«АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ ПЛАТФОРМЫ СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) ...»

В.С. Щербаков,

М.С. Корытов,

М.Г. Григорьев

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ

ПОЛОЖЕНИЕМ ПЛАТФОРМЫ

СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная

академия (СибАДИ)»

В.С. Щербаков, М.С. Корытов, М.Г. Григорьев

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ

ПОЛОЖЕНИЕМ ПЛАТФОРМЫ

СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Монография Омск СибАДИ УДК 621.87 : 681. ББК 38.6-445.22 : 31. Щ Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. В.Н. Сорокин (ОмГТУ);

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

Щербаков В. С. и др.

Щ 60 Автоматизация проектирования устройств управления положением платформы строительной машины : монография / В.С. Щербаков, М.С. Корытов, М.Г. Григорьев. – Омск: СибАДИ, 2011. – 119 с.

ISBN 978–5–93204–576– В монографии проведен анализ современного рынка строительных машин, для которых необходимо устройство управления положением платформы; предложен алгоритм работы устройства управления положением платформы, на основе которого составлена математическая модель процесса управления положением платформы; представлена методика автоматизированного проектирования основных параметров устройства управления положением платформы; приводится алгоритм работы системы автоматизированного проектирования основных параметров устройства управления. Описан программный комплекс для автоматизированного проектирования.

Монография может быть полезна студентам вузов, аспирантам, инженерам, научным работникам, чья деятельность связана с проектированием и исследованием строительных машин и их систем управления.

Табл. 7. Ил. 68. Библиогр.: 37 назв.

ISBN 978–5–93204–576–3 ГОУ «СибАДИ»,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Анализ состояния вопроса в предметной области. Обзор существующих систем горизонтирования опорных платформ строительных машин

1.1. Обзор и анализ строительных машин, имеющих платформу с выносными аутригерами

1.2. Патентный обзор систем горизонтирования опорных платформ строительных машин

1.3. Обзор технических характеристик датчиков угла наклона.............. 1.4. Анализ математических моделей гидропривода управления положением платформы строительной машины

1.5. Обзор существующих САПР строительных машин

1.5.1. Тяжелый класс САПР

1.5.2. Средний класс САПР

1.5.3. Легкий класс САПР

1.6. Обзор принципов и методов автоматизированного проектирования

2. Общая методика исследований системы управления положением платформы строительной машины

2.1. Методика теоретических исследований системы управления положением платформы строительной машины

2.2. Методика экспериментальных исследований

3. Разработка математической модели устройства управления положением платформы строительной машины

3.1. Обоснование критерия эффективности процесса управления 3.2. Структурная схема процесса управления положением платформы строительной машины

3.3. Обоснование информационных параметров процесса управления 3.5. Алгоритм работы устройства управления положением платформы строительной машины

3.6. Математическая модель процесса управления положением платформы строительной машины

3.6.2. Математическая модель исполнительной части устройства управления платформой

3.7. Структура математической модели процесса управления 4. Результаты теоретических исследований процесса управления положением платформы строительной машины

4.2. Определение условий проведения теоретических исследований и обоснование границ варьируемых параметров

4.3. Исследование процесса управления платформой строительной машины на устойчивость

4.4. Оптимизационный синтез основных параметров устройства 5. Система автоматизации проектирования основных параметров устройства управления положением платформы строительной машины

Заключение

Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на российском рынке представлено множество строительных машин, имеющих платформу с аутригерами. Для всех этих машин необходимо во время работы выдерживать платформу в горизонтальном положении. На данный момент устройства автоматического горизонтирования платформ строительных машин отсутствуют. Для сокращения времени разработки и повышения качества таких устройств необходима система автоматизации проектирования (САПР) параметров устройства управления положением платформы строительной машины.

При разработке устройств управления, направленных на повышение эффективности и безопасности строительных машин, возникает проблема синтеза их оптимальных параметров. Такие проблемы невозможно решать без применения вычислительной техники, так как оптимизация параметров устройства управления является сложным вычислительным процессом. Внедрение САПР в машиностроительной отрасли позволяет существенно облегчить поиск оптимальных технических решений.

Разработка САПР параметров устройств управления положением платформы строительных машин позволит значительно сократить затраты времени и средств при оптимизации их основных параметров, повысит эффективность и безопасность работы строительных машин и обеспечит экономический эффект. Это особенно актуально при непрерывно возрастающей конкуренции на рынке строительных машин.

