алгоритмы исследований. Предложены инженерная методика расчета и система автоматизации проектирования основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата, включающая в себя математическую модель рабочего процесса, программные алгоритмы и интерактивный пользовательский интерфейс.

Монография будет полезна студентам технических вузов, аспирантам и инженерам, занимающимся проблемами проектирования и исследования систем управления рабочими органами строительных и дорожных машин.

Табл. 6. Ил. 65. Библиогр.: 66 назв.

ФГБОУ ВПО «СибАДИ», ISBN 978-5-93204-612-

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Анализ состояния вопроса

1.1. Основы автоматизации проектирования

1.1.1. Математическая модель процесса проектирования........... 1.1.2. Математические методы оптимизации

1.1.3. Цель и задачи автоматизации проектирования................ 1.2. Обзор и анализ конструкций бульдозерного агрегата.................. 1.2.1. Общие сведения о машине

1.2.2. Ходовое оборудование бульдозерного агрегата.............. 1.2.3. Навесное оборудование бульдозерного агрегата............. 1.3. Схемы разработки и теории копания грунта

1.4. Анализ требований к точности обработки земляного полотна... 1.5. Классификация и анализ существующих систем управления рабочим органом бульдозерного агрегата

1.6. Анализ математических моделей бульдозерных агрегатов......... 1.7. Анализ математических моделей гидропривода рабочего органа бульдозерного агрегата

2. Математическое описание рабочего процесса бульдозерного агрегата. 2.1. Обоснование и выбор критерия эффективности устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата

2.2. Структура рабочего процесса бульдозерного агрегата................ 2.3. Обоснование информационных параметров и анализ алгоритмов управления рабочим органом

2.4. Математическая модель рабочего процесса бульдозерного агрегата……….

2.4.1. Математическая модель бульдозерного агрегата............. 2.4.2. Модель возмущающих воздействий грунта на рабочий орган бульдозерного агрегата

2.4.3. Математическая модель гидропривода перемещения рабочего органа……....

гидроприводом рабочего органа

бульдозерного агрегата

2.6. Итоги и выводы по математическому описанию

3. Теоретические исследования рабочего процесса бульдозерного агрегата....

3.1. Системный подход в исследованиях

3.2. Обоснование параметров, подлежащих исследованию................ 3.3. Определение условий проведения исследований

3.4. Анализ основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата

3.5. Оптимизационный синтез основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата

3.6. Итоги и выводы по проведенным исследованиям

4. Система автоматизации проектирования основных параметров устройства управления

4.1. Инженерная методика расчета основных параметров устройства управления……

4.2. Алгоритм автоматизации проектирования основных параметров устройства управления

4.3. Алгоритм работы САПР

4.4. Итоги и выводы по автоматизации проектирования.................. Заключение

Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

Современные требования к качеству обработки земляного полотна достаточно высоки. В связи с этим постоянно совершенствуются существующие планировочные землеройно-транспортные машины (ЗТМ) и в них внедряется огромное множество автоматики. Использование бульдозерного агрегата (БА) для высокоточной обработки земляного полотна позволит сократить парк землеройнотранспортных машин на строительной площадке, исключив автогрейдер и другие планировочные машины на базе промышленных колесных тракторов. Для эффективного использования БА в качестве планировочной машины необходимо оснастить его соответствующим устройством управления (УУ) рабочим органом (РО).

При разработке устройств управления, направленных на повышение эффективности землеройно-транспортных машин, возникает проблема синтеза их оптимальных параметров. Такие проблемы невозможно решать без применения вычислительной техники, так как оптимизация параметров УУ является сложным вычислительным процессом. Внедрение систем автоматизации проектирования (САПР) в машиностроительной отрасли позволяет существенно облегчить поиск оптимальных технических решений.

Разработка САПР УУ РО БА позволит значительно сократить затраты времени и средств при оптимизации основных параметров данного устройства, которое повысит эффективность процесса обработки земляного полотна и обеспечит экономический эффект. Это особенно актуально при непрерывно возрастающей конкуренции на рынке строительных и дорожных машин.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1. Основы автоматизации проектирования Применение электронно-вычислительных машин (ЭВМ) при проектно-конструкторских работах в своем развитии прошло несколько стадий и претерпело значительные изменения. С появлением вычислительной техники был сделан акцент на автоматизацию проектных задач, имеющих четко выраженный расчетный характер, когда реализовывались методики, ориентированные на ручное проектирование. Затем, по мере накопления опыта, стали создавать программы автоматизированных расчетов на основе методов вычислительной математики (параметрическая оптимизация, метод конечных элементов и т.

п.). В последние годы большое внимание уделяется автоматизации расчетно-конструкторских работ при проектировании типовых узлов и агрегатов, когда синтез конструкции проводится эвристически, а основные параметры выбираются и оптимизируются в интерактивном режиме диалога проектировщика и ЭВМ.

Решение проблем автоматизации проектирования с помощью ЭВМ основывается на системном подходе, т. е. на создании и внедрении САПР – систем автоматизации проектирования технических объектов, которые решают весь комплекс задач от анализа задания до разработки полного объема конструкторской и технологической документации. Это достигается за счет объединения современных технических средств и математического обеспечения, параметры и характеристики которых выбираются с максимальным учетом особенностей задач проектно-конструкторского процесса.

Существенным отличием автоматизированного проектирования от неавтоматизированного является возможность замены дорогостоящего и занимающего много времени физического моделирования математическим моделированием. При этом следует иметь в виду одно важнейшее обстоятельство: при проектировании число вариантов необозримо. Поэтому нельзя ставить задачу создания универсальной САПР, а необходимо решать вопросы проектирования для конкретного семейства машин.

Для создания САПР необходимо:

• совершенствовать проектирование на основе применения математических методов и средств вычислительной техники;

• автоматизировать процессы поиска, обработки и выдачи информации;

• использовать методы оптимального и вариантного проектирования, применять эффективные, отражающие существенные особенности, математические модели проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов;

• создавать банки данных, содержащих систематизированные сведения справочного характера, необходимые для автоматизации проектирования объектов;

• унифицировать и стандартизировать методы проектирования;

• реализовывать взаимодействие с автоматизированными системами различного уровня и назначения.

1.1.1. Математическая модель процесса проектирования Проектирование является сложным динамическим процессом.

Изучение этого процесса возможно как на физических, так и на математических моделях. Поскольку построение физических моделей процесса проектирования связано с большими издержками средств и времени, то целесообразно исследовать данный процесс на математических моделях.

Как уже отмечалось выше, основной чертой сложных систем принято считать иерархичность структуры. Примером подобного рода может служить процесс проектирования сложной системы, такой как УУ РО БА. Система состоит из ряда подсистем различного уровня. На рис. 1.1 приводится одна из возможных классификаций математических моделей процесса проектирования систем ЗТМ.

Детерминированная модель строится в случаях, когда факторы, влияющие на конечный результат процесса, поддаются достаточно точной оценке, a случайные факторы либо отсутствуют, либо ими можно пренебречь. Если факторы, влияющие на конечный результат процесса, являются случайными, то строится вероятностная (стохастическая) модель.

Поскольку проектирование сложных систем можно представить как процесс переработки информации, то для описания процесса проектирования может быть использована информационная модель.

Рис. 1.1. Классификация моделей проектирования Проектирование сложных систем, выполняемое коллективами специалистов, основывается в значительной степени на опыте, интуиции, аналогии и индукции, т.е., иными словами, на эвристических методах. Эвристические процедуры (операции) не получили до сего времени формализованного отображения и ограничиваются описательной формой представления. Тем не менее процесс проектирования, с известной степенью приближения, может быть представлен эвристической моделью.

Процесс проектирования сложных систем протекает в условиях неполной информации. С этих позиций процесс проектирования может быть представлен теоретико-игровой моделью.

Методы сетевого планирования дают возможность объективно устанавливать минимально необходимое время, а также необходимый расход материальных ресурсов для выполнения проектных работ.

Кроме того, такие методы позволяют учитывать так называемые «узкие места», возникающие в процессе проектирования, и вносить поправки в организацию проектных работ. Это позволяет процесс проектирования сложных систем представлять сетевой моделью, базирующейся на теории направленных графов.

При составлении математической модели следует руководствоваться следующими соображениями:

• модель должна четко отвечать поставленной задаче. Она не должна быть шире, чем это необходимо для решения поставленной задачи;

• модель должна быть предельно простой и удобной для анализа и в то же время предельно чувствительной к основным исследуемым процессам.

При этом необходимо абстрагироваться от всех посторонних процессов, чтобы проанализировать влияние на конечный результат основных процессов. Усложнение модели подробностями чревато тем, что влияние главных параметров «тонет» в совокупном влиянии многих других факторов.

1.1.2. Математические методы оптимизации Одна из основных целей проектирования заключается в оптимизации решений, т.е. в достижении заданных характеристик при наименьших затратах или наилучших характеристик проектируемых систем при ограниченных затратах имеющихся ресурсов.

Математические методы оптимизации можно классифицировать так, как это показано на рис. 1.2.

Эвристическое Методы оптимизации программирование Рис. 1.2. Классификация методов оптимизации Применение аналитических методов всегда предпочтительнее численных, поскольку аналитические методы позволяют получить достаточно полную и общую картину исследуемой функции, установить влияние различных факторов на эту функцию. Аналитические методы применимы, когда критерий ограничения и связи между координатами, решениями и аргументом, а также начальные и конечные условия представлены функциями, которые должны быть, по крайней мере, два раза дифференцируемыми и иметь конечное число точек разрывов.

Сущность оптимизации сводится к отысканию при наложенных ограничениях таких значений переменных х1, х2, х3,…, хn, которые дают минимум (максимум) целевой функции:

Общая задача оптимизации может быть сформулирована в следующем виде. Необходимо найти значения переменных х1, х2, х3…хn, при которых целевая функция Z принимает экстремальное значение с учетом функциональных ограничений (равенств) и граничных условий (неравенств). Функциональные ограничения могут быть связаны как с ограниченностью ресурсов, так и с требованиями, наложенными на переменные и их зависимости между собой (например, такими требованиями при проектировании систем управления являются характеристики надежности и устойчивости, качество управления, быстродействие и др.).