Для решения задачи автоматизации проектирования устройств управления положением платформы строительной машины выбран пакет расширения Simulink среды MATLAB.

В работе приводится общая методика автоматизированного проектирования основных параметров устройств управления положением платформы строительных машин, представлены алгоритмы автоматизированного проектирования устройств управления и описание программного комплекса для решения поставленных задач.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА В ПРЕДМЕТНОЙ

ОБЛАСТИ. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ

ГОРИЗОНТИРОВАНИЯ ОПОРНЫХ ПЛАТФОРМ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

1.1. Обзор и анализ строительных машин, имеющих платформу Проанализировав современный рынок строительных машин, имеющих платформу с выносными аутригерами, можно разделить их по трем основным направлениям. К этим направлениям относятся [9, 36]:

1. Автокраны, краны-манипуляторы и самоходные грузоподъемные краны на пневмоходу (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Внешний вид: а – автокран; б – кран-манипулятор; в – самоходная грузоподъемная машина На российском рынке свои автокраны и самоходные грузоподъемные краны в настоящее время продвигаются следующими компаниями:

– Компания ДОНЭКС. ОАО «Донецкий экскаватор» – это одно из динамично развивающихся предприятий машиностроительной отрасли России. Компания серийно выпускает и реализует автокраны моделей: КС-55743, КС-55743Б, КС-55719Д-1.

– ОАО «Галичский автокрановый завод» является одним из крупнейших производителей гидравлических автомобильных кранов в России. Компания серийно выпускает и реализует автокраны моделей: КС-35719-1-02, КС-35719-3-02, КС-35719-5-02, КС-35719-7-02, КС-45719-3А, КС-45719-5А, КС-45719-7А, КС-45719-8А, KC-55713- 1Б, КС-55713-1, KC-55713-1, КС-55713-3, КС-55713-4, КС-55713-5, КС-55713-6, КС-55729B, КС-55729-1В, КС-55721, КС-65713-1, а так- же кран-манипулятор модели КМ-34000.

– ОАО «Автокран» выпускает автокраны «Ивановец». Компания серийно выпускает и реализует автокраны моделей: КС-35714, КСКС-35714К-2, КС-35714К-3, КС-35715, КС-45717-1, КС- 45717A-1, КС-45717K-1, КС-45717K-1, КС-45717K-2, КС-54711-1, КС-5576Б, КС-5576К, КС-5576К, КС-6476, КС-6478, КС-8973.

Рис. 1.2. Внешний вид: а – сваезавинчивающей машины; б – бурильной машины – Юргинский машзавод выпускает автокраны «Юргинец». Автокраны отличаются повышенной маневренностью. Улучшенные грузовые характеристики и расширенная зона работы с грузом значительно расширяют сферу применения автокранов «Юргинец». Компания серийно выпускает и реализует автокраны моделей: КС-45727-1, КСКС-55722-1, а также самоходный кран серий КС-4372 и КСАвтокраны XCMG. Производятся китайским концерном XCMG (Xuzhou Construction Machinery Group Inc.). Компания серийно выпускает и реализует автокраны моделей: QY25K, QY35K, QY50K, QY65K.

– Автокраны Zoomlion. Zoomlion Heavy Industry & Science – ведущая компания по производству строительного оборудования в Китае. Компания серийно выпускает и реализует автокраны моделей:

QY100H-3, QY20H-2.

2. Сваезавинчивающие и бурильные машины (рис. 1.2). На российском рынке свои бурильные машины в настоящее время представляют такие компании, как:

– Компания «Алтайгеомаш» (г. Барнаул) серийно выпускает машины для бурения серии УКБС-5С (на шасси автомобиля «УралКомпания «Геомаш» (Курская область) серийно выпускает машины для бурения серии ПБУ-2 (на шасси ЗИЛ, «Урал», КамАЗ), АЗА-ЗМ (на шасси ЗИЛ-131, «Урал-4320»), ЛБУ-50 (на шасси ЗИЛУБР-12 (на шасси «Урал-4320-1912-30»).

– Компания «Стройдормаш» (Свердловская область) серийно выпускает машины для бурения серии БГМ-1 (на шасси автомобиля ЗИЛ-131), БКМ-1511 (на шасси автомобиля КрАЗ-65101), БКМ- (на шасси автомобиля «Урал-4320-1912-30»), БКМ-1513 (на шасси автомобиля КамАЗ-53228).