На рис. 1.3 представлена блок-схема алгоритма поиска оптимальных решений для любого метода.

Таким образом, проведенный обзор и анализ методов автоматизации проектирования позволил представить методы, средства и подходы к созданию САПР УУ РО БА.

1.1.3. Цель и задачи автоматизации проектирования Целью монографии является система автоматизации проектирования основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата.

Объектом научных исследований служит процесс автоматизации проектирования основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) обосновать и выбрать критерий эффективности устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата, выполняющего планировочные работы;

2) разработать математическую модель сложной динамической системы рабочего процесса бульдозерного агрегата;

3) выявить функциональные зависимости критерия эффективности от основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата;

4) разработать систему автоматизации проектирования основных параметров устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата.

Методика работы заключается в использовании методов математического моделирования, системного анализа, прикладной математики, теории алгоритмов и компьютерного моделирования.

1.2. Обзор и анализ конструкций бульдозерного агрегата Бульдозерный агрегат – землеройная машина, состоящая из базового тягача и бульдозерного (навесного) оборудования, предназначенная для резания и перемещения грунта и планировки разрабатываемой поверхности (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Внешний вид бульдозерного агрегата Бульдозеры как навесное оборудование на тракторы, тягачи и другие базовые машины широко распространены, что объясняется простотой их конструкции, высокой производительностью, возможностью их использования в самых разнообразных грунтовых и климатических условиях и относительно низкой стоимостью выполняемых работ. Применяются они в дорожном, железнодорожном, горнорудном, мелиоративном и ирригационном строительстве.

БА общего назначения выполняют копание и разработку грунтов, пород и грунтовых материалов (супесчаные, суглинистые и глинистые грунты, трещиноватые сланцы, легкие известняки, мергели и т. п.) в средних и умеренных климатических условиях с температурой окружающего воздуха от -40 до +40 0С, а также планировку строительных площадок, возведение насыпей, разработку выемок и котлованов, обратную засыпку траншей и котлованов, расчистку территорий от снега, камней, кустарника, пней, мелких деревьев и строительного мусора.

Специальные БА предназначены для выполнения таких работ, как прокладка путей и пионерных дорог, сгребание торфа, разравнивание кавальеров, подземная или подводная разработка материалов, разработка легких материалов типа угля и др., а также для работы в особых климатических и эксплуатационных условиях (при низких отрицательных температурах до -60 0С, тропической влажности и температуре до +60 0С, в сухом и жарком климате пустынь, в опасных и загазованных местах, на грунтах с пониженной несущей способностью и т.д.). На специальных БА используют отвалы различных типов, соответствующих их назначению. Некоторые отвалы позволяют экономически выгодно работать при дальности перемещения более 100 м.

Гусеничные БА за рубежом выпускаются в основном США, Японией, Италией, Германией. В остальных западноевропейских странах выпускаются машины только легкого и среднего типов. Ведущие фирмы-производители: США – Caterpillar, Италии – Fiat-Allis, Германии – Liebherr и японская фирма Komatsu.

Ведущими отечественными производителями БА среднего и тяжелого класса являются: ОАО «Промтрактор» (Т9.01Я/И, Т11.01Я/К, Т15.01Я/К), ООО «ЧТЗ-Уралтрак» (Б10М, Б15, ДЭТ-320Б1Р2), ЗАО «Челябинские строительно-дорожные машины» (ТС-10, ДЗ-240С).

1.2.2. Ходовое оборудование бульдозерного агрегата Ходовая система гусеничного трактора, как и колесного, служит для обеспечения его движения и преобразования крутящего момента, подводимого от двигателя к ведущим колесам, в касательную силу тяги, а также для поддержания его остова, являясь его опорой. Ходовая система состоит из гусеничного движителя и подвески. Первые две функции выполняются двумя гусеничными движителями, расположенными по обеим сторонам трактора, а последняя – подвеской, соединяющей его движители с остовом.

Гусеничный движитель, в отличие от колесного, обеспечивает передвижение трактора не непосредственно по грунту (почве), а по промежуточной замкнутой гусеничной ленте (гусеничной цепи, обычно называемой гусеницей). Поэтому гусеница имеет значительно большую опорную поверхность, чем площадь контакта колеса колесного трактора, что обеспечивает гусеничному трактору небольшие давления на грунт, порядка 0,025...0,07 МПа. Помимо этого на опорной поверхности гусеницы имеются разнообразные грунтозацепы (почвозацепы), повышающие ее сцепление с грунтом. Внутренняя же поверхность гусеницы представляет собой достаточно твердый гладкий путь, по которому опорные катки движителя катятся с меньшим сопротивлением, чем колеса по грунту. Все это обеспечивает гусеничному трактору высокие тяговые качества при значительно меньшем буксовании его движителей, проходимость по мягким и влажным грунтам, меньшие потери мощности на самопередвижение, а следовательно, и большую экономичность его работы.

Гусеничный движитель традиционного типа (рис. 1.5) содержит следующие основные элементы: заднее ведущее колесо 1 (иногда называемое звездочкой); поддерживающие катки 2 (иногда называемые роликами) и опорные катки 3; натяжное и амортизирующее устройства 4; переднее направляющее колесо 5; гусеничную цепь (гусеницу), состоящую из шарнирно-соединенных звеньев 6 (иногда называемых траками).

Ведущие колеса 1, под действием подведенного крутящего момента, заставляют перематываться находящиеся в зацеплении с ними гусеницы 6. При этом на участке гусеницы между ведущими колесами 1 и последним опорным катком 3 возникает тянущее усилие, которое передается на участок гусеницы, находящейся в контакте с грунтом. Вследствие этого в последнем возникают касательные реакции, направленные по движению трактора, результирующей которых является касательная сила тяги. Последняя через детали движителя передается остову трактора, заставляя катки 3 катиться по постилающейся внутренней поверхности гусениц.

На промышленных гусеничных БА широко распространены жесткая и полужесткая системы подвески ходового оборудования (рис.

1.6). Упругими элементами подвески обычно являются разнообразные пружины, листовые рессоры и торсионы. В последнее время достаточно широко используют резиновые упругие элементы, начинается применение гидравлических и гидропневматических элементов на ряде зарубежных БА.

Рис. 1.6. Схемы подвесок ходового оборудования:

В жесткой подвеске (рис. 1.6, а) оси 1 опорных катков обычно жестко закреплены на раме 2 тележек гусениц в сборе, а последние также жестко прикреплены к остову 3 трактора. Такая подвеска на мягком (ровном) грунте позволяет получить наиболее равномерное распределение давления опорных катков на гусеницу, что повышает ее тягово-сцепные качества. Но движение движителей по плотным, неровным грунтам с большой неподрессоренной массой остова сопровождается возникновением в нем больших динамических нагрузок. Поэтому такая подвеска применяется только на специальных промышленных тракторах с небольшой скоростью движения и практически без колебания остова – трубоукладчиках, роторных канавокопателях и т.п.

В полужесткой подвеске (рис. 1.6, б) тележки 2 гусениц с опорными катками 1 соединены с остовом 3 трактора: сзади – посредством жесткого шарнира 5, а впереди – упругим элементом 4.

Динамика передвижения БА с полужесткой системой подвески такая, что в момент наезда движителя на препятствие (камень, поперечное бревно и т.п.) одной или двумя гусеницами сразу происходит их упругое угловое перемещение относительно задних шарниров крепления тележек к остову трактора и последний как бы "мягко" наезжает на препятствие. Однако по мере его пересечения остов поднимается на всю его высоту и резко ("жестко") сходит с него, что сопровождается возникновением динамических нагрузок во всем тракторе.

Элементы упругой связи остова трактора с передними частями рам тележек гусениц схематично представлены на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Схемы подвесок передней части ходового оборудования:

а – жесткий балансир; б – пружинный балансир; в – листовые рессоры;

г – бесшарнирное крепление; д – жесткий резиновый балансир Самым простым представляется связь (рис. 1.7, а) с применением поперечного жесткого равноплечего балансира. Если данный балансир подрессорить, то получится упругая схема (рис. 1.7, б). Очень распространены в качестве упругого элемента балансирные листовые рессоры (рис. 1.7, в). Встречается и бесшарнирное крепление поперечных листовых рессор (рис. 1.7, г). В последнее время в зарубежных промышленных тракторах достаточно широко применяют жесткие балансиры с резиновыми упругими элементами (рис. 1.7, д).

1.2.3. Навесное оборудование бульдозерного агрегата Основными элементами навесного бульдозерного оборудования (рис. 1.8) являются: отвал, толкающие брусья или толкающая рама, гидроцилиндры подъема/опускания отвала, а также механизмы поворота отвала в поперечной, горизонтальной плоскостях и изменения угла резания.

Козырек Отвал Боковая щека Отвал представляет собой сварную конструкцию коробчатого типа с приваренным в передней части лобовым листом криволинейного профиля. Последний обеспечивает быстрое заполнение отвала материалом. Торцы отвала закрыты двумя боковыми щеками для снижения потерь грунта при транспортировании. Лобовой лист завершается вверху козырьком, приваренным под углом к лобовому листу. Козырек препятствует пересыпанию грунта через верхнюю кромку отвала и улучшает формирование призмы волочения грунта.

В нижней части к лобовому листу болтами впотай крепятся съемные ножи. При изнашивании острой кромки ножа его разворачивают и режут вторым острым концом. БА общего назначения оснащаются основными отвалами, выпускаемыми почти всеми производителями.