– Кунгурский машиностроительный завод (Пермская область) серийно выпускает машины для бурения серии 1БД15в ( на шасси автомобиля МАЗ-5337) и БА15 ( на шасси автомобиля «Урал-4320»).

– Завод им. В. В. Воровского (г. Екатеринбург) выпускает машину для бурения серии УРБ-2А-2 (на шасси автомобилей ЗИЛ-131, «Урал-4320» и КамАЗ-43101).

Среди машин для завинчивания свай наибольшее распространение получила МЗС-219. Она была создана в Конструкторском бюро транспортного машиностроения при научном сопровождении Сибирской автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) на основе машины «Анкер». В конструкцию новой машины внесен ряд изменений, позволивших увеличить крутящий момент до 200 кНм, снизить себестоимость изготовления и улучшить удобство эксплуатации. Увеличение крутящего момента достигнуто в результате повышения прочности трансмиссии и металлоконструкции вращателя, снижение себестоимости – в результате уменьшения номенклатуры материалов, унификации по гидрооборудованию с массовыми моделями экскаваторов и тракторов (ЭО-2621, ЗТМ-60), а также упрощения трансмиссии привода вращателя. Применение шасси КРАЗ-250 позволило исключить необходимость доработки тормозной системы.

3. Автовышки (рис. 1.3).

Автовышки подразделяются на два основных типа: телескопические и коленчатые (автогидроподъемники).

Телескопические автовышки состоят из базового автомобиля, на котором установлена рабочая платформа, на которой непосредственно укреплен телескопический механизм автовышки. Принцип действия телескопической системы подъема напоминает антенну – элементы автовышки расположены один в другом. Автовышка этого типа приводится в действие при помощи гидравлической системы, наиболее надежной и простой в эксплуатации и обслуживании [9, 36].

В настоящее время автоподъемники выпускают несколько заводов в России, Украине и Белоруссии. Широко известны современные автоподъемники производства:

– ОАО «Пожтехника» (г. Торжок). Выпускает малогабаритные автоподъемники для городского хозяйства АПТ-12, автоподъемники на вездеходном шасси АПТ-14, универсальные автоподъемники АПТАПТ-18, АПТ-22, АПТЛ-17, которые могут быть изготовлены на вездеходных и двухкабинных автошасси, средневысотные АПТ-28 и ПАРТ-28, а также высотные АПТ-32, АПТ-35, АПТ-50, коленчатые подъемники ПКА-17, имеющие искривленную стрелу, что обеспечивает меньшую транспортную высоту и возможность посадки в люльку в транспортном положении (после установки на аутригеры).

– ОАО «Мехпромстрой» (Краснодар). Серийно выпускаются коленчатые автогидроподъемники ВС-18 и ВС-22.

– ОАО «Людиновский машиностроительный завод» (г. Людиново). Возобновилось после длительного перерыва производство популярных трехколенчатых автогидроподъемников АГП-22.04.

Помимо представленных строительных машин существует множество других машин специализированного назначения, имеющих платформу с выносными аутригерами. Они находят свое применение в строительстве, медицине, лесозаготовке, спасательных операциях и т.д.

1.2. Патентный обзор систем горизонтирования опорных платформ строительных машин Проведен анализ полезных моделей, относящихся к области машиностроения, и предназначенных для использования в устройствах горизонтирования опорных платформ грузоподъемных, сваезавинчивающих, буровых и других машин с выносными гидравлическими опорами [31, 32, 33].

Известно устройство для обеспечения горизонтального положения опорной платформы грузоподъемного крана, содержащее опорную платформу передвижного шасси, гидравлическое оборудование с насосом для создания давления, выносные силовые гидроцилиндры, расположенные по углам периметра опорной платформы, и золотниковый кран управления работой гидроцилиндров [31]. Такое устройство позволяет посредством гидрозолотников вручную управлять выдвижением гидравлических опор в соответствии с показаниями креномера до достижения горизонтального положения платформы грузоподъемной машины.

Недостатком данного устройства является невозможность автоматически производить выравнивание в горизонтальной плоскости опорной платформы и значительное время, затрачиваемое на приведение крана в рабочее положение. Так как оператор не имеет возможности вручную управлять сразу тремя или четырьмя опорами, он вынужден устранять крен сначала в продольном направлении относительно опорного контура платформы, а затем в поперечном направлении. Недостатками устройства также являются недостаточно точное горизонтирование платформы и возможность неравномерной нагрузки на опоры.

Известно другое техническое решение – устройство автоматического выравнивания опорной платформы [32]. Оно содержит поворотную кабину, опорную платформу передвижного шасси, усилительный блок управления, датчики наклона, сориентированные в продольной и поперечной плоскостях платформы, поворотную опору, панель управления, датчики контакта штоков с опорной поверхностью и гидравлические цилиндры.

Управление устройством осуществляется с пульта управления тумблером, управляющим трехпозиционным электромагнитным клапаном. Данное устройство работает следующим образом. Перед началом работы оператор на пульте управления переводит тумблер в положение опускания штоков выносных гидравлических цилиндров, которое происходит до их контакта с опорной поверхностью. После срабатывания датчиков контакта с опорной поверхностью сигнал подается в усилительный блок управления на включение автоматического выравнивания платформы. Выравнивание платформы происходит в два этапа. Вначале устраняется поперечный крен за счет синхронной работы пары боковых гидроцилиндров, расположенных слева или справа, в зависимости от направления наклона. Работа гидроцилиндров одного из бортов прекратится тогда, когда датчик поперечного наклона своей шторкой загородит светочувствительные элементы (например, фотодиод и т.д.). Далее в работу вступает пара передних или задних гидроцилиндров (в зависимости от направления продольного наклона), которые окончательно выводят платформу в горизонтальное положение [32].

Данное устройство обладает следующими недостатками. Выравнивание платформы происходит последовательно в два этапа (вначале устраняется поперечный наклон платформы, затем продольный), что занимает значительное время. Данный недостаток является следствием: 1) относительного расположения двух датчиков наклона и опорной платформы, один из которых измеряет поперечный наклон платформы относительно горизонтальной плоскости, а другой – продольный наклон платформы относительно горизонтальной плоскости; 2) ограничения на количество одновременно выдвигаемых гидроцилиндров. При автоматическом горизонтировании предусматривается возможность одновременной работы только двух из четырех гидроцилиндров опор (продольной пары, затем поперечной пары гидроцилиндров), причем только на выдвижение. Невозможно автоматическое горизонтирование одновременным выдвижением и втягиванием различных опор, что обусловлено гидравлической схемой устройствапрототипа. Все указанные недостатки увеличивают общее время горизонтирования платформы устройством-прототипом.

Кроме того, данное устройство не предназначено для постоянного отслеживания горизонтального положения платформы машины в процессе работы и автоматического ее выравнивания в случае последующего отклонения от горизонтального расположения, что также является его недостатком. Невозможно также постоянное отслеживание в рабочем режиме машины степени нагружения каждой из опор платформы (не предусмотрены соответствующие датчики), что не позволяет использовать устройство-прототип для контроля безопасности работ и аварийной остановки машины при возможном провале или проседании грунта под какой-либо из опор в процессе работы [31, 32, 33].

В данной работе используется полезная модель [33]. Задачей полезной модели является повышение быстродействия автоматического выравнивания опорной платформы в горизонтальной плоскости, автоматическое поддержание ее в горизонтальном положении на заданной высоте, предотвращение аварийных ситуаций потери устойчивости платформы [33].

При этом достигаются следующие технические результаты:

1. Снижение времени на автоматическое выравнивание опорной платформы в горизонтальной плоскости без ухудшения точностных параметров.

2. Непрерывное автоматическое поддержание опорной платформы в горизонтальном положении в течение всего времени работы машины. Обеспечивается надежная долговременная фиксация достигнутого положения платформы и отсутствие ее «сползания», т.е. изменения со временем достигнутых параметров угловой ориентации.

3. Непрерывное автоматическое поддержание опорной платформы на заданной постоянной либо переменной высоте. Предотвращение ситуации выдвижения штоков на максимальную длину, а также касания колесами машины опорной поверхности. Повышение за счет этого запаса управляемости углами наклона платформы.

4. Предотвращение внештатных ситуаций потери устойчивости путем выдвижения опоры (опор) либо аварийной остановки машины при сильном проседании грунта под какой-либо из опор в процессе работы.

Указанные технические результаты достигаются отличительными признаками данного устройства [33].

Полезная модель поясняется прилагаемыми чертежами, где на рис. 1.4 приведена функциональная схема устройства автоматического выравнивания опорной платформы в горизонтальной плоскости, на рис. 1.5 – геометрическая схема ориентации измерительных осей датчиков наклона относительно опорной платформы, на рис. 1.6 – принципиальная гидравлическая схема устройства (ГС).