Различают БА со следующими видами отвала общего и специального назначения (рис. 1.9):

• с неповоротным отвалом (обычно их называют просто бульдозерами или бульдозерами с прямым отвалом), который установлен перпендикулярно продольной оси машины и не может поворачиваться в плане;

• с неповоротным полусферическим отвалом, боковые части которого установлены под небольшим углом к лобовой поверхности;

• с неповоротным сферическим отвалом, состоящим из трех примерно равных частей, установленных одна к другой под углом около 1500;

• с неповоротным усиленным отвалом, оборудованным амортизаторами для уменьшения ударных нагрузок при толкании скреперов;

• с поворотным отвалом, устанавливаемым в горизонтальной плоскости под углом в обе стороны от продольной оси машины или перпендикулярно к ней;

• универсальные (или путепрокладчики) с шарнирносочлененным отвалом из двух половин, которые по отдельности или вместе можно устанавливать в горизонтальной плоскости под углом к продольной оси машины или перпендикулярно к ней.

Рис. 1.9. Внешний вид основных типов отвалов:

а – неповоротный; б – поворотный; в – полусферический; г –универсальный (путепрокладочный); д – с амортизаторами (для толкания скреперов);

Наиболее широкую область применения имеют БА с неповоротным отвалом полусферического типа, которые обеспечивают высокие удельные показатели по тяге и заглублению при работах на высокосвязных грунтах. Вследствие больших нагрузок на передние катки ходовой части трактора и снижения годовой эксплуатационной производительности ограничено применение бульдозерного оборудования сферического типа.

Основными геометрическими параметрами неповоротного отвала БА являются (рис. 1.10):

• ширина отвала (длина ножа) Lн;

• высота отвала по хорде Н0;

• высота козырька Н1;

• угол зарезания (перекоса) РО;

• угол внешнего трения 0 и внутреннего трения грунта Г;

• угол резания Р;

• угол наклона отвала Г;

• угол опрокидывания ;

• угол установки козырька 1;

• радиус цилиндрической поверхности отвала RГ.

Рис. 1.10. Геометрические параметры отвала бульдозерного агрегата Анализ конструктивных особенностей РО БА показал, что при создании бульдозерного оборудования с неповоротным отвалом общего назначения производители применяют:

• отдельную конструкцию для оборудования трактора каждого типоразмера при сохранении конструктивного подобия и унификации деталей и элементов, что обеспечивает экономию металла;

• типовую, замкнутую (коробчатую) конструкцию отвала из гнутых элементов, исключающую возможность его забивания грунтом с тыльной стороны;

• коробчатые брусья равнопрочного сечения с накладками на наружной и внутренней боковой поверхности (для тяжелых машин), с опорами сферического типа, располагаемыми как можно ближе к оси качания гусениц трактора;

• сферические подшипники или сферические втулки скольжения для исключения скручивающих напряжений при перекосе;

• гидравлический механизм перекоса с рычажно-звеньевыми механизмами компенсации деформаций и скручивающих усилий на отвале;

• специальные гидроцилиндры поворота отвала (с увеличенным диаметром рабочей части и укороченным ходом);

• проушины для соединения с толкающими брусьями, гидроцилиндрами подъема-опускания и перекоса и винтовым раскосом, проходящие через коробку жесткости до лобового листа, к тыльной поверхности которого их приваривают, что позволяет избежать знакопеременных нагрузок стенок коробки жесткости;

• несмазываемые шарнирные соединения в опорах толкающих брусьев, обеспечивающие большую долговечность, чем смазываемые;

• гидроцилиндры подъема-опускания с клапанами для быстрого опускания (для снижения скручивающих усилий на отвале их располагают таким образом, чтобы линия их действия при рабочем положении отвала проходила вблизи режущей кромки ножей);

• длинноходные гидроцилиндры для непосредственного управления подъемом-опусканием отвала (без рычажных систем).

В БА с гидравлическим управлением отвал внедряется в грунт принудительно, в результате усилий, развиваемых гидросистемой. Эти усилия могут достичь 40 % и более от общего веса трактора. В БА предусматривают поперечный перекос отвала на угол до 120, благодаря сложным механическим схемам навесного оборудования, в которых используются универсальные шарниры и механические раскосы.

В качестве примера на рис. 1.11 приведена одна из возможных схем навесного бульдозерного оборудования.

Рис. 1.11. Универсальная схема навесного оборудования Таким образом, учитывая вышеприведенное описание конструкции БА и наличие дистанционного управления положением отвала, можно сделать вывод о возможности внедрения различных систем управления (СУ) и автоматического регулирования (АР) положения рабочего органа.

1.3. Схемы разработки и теории копания грунта Земляные работы – один из самых массовых процессов в строительстве. Стоимость земляных работ составляет 10...15 % полной стоимости строительных работ. В процессе строительства приходится выполнять различные земляные работы: разработку выемок – котлованов, траншей; возведение насыпей-подсыпок территории, дорожного полотна и т. д.; планировку поверхности, обратную засыпку траншей и котлованов; уплотнение грунта.

Довольно значительную долю механической разработки грунта выполняют БА. Различают три основные схемы разработки и перемещения грунта БА – прямую, боковую и ступенчатую (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Схемы разработки грунта бульдозерным агрегатом:

Прямую схему (рис. 1.12, а) применяют при рытье траншей и выемок, ширина которых незначительно превышает ширину отвала.

Работая по этой схеме, БА при разработке и перемещении грунта передвигается по прямой линии, совершая возвратно-поступательное движение без поворотов. При движении вперед БА срезает грунт на определенном участке пути, а затем транспортирует его к месту отвала (рабочий ход). Потом он возвращается к месту начала резания грунта, перемещаясь задним ходом (холостой ход). Число рабочих и холостых ходов БА зависит от проектной глубины выемки и толщины срезаемой при одном проходе стружки грунта.

Боковую схему работы БА (рис. 1.12, б) применяют при перемещении ранее разработанного грунта из отвалов или сыпучих материалов (песка, гравия и др.) из бункеров, при разработке легких грунтов, срезаемых толстыми слоями, а также при работе на косогорах.

При этом разрабатываемый грунт располагается сбоку от пути, по которому он транспортирует его к месту отсыпки. БА захватывает отвалом грунт, делает поворотное движение, перемещая грунт на транспортный путь, а затем транспортирует его к месту отсыпки.

Ступенчатую схему разработки и перемещения грунта (рис. 1.12, в) применяют преимущественно при устройстве насыпей, выполнении вскрышных работ и вертикальной планировке площадей, когда допускается отсыпать разрабатываемый грунт по всей ширине выемки.

Работая по этой схеме, БА разрабатывает грунт параллельными проходками. Переместив грунт из одной проходки, машина совершает холостой ход под углом к оси рабочего хода и начинает разработку и перемещение грунта на расположенной рядом проходке.

При возведении насыпей грунт от каждой проходки в резерве укладывают в тело насыпи, размещая его по ширине насыпи, после чего БА начинает разработку грунта по следующей проходке валиками. После отсыпки первого слоя насыпи на всей длине захватки бульдозер поднимается на насыпь и, перемещаясь вдоль сооружения, разрабатывает уложенный валиками грунт, одновременно уплотняя его гусеницами. Отсыпку последующих слоев насыпи БА производит в такой же последовательности. Закончив отсыпку насыпи до заданной высоты, он разравнивает верхний слой грунта, планирует бермы и дно резерва, доводя продольные и поперечные уклоны до проектных отметок.

При современном развитии техники вместе с использованием БА для подготовительных работ всё чаще его применяют при высокоточных работах, таких как планировка земляного полотна.

При выполнении земляных работ возникающие колебания РО БА обусловлены неровностями микрорельефа обрабатываемой и обработанной поверхностей и реакцией грунта. Известно, что этап финишной планировки отличается от этапа копания грунта толщиной стружки и диапазоном реакций грунта на РО.

В настоящее время существует ряд работ, описывающих различные методы теоретического определения усилий, возникающих при копании грунта землеройно-транспортными машинами, включающих резание грунта и перемещение грунта по отвалу и впереди его.

Существующие теории копания грунта можно условно разделить на две группы, которые отличаются подходами к построению теории:

• основанные преимущественно на обобщении результатов экспериментальных исследований (В.П. Горячкин, А.Н. Зеленин, Ю.А. Ветров);

• базирующиеся на основных положениях механики сплошной среды и теории прочности (Н. Г. Домбровский, 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. Однако в реальных условиях большинство этих параметров носят случайный характер. Поэтому для создания математических моделей рабочих процессов (РП) ЗТМ, при проведении планировочных работ, силовое воздействие со стороны грунта при копании должно оцениваться как случайная функция.

В связи с этим при определении сопротивления грунта копанию по теории Д.И. Федорова и Б.А. Бондаровича, изменения реакции грунта на отвале представлены в виде суммы низкочастотной составляющей (тренда) и высокочастотной составляющей (флюктуации) реакции грунта:

где FPO – вектор силы реакции разрабатываемого грунта на РО; FT – вектор сил низкочастотной составляющей силы реакции (тренд), зависящий от физико-механических свойств грунта, толщины стружки и параметров РО; FФ – вектор сил высокочастотной составляющей силы реакции (флюктуация), которая изменяется по случайному закону нормального распределения.

Таким образом, проблеме определения сопротивления копанию грунта посвящено достаточно много работ, математический аппарат копания грунта хорошо проработан и позволяет использовать его для решения поставленных задач.

1.4. Анализ требований к точности обработки земляного полотна Среди критериев качества, используемых в строительстве, одно из основных мест принадлежит критериям, характеризующим геометрическую точность сооружения. Необходимость точного соблюдения требований геометрических параметров земляных сооружений объясняется тем, что нарушение данных параметров в дорожном строительстве приводит к перерасходу гравийно-песчаных или щебеночнопесчаных смесей, органических или неорганических вяжущих материалов, перерасходу трудозатрат и средств.

Планировочные работы являются отделочными работами, наиболее ответственными, трудоемкими и требующими высокой квалификации оператора, и производятся на завершающем этапе возведения земляных сооружений. При планировке поверхности основными параметрами, характеризующими качество процесса, являются продольные высотные отметки и поперечные уклоны. В табл. 1.1 приведены регламентируемые показатели качества обработки земляного полотна по СНиП 3.06.03-85.