Рис. 1.4. Функциональная схема устройства автоматического выравнивания опорной платформы в горизонтальной плоскости Устройство автоматического выравнивания опорной платформы в горизонтальной плоскости включает в себя платформу 1 и присоединенные к ней по углам четыре гидроцилиндра опор 2, 3, 4, 5 (см.

рис. 1.4). На платформе закреплены два датчика угла наклона платформы 6 и 7. Каждый из гидроцилиндров 2, 3, 4, 5 оборудован датчиком положения штока 8 и двумя датчиками измерения давления 9 и 10 – в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра соответственно. Датчики угла наклона своими выходами соединены с информационными входами блока управления (БУ) 11, входящего в состав устройства. Другими информационными входами БУ 11 связан с датчиками положения штока 8 и датчиками давления 9 и 10. Управляющими выходами БУ 11 связан с четырехсекционным электрогидрораспределителем 12, выходы которого, в свою очередь, подключены к входам гидроцилиндров 2, 3, 4, 5. Другой управляющий выход БУ является входом блока аварийной остановки машины 13. Включение и отключение устройства производится блоком включения/выключения 14, выход которого является входом БУ [33].

Рис. 1.5. Геометрическая схема ориентации измерительных осей датчиков наклона относительно опорной платформы Датчики наклона расположены относительно платформы 1 таким образом, чтобы измерительные оси 15 датчиков были перпендикулярны диагональным вертикальным плоскостям платформы 16 (см. рис.

1.5). Для этого для измерительной оси отдельного датчика должны выполняться два условия: перпендикулярность измерительной оси датчика диагонали 17 опорной платформы и перпендикулярность измерительной оси датчика вертикали 18. То есть две диагональные вертикальные плоскости платформы 16 образованы пересечением соответствующей диагонали платформы 17 и вертикали 18 каждая. Датчики наклона сориентированы в плоскостях 16 и измеряют отклонение опорной платформы 1 от горизонтали в данных плоскостях [33].

Гидравлическая схема состоит из шестеренного насоса постоянной подачи 19, блока четырехсекционного трехпозиционного электрогидрораспределителя 12 (каждая секция на рис. 1.6 обозначена соответствующей буквой а, б, в, г), четырех исполнительных гидроцилиндров 2, 3, 4, 5, фильтра 20, гидробака 21. Каждый гидроцилиндр снабжен встроенным гидрозамком. Также в систему включен предохранительный клапан 22. Все элементы имеют гидравлические соединения.

Рис. 1.6. Принципиальная гидравлическая схема устройства Отличительными признаками данной модели от представленной ранее являются: расположение датчиков углов наклона, измерительные оси которых расположены перпендикулярно диагональным вертикальным плоскостям платформы; наличие датчиков давления гидравлической жидкости в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндров опор; наличие датчиков положения штоков гидроцилиндров опор; наличие блока аварийной остановки машины [33].

Полезная модель работает следующим образом. Перед началом работы машины оператор на пульте управления переводит тумблер в положение включения устройства, после чего блок включения/выключения 14 подает сигнал в БУ 11 (см. рис. 1.4). В дальнейшем устройство производит все манипуляции с гидроцилиндрами опор 2, 3, 4, 5 в автоматическом режиме. Выполняется выдвижение штоков выносных гидроцилиндров опор 2, 3, 4, 5. После контакта опор с поверхностью происходит вывешивание опорной платформы в горизонтальное положение. Причем опорная платформа выводится в такое положение по высоте (условно «срединное» по запасам ходов штоков гидроцилиндров вверх и вниз), при котором возможна максимальная коррекция углов наклона платформы при последующем возможном ее «сползании» из-за проседания опор. Для этого выполняется непрерывное автоматическое поддержание платформы на заданной высоте, при которой достигается оптимальное сочетание значений запасов ходов штоков гидроцилиндров [33].

БУ 11 получает сигналы с датчиков угла наклона 6 и 7, которые пропорциональны углам наклона платформы по двум диагональным плоскостям. В БУ 11 поступают сигналы с датчиков положения штоков опор 8, эти сигналы пропорциональны положению штоков гидроцилиндров 2, 3, 4, 5. БУ 11 формирует управляющие сигналы для секций электрогидрораспределителя 12, которые управляют положением штоков гидроцилиндров опор 2, 3, 4, 5. В зависимости от положения опор изменяются углы наклона платформы 1 в горизонтальной плоскости.