Контролируемый отметки профиля Поперечные *Примечание. Данные в скобках относятся к работам, выполняемым с применением машин с автоматической системой задания вертикальных отметок.

Приведенные данные показывают, что человек-оператор не может самостоятельно по всей протяженности рабочего участка обеспечивать заданные параметры земляного полотна. При современном развитии строительства затраты на переделку земляных работ, в связи с недостаточной точностью их проведения, могут достигать очень большой суммы.

Таким образом, внедрение в БА устройства высокоточного управления положением рабочего органа является необходимым условием улучшения качества РП и уменьшения затрат на возведение земляных сооружений.

1.5. Классификация и анализ существующих систем управления рабочим органом бульдозерного агрегата В настоящее время в мире существует множество разнообразных СУ положением РО строительных машин, основанных на различных элементных базах и выполняющих различные функции. Проведенный анализ литературных источников и работ, посвященных данному направлению, позволяет построить классификации СУ РО БА по различным признакам.

Классификация СУ по типу контролируемых параметров рабочего органа БА:

• системы, контролирующие вертикальное положение отвала в продольной плоскости (системы «Автоплан 1», «Автоплан 2»);

• системы, контролирующие угол перекоса отвала в поперечной плоскости (системы «Профиль 1», «Профиль 10И», «Комбиплан 10»);

• комбинированные системы, контролирующие одновременно угол перекоса и вертикальную координату отвала (системы «Профиль 2», «Профиль 20», «Профиль 30», «Дорога», «Разрез», «СКАТ-4»).

Первые два типа систем, контролирующих какой-либо один параметр рабочего органа, на сегодняшний день не актуальны, т.к. не отвечают современным требованиям к точности планировочных работ. Наиболее эффективными являются комбинированные СУ положением отвала в пространстве, т.к. обеспечивается соответствие заданным всех геометрических параметров земляного полотна.

Классификация СУ РО по способу контроля информационных параметров:

• автономные СУ, характеризуются тем, что их датчики (маятники, сообщающиеся сосуды, гидровертикаль и т.д.) фиксируют смещение рабочего органа относительно гравитационной вертикали (системы «Профиль 1», «Профиль 10И»);

• копирные системы характеризуются тем, что датчик определяет положение рабочего органа относительно внешнего копира (копирная струна, бордюр, лазерный луч и т. п.) (системы «Профиломат 1 – 6»);

• комбинированные системы, в которых для контроля углового положения служит автономный датчик, а для определения положения по высоте используется копир (системы «Профиль 2», «Профиль 20», «Профиль 30», «Дорога», «Разрез», «СКАТ-4»).

Данные системы в своем составе имеют отрицательную обратную связь, роль которой выполняет чувствительный элемент-датчик (или система датчиков), устанавливаемый на рабочем оборудовании БА. Система постоянно измеряет положение рабочего органа и вырабатывает сигнал рассогласования между заданной величиной и измеряемой, который после преобразования передается на исполнительные гидроцилиндры, перемещающие рабочий орган до исчезновения сигнала рассогласования.

На сегодняшний день СУ, обеспечивающие поддержание высотного положения РО, используют в качестве задатчика внешний копир, который задает требуемую геометрическую точность обрабатываемой поверхности. Копирные СУ в свою очередь можно классифицировать по виду связи «Задатчик-Датчик»:

• контактные – чувствительный элемент датчика имеет непосредственную механическую связь с задатчиком (щуп или ультразвуковая волна – копирная струна, «пятое колесо» или «лыжа» – опорная поверхность) (системы «Профиль 2, 20, 30», «Дорога», «Разрез», «СКАТ-4»);

• бесконтактные – чувствительный элемент датчика не имеет механической связи с задатчиком (GPS приемник – спутник, приемник лазерного излучения – лазерный построитель плоскости, ультразвуковая волна – копирная струна).

Применение бесконтактных – лазерных и GPS приборов является прогрессивным направлением развития СУ РО БА. Данные средства обладают рядом преимуществ по сравнению с приборами, используемыми в предыдущих поколениях СУ (щуп с копирной струной, «копирное колесо» или «лыжа», маятниковый датчик углового положения):

• высочайшая точность опорной базы регулирования;

• управление БА на значительном расстоянии;

• отсутствие инерционности в приборах и высокое быстродействие;

• отсутствие внутренних возмущающих воздействий в датчике (колебательность, смещение чувствительного элемента под действием ускорений и др.);

• одновременное управление группой машин;

• возможность проводить работы в сложных метеорологических условиях и в темное время суток;

• улучшение условий труда машиниста БА.

На сегодняшний день в мире существует множество лазерных и GPS СУ РО (серия «GCS» фирмы Trimble, серия «System Five» компании TOPCON), различающихся структурой и алгоритмами управления, но построенных на аналогичных элементных базах: лазерный построитель плоскости (нивелир) и приемники лазерного излучения, GPS приборы, блок управления и гидравлическая система самой машины. Данные системы устанавливаются только на машины зарубежных производителей, что объясняется особенностями конструкции навесного оборудования и пропорциональной гидравлической системой.

На рис. 1.13 схематично представлен один из вариантов аппаратной реализации СУ РО. Данная СУ РО БА состоит из лазерного построителя плоскости (нивелира), приемников лазерного излучения, блока управления и гидравлической системы самой машины, что позволяет в автоматическом и ручном режимах контролировать поперечный уклон и высоту отвала. Преимущество системы с двумя приемниками заключается в том, что при работе на площадном объекте отпадает необходимость движения БА строго в одном направлении.

Этого нельзя делать при работе только с одним приемником и датчиком поперечного уклона.

Проведенный обзор и анализ состояния современных средств автоматизации дорожной и строительной техники позволяет сделать вывод о необходимости использования лазерной и GPS техники при реализации УУ РО БА.

Рис. 1.13. Схема лазерной системы управления рабочим органом 1.6. Анализ математических моделей бульдозерных агрегатов При изучении статических и динамических характеристик БА целесообразно проводить исследования на математической модели, отражающей признаки большинства существующих и вновь создаваемых БА. Уравнения статики и динамики БА можно получить из расчетной схемы, отражающей связи основных подвижных узлов машины.

При составлении расчетной схемы БА возникает проблема:

обеспечение максимальной адекватности математической модели можно достигнуть только при максимальном учете факторов и конструктивных особенностей, влияющих на динамику БА, что может привести к неоправданному усложнению математической модели и существенному сокращению ряда техники, исследуемой на данной модели. Таким образом, необходимо рассматривать минимальное число параметров, оказывающих принципиальное воздействие на изменение динамики исследуемой машины.

В строительных и дорожных машинах жесткости металлических конструкций существенно выше жесткостей гидропривода. Учитывая значительные жесткости остова трактора, металлоконструкций навесного оборудования, все современные конструкции БА могут быть представлены, с некоторыми допущениями, в виде шарнирносочлененных многозвенников, состоящих из абсолютно жестких элементов с сосредоточенными податливостями.

Продольные и поперечные колебания рамы БА оказывают непосредственное воздействие на рабочий орган и, соответственно, на точность обработки поверхности, так как он жестко связан с рамой толкающими брусьями и гидроцилиндрами управления, что необходимо учитывать при составлении расчетной схемы.

Ходовая система является промежуточным динамическим звеном между остовом (рамой) машины, на котором монтируются дизель, механизм навески рабочего органа и другие механизмы и системы, и неровностями обрабатываемой поверхности, которую планирует БА. Данный факт отводит ходовой системе БА с точным позиционированием РО особую роль.

Для линейных ходовых систем колесных ЗТМ (отсутствие существенно нелинейных упругих и демпфирующих элементов в подвеске, постоянный и точечный контакт колеса с опорной поверхностью и недеформируемость неровностей дороги) к настоящему времени уже имеется хорошо разработанный и экспериментально проверенный математический аппарат.

На рис. 1.14 изображена плоская расчетная схема БА с колесной ходовой системой.

Рис. 1.14. Плоская расчетная схема колесного бульдозерного агрегата Из данной расчетной схемы видно, что элементы ходового оборудования движутся по профилю поверхности, сформированной РО:

где L1 – расстояние от РО до базы машины; V – скорость движения машины.

Задние колеса движутся с запаздыванием по тому же профилю:

где L – колесная база машины.

По сравнению с колесным динамическое описание гусеничного движителя значительно сложнее. Главная причина этого – гусеничная лента, расположенная между опорными катками и неровностями обрабатываемой поверхности. Как средство для преодоления такой трудности и появилась тенденция предполагать возможным для некоторых конструкций пренебречь влиянием гусеничной ленты на процесс передачи возмущений от опорной поверхности к раме машины.

Это в какой-то мере оправдано для малого шага звеньев и относительно небольшого количества большого диаметра катков.

Испытывая возмущения от неровностей опорной поверхности и передавая их раме машины, гусеничный движитель выполняет несколько действий. Во-первых, он интегрирует вертикальную координату профиля обрабатываемой поверхности, находящегося под гусеницей, во-вторых, передает возмущения от неровностей поверхности на раму машины через перемещения опорных катков и подвески ходового оборудования, вызывая её линейные и угловые перемещения.

Это позволяет представить процесс взаимодействия гусеничного движителя с грунтом в виде нескольких последовательных динамических звеньев, первое из которых отражает процесс сглаживания возмущений от микропрофиля поверхности, второе – определяет динамические свойства гусеничного движителя как средства передачи возмущений от неровностей опорной поверхности к рассматриваемому узлу машины и третье – определяет динамические свойства подвески ходового оборудования.

Передаточная функция первого динамического звена зависит от геометрических размеров ходового оборудования. Второе динамическое звено, в отличие от первого, является в большей степени детерминированным, характеризует передаточные свойства собственно ходовой системы от неровностей опорной поверхности к раме машины и может быть определено расчетным путём – методом переходных функций. Динамические свойства подвески будут зависеть от жесткости и упругости демпфирующих элементов. Линейные и угловые перемещения РО БА будут определяться геометрически от положения рамы машины, в связи с жесткой связью навесного оборудования с рабочим оборудованием.