Датчики давления 9 и 10 подают сигналы в БУ 11, пропорциональные давлениям в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндров 2, 3, 4, 5. Данная информация позволяет судить о степени нагружения каждой из четырех опор. При возникновении аварийной ситуации БУ 11 останавливает рабочее оборудование машины. Для этого предусмотрен блок аварийной остановки 13, который срабатывает при подаче на него сигнала от БУ 11.

Работа ГС устройства осуществляется следующим образом. В нейтральном положении всех секций электрогидрораспределителя поток рабочей жидкости от питающего насоса 19 поступает в гидробак 21 через сливную магистраль с установленным на ней фильтром 20. При подаче сигнала напряжения на одну из секций электрогидрораспределителя 12 происходит перенаправление потока жидкости в одну из рабочих полостей соответствующего гидроцилиндра 2, 3, 4, 5.

В зависимости от полярности сигнала, подаваемого на определенную секцию электрогидрораспределителя, происходит выдвижение или втягивание штока соответствующего гидроцилиндра [33].

Встроенные гидрозамки гидроцилиндров служат для предотвращения аварийной ситуации при возникновении утечек в гидролиниях.

Предохранительный клапан 22 служит для предотвращения аварийной ситуации, связанной с избыточным давлением в гидросистеме при возникновении неисправностей в гидрораспределительном блоке [33].

Использование новых элементов (датчиков давления гидрожидкости в опорах) обеспечивает возможность отслеживать степень нагружения опор и предотвращать аварийные ситуации. Использование новых элементов (датчиков положения штоков опор) обеспечивает возможность поддержания опорной платформы на заданной постоянной либо переменной высоте, позволяет избегать выдвижения штоков на максимальную длину, а также касания колесами машины опорной поверхности. Это повышает запас управляемости углами наклона платформы [33].

Использование по-новому сориентированных (в диагональных вертикальных плоскостях опорной платформы) датчиков угла наклона обеспечивает возможность устранения угла наклона платформы в каждой диагональной вертикальной плоскости 16 независимо (см.

рис. 1.5), причем одновременным выдвижением одной диагональной опоры и втягиванием другой. Кроме того, гидравлическая схема заявляемого устройства в отличие от прототипа допускает приведение в действие одновременно всех четырех гидроцилиндров (см. рис. 1.6).

Это повышает быстродействие устройства и гарантирует автоматическое выравнивание за один этап горизонтирования [33].

1.3. Обзор технических характеристик датчиков угла наклона Инклинометр (датчик наклона) – это датчик, предназначенный для измерения наклона различных статических (строительные объекты и конструкции, крупные механизмы) и, до определенной степени, динамических объектов (подъемные краны, экскаваторы) относительно гравитационного поля Земли. Подобные датчики весьма широко используются при строительстве железных дорог, автомагистралей, мостов, опор крупных генераторов и т.д. При изменении угла наклона пропорционально изменяется сигнал на выходе датчика. Выходной сигнал может быть по току, по напряжению или цифрового типа (RS232 или RS485). Дальнейшая обработка этого сигнала может быть произведена в различного рода измерительных приборах, управляющих системах и т.д. Сам принцип работы инклинометра основан на воздействии гравитационного поля Земли на его чувствительный элемент. Если контролируемый объект не находится в статическом состоянии, то показания датчика являются результатом взаимного воздействия как вектора земной гравитации, так и всех векторов ускорения и вибрации, которые на данный объект воздействуют. Все датчики наклона можно условно разделить на три основные группы: это одноосевые (ось X), двухосевые (оси X и Y) и трехосевые (оси X,Y и Z) датчики.

В настоящее время на рынке широкое распространение получили следующие инклинометры:

1. Инклинометры GNAMG, выпускаемые фирмой «Baumer IVO». Датчики предназначены для двухосевого высокоточного измерения угла наклона. Применение цифрового интерфейса позволяет передавать точные значения угла наклона, производить удаленное конфигурирование, делать предустановки с выдачей управляющего сигнала на исполнительное устройство. Программируемые параметры датчика: разрешение, предустановки, прохождение среднего значения. Измерительный цикл 10 Гц, установка показаний – не более 0,5 с.

Простота монтажа и разнообразие интерфейсов дают возможность использовать эти датчики не только на стационарных, но и на подвижных объектах в таких областях применения, как определение положения высотных сооружений, плотин, стволов шахт, платформ, определение величины прогибов и деформаций опор и балок мостовых и туннельных конструкций, контроль углов наклона автомобильных и железных дорог. Кроме того, решаются такие технически сложные вопросы, как определение крена транспортных средств на суше и на воде, в том числе для строительных и сельскохозяйственных машин. Инклинометры нашли свое применение в судостроении, в нефтедобывающей, перерабатывающей промышленности, в машиностроении, а также в системах безопасности и сигнализации.

2. Инклинометры типа STS-003, выпускаемые фирмой ЗАО «Росприбор». Диапазоны измерения наклона составляют до ± 90°, используются одна или две оси измерения. Характерны высокая точность, высокое разрешение. Выход возможен по току или по напряжению. Датчик компактный, ударопрочный, степень его защиты IP68.

Используется чувствительный элемент на основе пьезокерамики, однако не рекомендуется использовать подобные датчики на объектах с повышенной вибрацией.

3. Датчики угла наклона серии РФ711, выпускаемые фирмой ООО «РИФТЭК». Подобный датчик выполнен по технологии микромеханики и может применяться для измерения углов наклона в системах контроля, управления и навигации.

4. Инклинометры серии NS, выпускаемые фирмой «HLPlanartechnik». Используется кондуктометрическое измерение угла наклона. Особенность этого патентованного принципа измерения состоит в том, что он базируется на измерении объема.

Фирма «HL-Planartechnik GmbH» предлагает данные датчики в нескольких разных исполнениях. Наряду с базовым модулем NSB2 для «Through Hole»-монтажа, оптимизированным для разных диапазонов угла наклона и разной вязкости электролита, предлагается также модуль NS-25/C2 для SMT-монтажа.

Фирма «HL-Planartechnik GmbH» предлагает также датчики угла наклона в виде сенсорных модулей в исполнениях в виде монтажной платы или в керамическом корпусе с интегрированной электроникой.

Эти модули отличаются низким током потребления и легко адаптируемой электроникой. Для работы датчиков необходимо лишь подключить питание, и на выходе появляется сигнал, пропорциональнозависимый от угла наклона.

Сенсорный модуль выходит от изготовителя полностью откалиброванным. Таким образом, при приобретении подобного модуля потребителю предоставляется возможным сразу же встраивать его в свой системный корпус. Модульное исполнение сенсора предполагает его использование в серийном производстве заказчика со средними и большими объемами производства. В распоряжение заказчика предоставляется ряд сенсорных модулей с различными выходными сигналами (интерфейсами), количеством измеряемых координат и конструктивным исполнением. Из этого большого количества можно выбрать оптимально подходящий сенсор для каждого конкретного случая применения.

5. Датчики угла наклона серии SBL1S, выпускаемые фирмой «Seika Mikrosystemtechnik GmbH».

Т а б л и ц а 1.1. Основные характеристики датчиков измерения угла наклона Предел измерения, град.

Время измерения Это датчики угла наклона (0°–1°...0°–360°) с аналоговым и RS интерфейсами компании Seika Mikrosystemtechnik. Компания разрабатывает и производит сенсоры для измерения физических величин, а также электронные и механические компоненты в области сенсорики.

В стандартную программу продуктов компании «Seika Mikrosystemtechnik GmbH» входит серия датчиков угла наклона (инклинометров), предназначенных для решения практически любых задач измерения угла наклона.

Высокостабильные, прецизионные, допускающие работу в широком диапазоне температур, датчики угла наклона, разработанные и выпускаемые фирмой «Seika Mikrosystemtechnik GmbH», являются главным ядром одно- или двухосевых инклинометров.

Датчики угла наклона поставляются также в виде готовой сборки с самыми разнообразными функциями и параметрами. Это могут быть одно- или двухкоординатные инклинометры с цифровым (RS485) или аналоговым интерфейсом, с выходом по току и/или напряжению, с дополнительными функциями: реле наклона, возможностью предустановки заказчиком необходимых границ срабатывания при достижении определенных углов наклона и др.

Внешний вид и основные характеристики датчиков приведены в табл. 1.1. Проведенный анализ показывает, что на сегодняшний день рынок предоставляет огромный выбор датчиков, пригодных для использования в устройствах управления положением платформы строительной машины.