Таким образом, проведенный анализ математических моделей БА показал, что при решении задач проектирования УУ РО БА особое внимание необходимо уделить математическому описанию ходовой системы БА.

1.7. Анализ математических моделей гидропривода рабочего Одной из важнейших составляющих сложной динамической системы РП БА является электрогидравлический привод РО, осуществляющий его перемещение относительно базовой машины и, соответственно, изменяющий толщину срезаемой стружки. Статические и динамические характеристики гидропривода влияют на процесс управления РО и должны быть учтены при проектировании основных параметров УУ РО БА.

В настоящее время все БА оснащены гидроприводом РО. Несмотря на многообразие различных схем гидроприводов, количество гидроэлементов, входящих в них, не так велико: гидронасос, гидроцилиндр, гидродроссель, гидролиния, гидрораспределитель, гидроклапан и др.

В настоящее время можно выделить два направления математического описания гидроприводов:

• представление гидроэлементов в виде передаточных функций типовых динамических звеньев, известных из ТАУ. Представление элементов гидропривода в виде передаточных функций основывается на экспериментальных исследованиях, при этом реальный переходный процесс элементов гидропривода аппроксимируется с некоторой точностью передаточными функциями;

• при описании электрогидропривода в качестве входного воздействия принята выходная координата порогового элемента, в качестве выходной величины – перемещение штока гидроцилиндра.

Например, в работе А.Ф. Бакалова отмечается, что 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.

В своей работе В.В. Беляев предложил общую передаточную функцию гидропривода. 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 З, в течение которого шток находится в покое после включения распределителя;

• стадию разгона Р, 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. Тогда передаточная функция всего гидропривода выглядит следующим образом:

где гп – общее время запаздывания гидропривода; KГЦ – коэффициент, определяющий скорость перемещения штока гидроцилиндра в установившемся режиме; ТЦ – постоянная времени, обуславливающая стадию разгона штока.

Таким образом, 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.

В работе В.С. Щербакова предлагается методика составления математических моделей гидроприводов, базирующаяся на представлении гидроэлементов в виде многомерных динамических объектов и использующая векторно-матричную форму записи уравнений. Динамические свойства многомерных объектов полностью характеризуются их уравнениями движения, связывающими выходные и входные величины объектов, которые составляются на основе законов физики при рассмотрении процессов преобразования и передачи информации.

В работе Г.В. Птицына и Е.Ю. Малиновского математическое описание гидропривода представлено в виде дифференциальных уравнений, описывающих внутренние динамические процессы в гидросистеме.

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

На рис. 1.15 представлена блок-схема модели гидропривода РО, элементами которой являются: гидронасос, гидролинии, электрогидравлический распределитель и гидроцилиндр. Qн, Qл, Qр, Qц – расходы рабочей жидкости на входе и выходе из гидролиний насоса и распределителя; Pл, Pн, Pц, Pр – давление на входе и выходе из гидролиний насоса и распределителя; Fц – сила реакции грунта на РО, приведенная к штоку гидроцилиндра; iзол – управляющий ток обмоток золотника.

Рис. 1.15. Блок-схема гидропривода рабочего органа Таким образом, проведенный анализ математического описания гидропривода показал, что его элементы достаточно хорошо изучены и представлены с теми или иными допущениями в виде передаточных функций или дифференциальных уравнений. Имеющийся математический аппарат может быть использован для решения поставленных в работе задач.

На основе представленного анализа конструктивных особенностей БА, математических моделей его основных узлов, особенностей технологического процесса планирования земляного полотна, а также принципов и методов САПР можно напрямую переходить к решению поставленных задач: выбору критерия эффективности УУ РО БА и математическому моделированию РП БА.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

БУЛЬДОЗЕРНОГО АГРЕГАТА

2.1. Обоснование и выбор критерия эффективности устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата Обоснование и выбор показателя (критерия) или системы соответствующих показателей эффективности является важнейшим этапом при расчете параметров машины и решении задач оптимизации.

Оценку эффективности УУ РО можно рассматривать как операцию анализа соответствующих показателей, определяющих качество эксплуатации БА, оснащенного УУ РО.

При формировании показателей эффективности необходимо учитывать, что они должны обеспечивать:

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

• отражение влияния на эффективность машины всего многообразия определяющих факторов: технических параметров, условий производства, эксплуатации и др.

Следует учитывать, что показатели должны удовлетворять следующим требованиям:

• иметь технико-экономическую основу;

• соответствовать цели, достигаемой в результате применения оборудования;

• иметь иерархическую структуру, обеспечивая включение частных показателей в более общие, комплексные показатели.

Систему показателей для оценки экономической эффективности формируют на базе анализа такого показателя, как приведенные удельные затраты ZУ, который с учетом соответствующих ограничений позволяет наиболее полно оценить эффективность БА как в сфере производства, так и затраты в сфере эксплуатации и производства.

Приведенные удельные затраты на единицу продукции:

где ПЭ – эксплуатационная производительность; U – текущие затраты потребителя, связанные с выполнением технологического процесса без учета отчислений на реновацию техники; ЗК – капитальные затраты, связанные с созданием, производством, доставкой и монтажом техники; PК – отчисления на реновацию от капитальных затрат; ЕН – нормативный коэффициент эффективности; КЭ – сопутствующие капитальные вложения потребителя на эксплуатацию техники.

Все критерии, используемые при оценке эффективности УУ РО, являются иерархически подчиненными этому основному критерию.

Однако использование приведенных удельных затрат в качестве критерия для определения эффективности УУ РО является затруднительным в силу большого количества показателей. При этом важнейшим показателем более низкого иерархического уровня является эксплуатационная производительность ПЭ, так как все показатели более высокого уровня не могут быть определены без известного значения этого показателя.

Показатель производительности БА с неповоротным отвалом при планировочных работах можно вычислить как где Lн – ширина захвата РО БА (длина ножа РО); VБА – скорость движения БА; nЭ – число проходов по одному участку земляного полотна.

Действительная скорость движения БА VБА при разработке грунта определяется тягово-сцепными характеристиками машины, режимом работы и физико-механическими свойствами разрабатываемого грунта. Поэтому очень сложно вычислить ПЭ для всех внешних условий. Более низким иерархическим показателем является количество проходов БА по обрабатываемому участку nЭ.

Так как при формировании земляного полотна рассматриваются оба его параметра, то необходимо найти такое количество проходов nZ или n, которое обеспечит требуемую точность как в продольной, так и в поперечной плоскости:

где K – требуемая точность, которая должна быть достигнута в результате обработки земляного полотна; Н – начальное значение среднеквадратичного отклонения земляного полотна; KСi – коэффициент сглаживания земляного полотна; i = Z для продольной плоскости; i = для поперечной плоскости.

Из всех параметров, входящих в выражение (2.4), наиболее интересным является коэффициент сглаживания KС, определяемый точностью обработки земляного полотна.

Вычисление KСi производится по формуле При работе БА формируется РО земляное полотно с необходимым продольным и поперечным уклонами. Данные параметры контролируются отклонением параметров земляного полотна от проектного значения по длине разрабатываемого участка через определенные интервалы, установленные в проектной и руководящей документации.

где ZРОi, РОi – величина высотных отметок и поперечного уклона полотна, формируемого РО соответственно i-го измерения; ZРОср и РОср – средние значения высотных отметок продольного и поперечного уклонов полотна, формируемого РО; m – число замеров земляного полотна.

Необходимо помнить, что в УУ РО присутствует контур отрицательной обратной связи и на нее распространяются все требования, предъявляемые к системам автоматического регулирования, в том числе и требование по обеспечению устойчивости системы. В данной работе количественная оценка устойчивости УУ оценивается при помощи коэффициента колебательности М, определяющегося из выражения где Xmax1 и Xmax2 – значения двух соседних максимальных отклонений переходной характеристики от установившегося или заданного значения при При коэффициенте колебательности 100 % и больше система будет неустойчивой. Если система устойчива, то коэффициент колебательности М будет лежать в пределах от 0 до 99 %. Коэффициент колебательности будет стремиться к 0, если переходный процесс является апериодическим и, соответственно, система будет абсолютно устойчивой. Для наиболее устойчивой работы коэффициент колебательности М должен быть минимален, то есть равным нулю. Абсолютную устойчивость УУ можно принять как ограничение к принятому критерию эффективности.

Исходя из вышеописанного, задача оценки эффективности УУ РО сводится к определению коэффициентов сглаживания KСZ и KС, при условии необходимого количества проходов машины по одному следу (2.3) и абсолютной устойчивости УУ, оцениваемой коэффициентом колебательности M:

Таким образом, выбранный критерий эффективности KЭ в виде коэффициента сглаживания KСZ или KС будет наилучшим образом характеризовать использование УУ РО БА и служить для его оценки.

2.2. Структура рабочего процесса бульдозерного агрегата В данной работе РП БА является сложной динамической системой, состоящей из взаимодействующих между собой подсистем: базовой машины – «БА», «Грунта» и «УУ РО». На рис. 2.1 представлена блок-схема, отражающая особенности РП БА. На блок-схеме базовая машина представлена блоками: ходовым оборудованием, рамой, навесным оборудованием и РО. Грунт представлен блоками: силой реакции грунта и микрорельефом. УУ РО включают в себя блоки: блок управления (БУ) и гидропривод РО.

Подсистемы соединяются между собой связями, отражающими влияние одних элементов блок-схемы на другие. Объемные стрелки обозначают многопараметрические связи. Утолщенными линиями представлены неуправляемые перемещения РО и базовой машины, тонкими линиями – управляющие связи, пунктирными – информационные сигналы (визуальный, осязательный, звуковой и т.п.).

Подсистема «Ходовое оборудование» является гусеничным движителем машины, «Навесное оборудование» – толкающими брусьями, механизмом перекоса отвала и универсальными шарнирами, «Гидропривод РО» – исполнительной частью гидросистемы БА, «БУ» – задатчиком проектных параметров земляного полотна, средствами контроля и измерения положения РО, блоком выдачи управляющих воздействий.

Изменения высотной координаты микрорельефа обрабатываемой поверхности С1 влияет на толщину срезаемой стружки грунта и, следовательно, на силу сопротивления копанию С2. Подсистема ходового оборудования воспринимает возмущающие воздействия от обрабатываемой поверхности, измененной РО, – С3, которые затем передаются на раму базовой машины, изменяя ее положение, – С4. Следует отметить сглаживающую способность ходового оборудования, которое уменьшает возмущения от неровностей грунта. Затем воздействия от рамы С5 передаются через навесное оборудование на РО С6, который, в свою очередь, изменяет положение в пространстве С7 – заглубляется или выглубляется, тем самым изменяя силу сопротивления копанию С2 и профиль обрабатываемой поверхности С3. Таким образом, грунт взаимодействует с БА по следующей замкнутой цепи:

С1+С2, С3, С4, С5, С6, С7 – неуправляемые перемещения базовой машины и РО.

Рис. 2.1. Блок-схема рабочего процесса бульдозерного агрегата Человек-оператор в динамической системе РП БА воспринимает информацию о положении РО: визуальный контакт С10 и через устройства индикации и сигнализации от БУ С11. На основании информации он формирует управляющие воздействия на гидропривод РО С12, а также имеет возможность при необходимости отключить БУ С14.

Проведенный в первой главе анализ требований к точности обработки земляного полотна показал, что человек-оператор, вследствие своей инерционности и ограниченной точности воспринимаемой информации о состоянии процесса, не в состоянии постоянно поддерживать высокоточное положение РО в пространстве. В процессе планирования земляного полотна БУ на основании сигналов от датчиков С13 выдает управляющие воздействия на гидропривод РО С8 и далее управляющий сигнал С9 на навесное оборудование, изменяя положение РО. Таким образом, отпадает необходимость в математическом описании человека-оператора как части РП БА.

При ручном управлении РО действуют контуры связей С10, С12, С9, а при автоматизированном управлении – контуры С13, С8, С9.

Таким образом, анализ РП БА позволил построить блок-схему динамической системы, представленной блоками подсистем «БА», «Грунт», «УУ РО» и выявить их связи и взаимодействия.

2.3. Обоснование информационных параметров и анализ алгоритмов управления рабочим органом Выбор информационных параметров.

Основные параметры земляного полотна при планировке поверхности – продольный уклон дор и поперечный уклон дор – задаются проектной документацией.

В процессе воздействия РО на грунт грунту передаётся пространственное положение режущей кромки отвала, вследствие чего формируются продольный и поперечный уклоны полотна. Из рис. 2. видно, что для обеспечения заданного продольного профиля необходимо контролировать высоту режущей кромки отвала ZРО. Для обеспечения заданного поперечного профиля необходимо контролировать угол наклона отвала РО.

Рис. 2.2. Информационные параметры земляного полотна:

а) ZРО – вертикальная координата продольного профиля; б) РО – угол Таким образом, для обеспечения проектных уклонов земляного полотна необходимо контролировать два информационных параметра отвала бульдозера: вертикальную координату режущей кромки ZРО и угол перекоса РО.

Обоснование параметров управления.

Управление положением РО БА в пространстве осуществляется двумя силовыми гидроцилиндрами, расположенными на базовой машине. Изменение положения отвала в вертикальной плоскости происходит путём перемещения штока гидроцилиндра вверх (подъём отвала) или вниз (опускание отвала), а поперечный перекос осуществляется противоположным движением гидроцилиндров, возможность которого имеется благодаря наличию универсальных шарнирных соединений гидроцилиндра с отвалом. Примем положительный угол поворота при движении отвала против часовой стрелки (подъем правого гидроцилиндра – опускание левого гидроцилиндра). Изменение положения штока гидроцилиндра приводит к пропорциональному изменению высоты режущей кромки РО.

Таким образом, параметрами управления положением отвала являются координаты правого и левого конца режущей кромки РО ZРОП, ZРОЛ.

Анализ и выбор алгоритмов управления.

Поверхность земляного полотна формируется РО машины, следовательно, координаты обрабатываемой поверхности определяются положением режущей кромки РО в процессе копания, а погрешность перемещения РО в процессе копания становится погрешностью земляного полотна.

Так как управление отвалом осуществляется гидроцилиндрами, то погрешность формируемого земляного полотна зависит от алгоритма их включения. В настоящее время известны несколько таких алгоритмов: управление с помощью одного, с помощью 2-х гидроцилиндров, работающих поочерёдно, и с помощью 2-х гидроцилиндров, работающих одновременно.

Наибольшее распространение в первом поколении систем управления положением РО ЗТМ получил алгоритм управления с помощью одного гидроцилиндра. На этом алгоритме основаны такие СУ, как «Профиль 1», «Профиль 10» и т.п.

Алгоритм заключается в том, что одним гидроцилиндром (условно примем, что левым) вручную выставляют вертикальную координату, а отработку угла перекоса РО производят правым (т.е. реализуется управление по одному информационному параметру) [104]:

где Sн – длина ножа отвала.

На рис. 2.3 приведена поверхность земляного полотна, формируемая отвалом по данному алгоритму. Направление движения базовой машины принято вдоль оси Х0 со скоростью VБА.

Из рисунка видно, что средняя точка РО перемещается по линии AB, что приводит, в зависимости от знака РО, к заглублению или выглублению РО, изменению средней толщины снимаемой стружки грунта, изменению силы реакции грунта на РО, погрешности продольного профиля формируемого земляного полотна.

РО ZРОЛ

Рис. 2.3. Поверхность земляного полотна, формируемая отвалом, Величина погрешности вертикальной координаты продольного профиля в средней части земляного полотна после отработки углового рассогласования составляет Алгоритм управления, не учитывающий вертикальное изменение положения отвала, не может в полной мере обеспечить современные требования к точности и экономичности возведения земляных сооружений.

Другим алгоритмом управления РО является управление двумя гидроцилиндрами, работающими по очереди. Такой алгоритм позволяет контролировать как угол перекоса отвала, так и его вертикальную координату, что даёт возможность повысить точность формирования земляного полотна.

На рис. 2.4 показана поверхность, формируемая РО машины, при поочерёдной работе гидроцилиндров.

Z0 VБА ZРОП A ZРОЛ

ZРОП ZРОП

РО ZРОЛ

Рис. 2.4. Поверхность земляного полотна, формируемая отвалом, управляемым поочерёдно работающими гидроцилиндрами Алгоритм заключается в том, что после выхода системы из установившегося состояния сначала правым гидроцилиндром отрабатывается изменение вертикальной координаты отвала, а затем левым – изменение его углового положения. Такой алгоритм позволяет значительно повысить точность обработки поверхности по сравнению с первым алгоритмом. Однако у этого способа большое время переходного процесса установки РО в заданное положение. Поочерёдная работа гидроцилиндров приводит к ошибкам как в угловом положении РО, так и по вертикальной координате, следовательно, отвал формирует дополнительные неровности на поверхности. Величины этих погрешностей определяются следующим образом:

Очевидным преимуществом обладает алгоритм одновременного управления РО обоими гидроцилиндрами. Он позволяет избавиться от погрешности в установке РО по вертикальной координате, что даёт возможность формировать поверхность земляного полотна с более высокой точностью. На рис. 2.5 изображена поверхность, формируемая РО, управляемым одновременно двумя гидроцилиндрами.

При одновременном включении гидроцилиндров, в зависимости от знака рассогласования РО, одна часть РО (левая) опускается на величину h1, другая (правая) поднимается на величину h2. При равенстве абсолютных значений |h1|=|h2|, РО, не изменяя вертикальной координаты центра отвала, поворачивается на угол, равный по величине и противоположный по знаку углу рассогласования.

VБА ZРОП

ZРОП ZРОЛ

Рис. 2.5. Поверхность земляного полотна, формируемая отвалом, управляемым одновременно работающими гидроцилиндрами Величина погрешности вертикальной координаты продольного профиля в средней части земляного полотна после отработки углового рассогласования составляет Как видно из приведённых алгоритмов управления, самым рациональным является последний, так как не вносит дополнительной погрешности по вертикальной координате, что должно обеспечить более быстрый переходный процесс.

Таким образом, для управления РО БА наилучшим вариантом является алгоритм одновременного перемещения обоих штоков гидроцилиндров.

2.4. Математическая модель рабочего процесса бульдозерного Для решения одной из задач на пути разработки САПР УУ РО БА необходимо построить общую математическую модель РП. Общая математическая модель включает в себя следующие основные подсистемы и связи: «Грунт», «БА» и «УУ РО». Эти сложные подсистемы описаны рядом уравнений, на основе которых строится общая структурная схема модели процесса. Так как при дальнейших исследованиях будет рассматриваться только автоматическое управление РО, то отпадает необходимость какого-либо описания человекаоператора в качестве составляющего элемента модели РП БА.

При составлении общей математической модели процесса необходимо разрешить известное противоречие: с одной стороны, обеспечить адекватность математической модели, с другой – её максимально возможную простоту. При определении числа исследуемых параметров нельзя забывать, что учет факторов, несущественно влияющих на динамику РП БА, может привести к неоправданному усложнению математической модели, затруднив расчеты и проведение теоретических исследований. Разрешением этого является введение допущений при составлении математической модели.

2.4.1. Математическая модель бульдозерного агрегата При изучении динамических характеристик БА целесообразно проводить исследования их математических моделей, отражающих признаки большинства известных конструкций бульдозеров. При этом необходимо рассматривать минимальное число параметров, оказывающих принципиальное воздействие на изменение динамики базовой машины и рабочего органа. В качестве базовой машины при моделировании принимается БА с жесткой или полужесткой подвеской ходового оборудования, неповоротным отвалом и навесным оборудованием, обеспечивающим дистанционный подъем и перекос РО в поперечной плоскости за счет исполнительного гидропривода и механизма навесного оборудования.

БА представлен упрощенно в виде многозвенника, содержащего: РО, навесное оборудование, ходовое оборудование, подвеску ходового оборудования и раму машины. При составлении расчетной схемы и анализе влияния конструктивных параметров на точность обрабатываемой поверхности приняты следующие допущения:

• обрабатываемая поверхность формируется режущей кромкой отвала;

• БА представлен в виде шарнирно-сочлененного многозвенника;

• звенья машины являются абсолютно жесткими стержнями;

• расстояние между исполнительными гидроцилиндрами принимается равное ширине базы (колеи) БА;

• катки имеют постоянный контакт с гусеницей;

• элементы подвески ходового оборудования представлены телами Фохта;

• связи в шарнирах голономные и стационарные;

• люфты и силы сухого трения в шарнирах не учитываются;

• машина движется прямолинейно с постоянной скоростью.

Для описания перемещений элементов пространственной расчетной схемы БА (рис. 2.6) были приняты:

• ортогональная система координат X0Y0Z0, в которой описывается обрабатываемая поверхность, плоскость X0О0Y0 совпадает с плоскостью отсчета, а ось X0 – с направлением движения бульдозера;

• ортогональная система координат X1Y1Z1, начало отсчета которой совпадает с центром масс БА (точка К). В процессе движения РО может поворачиваться в плоскости Y1О1Z1 относительно оси X1, формируя поперечный профиль, и изменять свое вертикальное положение, двигаясь параллельно оси Z1, формируя продольный профиль, по которому движется базовая машина.

Для обеспечения геометрических параметров земляного полотна необходимо контролировать два информационных параметра отвала бульдозера: вертикальную координату режущей кромки ZРО и угол перекоса РО, которые зависят от положения правой и левой кромок РО ZРОП и ZРОЛ. Управление положением РО производится благодаря выдвижению штоков гидроцилиндров SШТП и SШТЛ, которое преобразуется в пропорциональное изменение положения РО за счет механизма подъема и перекоса отвала. Для определения коэффициента передачи навесного оборудования Kgz необходимо найти зависимость между величинами SШТП, SШТЛ и ZРОП, ZРОЛ через отношения точек перемещения кромки РО и штока гидроцилиндра в вертикальном направлении. При малых перемещениях SШТ можно принять, что где – угол наклона гидроцилиндра к оси Z0; lБ – горизонтальное расстояние от шаровой опоры бруса до режущей кромки РО; lРО – горизонтальное расстояние от шаровой опоры бруса до точки крепления гидроцилиндра к бульдозерному оборудованию.

В данной расчетной схеме, при принятых допущениях, вертикальные, продольные и поперечные колебания рамы БА оказывают непосредственное воздействие на РО, так как он жестко связан с рамой навесным оборудованием, что необходимо учитывать при вычислении его положения в пространстве:

Рис. 2.6. Пространственная расчетная схема бульдозерного агрегата где БА – угол продольного наклона рамы БА относительно X0; БА – угол поперечного наклона рамы БА; SШТП и SШТЛ – перемещение штока правого и левого гидроцилиндров соответственно; L – расстояние от передних до задних опорных катков (опорная база БА); L1 – расстояние от РО до передних опорных катков; L2 – ширина базы БА; lK – расстояние от передних опорных катков до центра масс БА.

Исходя из расчетной схемы, и так как задняя часть подвески ходового оборудования жестко крепится к раме с помощью шарнира, вертикальные и угловые перемещения подрессоренной рамы БА вычисляются по следующим формулам:

где ZПП и ZПЛ – координата переднего правого и переднего левого края подрессоренной рамы БА; ZВП и ZВЛ – координата заднего правого и заднего левого опорного катка.

Вертикальную координату правой и левой колеи профиля поверхности, по которой движется ходовая система, обозначим как ZНП и ZНЛ соответственно. Учитывая, что РО формирует данный профиль, можно записать как для правой, так и для левой колеи движения:

где L1 – время транспортного запаздывания от РО до передних опорных катков; p – оператор Лапласа; VБА – скорость движения БА.

Учитывая анализ математических моделей БА, расчетная схема сглаживающей способности ходового оборудования при движении по недеформируемому грунту может быть представлена на рис. 2.7.

ZСП ZНП

Рис. 2.7. Схема сглаживания возмущений от неровностей грунта Таким образом, каждая гусеница будет интегрировать неровности поверхности на площадке контакта длиной L. Для определения сглаживающей способности ходового оборудования как для правой, так и для левой колеи движения может применяться уравнение где ZНП(t) – вертикальная координата обработанной поверхности по правой колее движения; ZСП(t) – вертикальная координата сглаженных воздействий обработанной поверхности на опорные катки; L – время транспортного запаздывания от передних до задних опорных катков.

Для определения изменения положения опорных катков при изменении вертикальной координаты сглаженной опорной поверхности ZС(t) воспользуемся методикой Кузина. Данные зависимости справедливы как для правой, так и для левой колеи движения БА. Будем рассматривать опорные катки в качестве абсолютно жесткой балки АВ (рис. 2.8), имеющей следующие координаты: ZA – соответствует переднему опорному катку, ZВ – соответствует заднему опорному катку.

Представим изменение положения опорных катков под воздействием земляного полотна в виде динамического звена, входом которого является сглаженная координата профиля обрабатываемой поверхности, имеющая функцию ZС(t), а выходами – изменение координаты переднего опорного катка ZА(t) и изменение координаты заднего опорного катка ZB(t). Таким образом, опорные катки БА представлены в виде системы с одним входом ZС(t) и двумя выходами ZА(t) и ZB(t).

Сначала рассмотрим динамику ходового оборудования при положительном изменении ZС(t) под опорными катками. Примем ZС(t) = h в виде ступенчатой функции и рассмотрим зависимости ZА(t) и ZВ(t) от h (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Перемещение опорных катков при наезде на ступенчатую неровность При этом учитываем, что в практических условиях h много меньше базы машины L и угол поворота остова очень мал, так что примем допущение arctg(БА) sin(БА) БА, cos(БА) 1.

Рассмотрим изменение положения балки АВ при различных значениях координаты X1 точки А. В начальный момент времени, до возникновения препятствия, положение А0В0, координаты точек А0 и В имеют нулевые значения, в дальнейшем при наезде на препятствие точка А перемещается по вертикальному участку ступенчатой функции, а точка В перемещается по оси X0, отрезок принимает положение А1В1 (наезд на ступеньку). В интервале 0 < X1< lK положение опорных катков характеризуется отрезком А2В2 (заезд на ступеньку), при этом происходит поднятие переднего опорного катка. В момент X1 = lK (А3В3) происходит опрокидывание рамы БА, которое заканчивается новым положением А4В4, при котором координаты точек А4 и В4 приобретают значения ступенчатой функции h.

Составим систему уравнений, описывающую положение балки АВ при ступенчатой неровности ZС(t) = h в зависимости от координаты X1:

При подстановке в уравнения (2.32) и (2.33) выражения X1 = lK значения переменных ZA и ZВ определяются при ZС(t) = h в виде следующих передаточных функций как для правой, так и для левой колеи движения:

где k1 – коэффициент усиления, учитывающий нарастание ZA при заезде на ступеньку; k2– коэффициент усиления, обуславливающий положение ZA в точке опрокидывания; K – время транспортного запаздывания с момента воздействия на передний каток до точки опрокидывания.

На основании функций (2.34) – (2.38) можно составить структурную схему математической модели перемещения опорных катков при ZС(t) = h (рис. 2.9):

Рис. 2.9. Структурная схема передаточных функций опорных катков Далее рассмотрим динамику ходового оборудования при отрицательном изменении ZС(t) под опорными катками. Примем ступенчатую функцию в виде ZС(t) = - h и рассмотрим зависимости ZА(t) и ZВ(t) от ZС(t) (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Перемещение опорных катков при съезде со ступенчатой Рассмотрим изменение положения балки АВ при различных значениях координаты X1 точки А. В интервале 0 < X1 < lK координаты точек А0 и В0 имеют нулевые значения, точка А0 перемещается над пустым пространством параллельно оси X0, точка В0 перемещается по оси X0 до точки опрокидывания (зависание). В момент X1 = lK происходит опрокидывание рамы БА, которое заканчивается новым положением А1В1. В интервале lK < X1 < L положение опорных катков характеризуется отрезком А2В2 (съезд со ступеньки), при этом точка А имеет вертикальную координату –h и перемещается параллельно оси X0, одновременно происходит опускание заднего опорного катка – точка В2. В момент X1 = L (А3В3) А3 = –h и В3 = 0, далее при X1 > L съезд со ступенчатой неровности заканчивается и координаты точек А4 и В4 приобретают значения ступенчатой функции –h.

Составим систему уравнений, описывающую положение балки АВ при ступенчатой неровности ZС(t) = –h в зависимости от координаты X1:

При подстановке в уравнения (2.30) и (2.31) выражения X1 = lK значения переменных ZA и ZВ определяются при ZС(t) = –h в виде следующих передаточных функций как для правой, так и для левой колеи движения:

где k3 – коэффициент усиления, обуславливающий положение ZB в точке опрокидывания; k4 – коэффициент усиления, учитывающий уменьшение ZВ при съезде со ступеньки; L – время транспортного запаздывания с момента воздействия на передний каток до заднего катка.

На основании функций (2.41) – (2.45) можно составить структурную схему математической модели перемещения опорных катков для ZCП(t) = –h (рис. 2.11):

Рис. 2.11. Структурная схема передаточных функций опорных катков при съезде со ступенчатой неровности Полученные уравнения перемещения опорных катков (2.34) – (2.38) и (2.41) – (2.45) применимы для частных случаев изменения профиля поверхности ZСП(t) = h и ZСП(t) = –h, по которому движется ходовое оборудование, т.к. они различны по структуре. Для создания обобщенной расчетной схемы перемещения опорных катков предлагается ввести систему с переменной структурой, которая будет работать и при положительном, и при отрицательном изменении опорной поверхности.

Учитывая реальный профиль обрабатываемой поверхности и сглаживающую способность ходового оборудования, можно принять, что воздействия со стороны опорной поверхности изменяются, как показано на рис. 2.12. Тогда для определения уклона опорной поверхности можно воспользоваться уравнением касательной к кривой:

где x, z – абсцисса и ордината касательной; b – коэффициент вертикальной составляющей касательной; k – коэффициент наклонной составляющей касательной; – угол наклона касательной к оси абсцисс.

Гидроцилиндр.

Динамика перемещения штока исполнительного гидроцилиндра – SШТ, в общем случае, описывается передаточной функцией:

где ТЦ – постоянная времени гидроцилиндра, характеризующая инерционность динамической системы; KГЦ – коэффициент передачи гидроцилиндра, соответствующий скорости движения штока VШТ в установившемся режиме.

Из-за различия площадей внутренней полости гидроцилиндра скорость перемещения штока гидроцилиндра при втягивании/выдвижении будет различной, в зависимости от сигнала управления рабочей жидкостью xупр:

где QН – подача насоса в полость гидроцилиндра; dц, dш – диаметры соответственно поршня и штока гидроцилиндра.

Основываясь на приведенном математическом описании гидропривода, составим структурную схему математической модели его исполнительной части для одного гидроцилиндра управления (рис. 2.25).

Рис. 2.25. Структурная схема математической модели гидропривода Таким образом, полученное математическое описание гидропривода РО можно принять с достаточной степенью точности для составления математической модели РП БА и использовать решения поставленных задач при разработке САПР УУ РО БА.

2.4.4. Математическая модель блока управления гидроприводом Как уже было описано в п. 2.3, в качестве информационных параметров берем высоту средней точки режущей кромки отвала ZPO и угол поперечного перекоса РО, а в качестве параметров управления – положение правого и левого краев отвала ZРОП и ZРОЛ.

Изменение положения РО производится с помощью гидропривода (исполнительная часть СУ), который является релейным звеном, что обуславливает применение релейной статической характеристики порогового элемента (ПЭ) БУ гидроприводом РО БА.

Блок управления состоит из следующих элементов:

1. Задатчик проектной плоскости: лазерный нивелир.

2. Датчики положения РО: лазерные приёмники.

3. Элементы управления:

• сравнительный элемент (СЭ);

• пороговый элемент (ПЭ).

Поскольку лазерная аппаратура безинерционна и в ней отсутствуют какие-либо динамические процессы, то сигналы рассогласования меду датчиком и задатчиком после СЭ передаются в виде IРОЛ и IРОП без искажений с коэффициентом передачи KД, равным 1, на ПЭ, который задает пороги срабатывания ЭГР, чтобы избежать излишних его включений. Блок-схема математической модели блока управления приведена на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Блок-схема математической модели блока управления Вследствие быстродействия электронных схем БУ, статическая характеристика ПЭ описана как идеальное реле с различными порогами срабатывания на включение и отключение (рис. 2.27).

IВКЛ IВЫКЛ I

Рис. 2.27. Статическая характеристика порогового элемента Преобразование заданных значений высотной координаты ZPO зад и угла наклона РО зад в положения краев отвала ZРОП зад и ZРОП зад производится по формулам На статической характеристике b1 = |IВКЛ| – порог срабатывания на включение ПЭ, b2 = |IВЫКЛ| – порог срабатывания на отключение ПЭ, kb = b1/b2 – отношение порогов срабатывания на включение/отключение ПЭ.

Ширина зоны нечувствительности данного порогового элемента b определяется суммой порогов срабатывания на включение и отключение ПЭ:

Так как открывание и закрывание ПЭ происходит при разных значениях входного сигнала, что применяется для компенсации запаздывания гидроаппаратуры, его математическое описание выполнено с помощью системы неравенств:

iзол = где iзол – ток управления, подаваемый на золотник гидрораспределителя; I – значение сигнала рассогласования для правого или левого параметра управления.

Таким образом, представленная модель БУ будет использоваться в общем математическом описании РП БА.

2.5. Структура математической модели рабочего процесса Для решения задачи, поставленной в работе, необходимо построить общую математическую модель РП БА. Как уже было сказано ранее, математическая модель РП включает в себя следующие взаимодействующие основные подсистемы: «Грунт», «БА», «УУ РО».

Эти сложные подсистемы описаны рядом уравнений и передаточных функций, на основе которых построена блок-схема математической модели РП БА (рис. 2.28). На основе математической модели РП БА на ПЭВМ (программный комплекс Matlab, приложение Simulink) была составлена программа, моделирующая РП БА.

2.6. Итоги и выводы по математическому описанию Представленное в данной главе математическое описание РП БА позволяет подвести итоги и сделать следующие выводы:

1. Обоснован критерий эффективности устройства управления рабочим органом бульдозерного агрегата в виде коэффициента сглаживания земляного полотна.

2. Проанализированные алгоритмы управления рабочим органом БА позволяют выбрать из них наиболее оптимальный.

3. Составленные расчетные схемы и аналитические зависимости позволили разработать сложную математическую модель базовой машины и исследовать её динамические характеристики.

4. Разработанная математическая модель РП БА, включающая в себя основные подсистемы: «Грунт», «БА», «УУ РО»; позволяет проводить его теоретические исследования и легко реализуется на ПЭВМ с помощью программного комплекса MATLAB и его приложения Simulink и является основой САПР УУ РО БА.

Рис. 2.28. Блок-схема математической модели рабочего процесса бульдозерного агрегата

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО

ПРОЦЕССА БУЛЬДОЗЕРНОГО АГРЕГАТА

3.1. Системный подход в исследованиях Целью теоретических исследований являются анализ и синтез основных параметров УУ РО на основе математической модели РП БА согласно принятому критерию эффективности.

Системный подход представляет собой общепринятое направление методологии, определяющее ориентацию научных исследований, и занимает ведущее место в научном познании. В связи с этим в данной работе системный подход использовался в качестве общей методики теоретических исследований.

Суть системного подхода состоит в том, что РП БА рассматривается как система, состоящая из ограниченного множества элементов, объединенных в единое целое связями. Группы элементов, объединенных одним функционально завершенным агрегатом, будут являться подсистемами. Целостность РП БА как системы заключается в том, что его свойства не могут быть поняты и оценены без знания свойств его подсистем.

Иерархичность и структурность РП БА как системы характеризуется тем, что каждая его подсистема может рассматриваться, в свою очередь, как система с возможностью ее описания с помощью сети связей. Множество моделей, которыми может быть описан РП БА по различным аспектам, является одним из основных принципов системного подхода. Принцип взаимозависимости определяет рассмотрение свойств БА во взаимосвязи с окружающей средой.

Решение задач работы с применением системного анализа представлено следующими этапами:

1) постановка задачи:

• определение объекта и предмета исследования;

• определение критерия эффективности для изучения объекта – РП БА;

2) решение поставленных задач:

• определение структуры РП;

• разбиение РП на изучаемую систему и внешнюю среду;

• составление математических моделей подсистем РП и общей модели РП БА;

3) анализ системы:

• обоснование параметров УУ, влияющих на критерий эффективности, и их границ;

• анализ полученной математической модели сложной динамической системы РП БА;

• получение численных зависимостей критерия эффективности от основных параметров УУ;

• выявление функциональных зависимостей критерия эффективности от основных параметров УУ;

4) синтез системы:

• оптимизация основных параметров УУ согласно целевой функции выбранного критерия эффективности;

5) составление инженерной методики расчета и алгоритма автоматизации проектирования основных параметров УУ РО БА.

Математическое моделирование составляет основу теоретических исследований работы, при этом исследуемый объект заменяется его математической моделью, которая отражает с достаточной степенью точности исследуемые свойства объекта.

Математическое моделирование сложной динамической системы РП БА проведено на ПЭВМ с процессором Intel Celeron 1,86 ГГц с объемом ОЗУ 2 ГБ в программном комплексе Matlab R2010a.

Такой способ имеет ряд преимуществ перед натурными испытаниями:

• дешевизна исследований;

• вмешательство извне на любой стадии исследований;

• возможность моделирования условий эксперимента, которые невозможно воспроизвести в реальных условиях.

3.2. Обоснование параметров, подлежащих исследованию Предварительным этапом теоретических исследований математической модели РП БА является распределение параметров модели на три основные группы:

1) параметры, варьируемые в процессе исследования;

2) параметры, имеющие фиксированные значения;

3) параметры, носящие случайный характер.

Данное разделение параметров необходимо для определения направления и области исследований и выявления параметров, непосредственно влияющих на процесс формирования обрабатываемой поверхности.

Согласно критерию эффективности исследуемые параметры должны быть связаны с УУ РО БА. При исследовании точности формирования обрабатываемой поверхности особенно важно рассматривать параметры УУ, существенно влияющие на динамику перемещения РО (точность позиционирования, скорость перемещения РО и запаздывание гидропривода). Параметры, такие как постоянные времени передаточной функции электрогидравлического распределителя и исполнительного гидроцилиндра, оказывают несущественное влияние на работу УУ и могут не рассматриваться.

Исходя из вышесказанного, варьируемыми параметрами для исследования приняты:

• гп – время запаздывания гидропривода;

• VPO – скорость перемещения рабочего органа;

• b1, b2, b и kb – параметры статической характеристики ПЭ БУ.

Фиксированные параметры математической модели РП БА:

•, L, L1, L2, lK, lРО, lБ, CП, PП, MР, VПР, Lн, Sн, Р, VБА – параметmax ры базовой машины;

• c1, с2, с3, mзол, гп, ТЦ – параметры гидропривода;

• Ф, Ф, Ф, Z, Z, Z, µ,, µГ, k’ – параметры грунта и микрорельефа поверхности;

• заданные значения ZPO и РО – параметры блока управления.

Параметр математической модели РП БА, имеющий случайный характер, xi – последовательность независимых нормально распределенных чисел с математическим ожиданием mx = 0 и среднеквадратическим отклонением x = 1.