1.4. Анализ математических моделей гидропривода управления положением платформы строительной машины Одной из важнейших составляющих сложной динамической системы управления положением платформы является электрогидравлический привод аутригеров платформы, осуществляющий ее перемещение относительно поверхности, на которую установлена платформа и соответственно изменяющий углы наклона платформы относительно горизонта. Статические и динамические характеристики гидропривода влияют на процесс управления положением платформы и должны быть учтены при проектировании устройства управления платформой строительной машины.

В настоящее время все серийно выпускаемые строительные машины оснащены гидроприводом управления аутригерами. Несмотря на многообразие различных схем гидроприводов, количество гидроэлементов, входящих в них, не так велико: гидронасос, гидроцилиндр, гидродроссель, гидролиния, гидрораспределитель, гидроклапан и др.

[1].

Можно выделить два направления математического описания гидроприводов [1, 6, 7, 22].

Первое направление заключается в представлении 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 [20].

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, постоянная скорость перемещения штоков исполнительных гидроцилиндров в установившемся режиме, переходные процессы разгона и торможения штока гидроцилиндра, то можно выделить следующие характерные стадии переходного процесса [7]:

– чистое запаздывание гп, в течение которого шток находится в покое после включения распределителя;

– стадия разгона р, в течение которой шток разгоняется до номинальной скорости;

– стадия 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 [7]:

где общее время запаздывания гидропривода; K – коэффициент, определяющий скорость перемещения штока гидроцилиндра в установившемся режиме; Tгп – постоянная времени гидропривода, 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 [20, 22, 26].

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 [26].

Динамические свойства многомерных объектов полностью характеризуются их уравнениями движения, связывающими выходные и входные величины объектов. Уравнения составляются на основе законов физики при рассмотрении процессов преобразования и передачи информации [26].

Qн Гидроли- Qл Гидрораспре- Qр Гидроли- Qц ГидроциГидролиндр Рис. 1.7. Блок-схема гидропривода аутригера платформы В работах Г.В. Птицына и Е.Ю. Малиновского математическое описание гидропривода представлено в виде дифференциальных уравнений, описывающих внутренние динамические процессы в гидросистеме [20].

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

На рис. 1.7 представлена блок-схема гидропривода одного из четырех аутригеров платформы, элементами которой являются: гидронасос, гидролинии, электрогидравлический распределитель и гидроцилиндр.

Таким образом, проведенный анализ математического описания гидропривода показал, что элементы гидропривода достаточно хорошо изучены и представлены с теми или иными допущениями в виде передаточных функций или дифференциальных уравнений. Имеющийся математический аппарат может быть использован для достижения поставленной в работе цели.

1.5. Обзор существующих САПР строительных машин Термин «САПР для машиностроения» в нашей стране обычно используют в тех случаях, когда речь идет о пакетах программ, которые в англоязычной терминологии называются CAD/CAM/CAE. Другими словами, это программное обеспечение для автоматизированного проектирования (CAD), подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (CAE). Существуют САПР и для других областей — разработки электронных приборов, строительного проектирования, но они имеют свою специфику [37].

Традиционно продукты САПР для машиностроения разделены на три класса: тяжелый, средний и легкий. Такая классификация сложилась исторически, и хотя уже давно идут разговоры о том, что грани между классами вот-вот сотрутся, они остаются, так как системы попрежнему различаются и по цене, и по функциональным возможностям.

В результате сейчас в этой области имеется несколько мощных систем, своего рода «олигархов» мира САПР, стабильно развивающиеся продукты среднего класса, и получившие массовое распространение недорогие «легкие» программы. Имеется и так называемая «внеклассовая прослойка общества», роль которой выполняют различные специализированные решения [37].

Компьютерная технология призвана не автоматизировать традиционно существующие технологические звенья (так как это обычно не дает какого-либо эффекта, за исключением некоторого изменения условий труда), а принципиально изменить саму технологию проектирования и производства изделий. Только в этом случае можно ожидать существенного сокращения сроков создания изделий, снижения затрат на весь жизненный цикл изделия, повышения качества изделий [37].

Прежде всего, применительно к созданию сложных изделий машиностроения в основе организации компьютерной технологии лежит создание полного электронного макета изделия, так как именно создание трехмерных электронных моделей, адекватных реально проектируемому изделию, открывает колоссальные возможности для создания более качественной продукции (особенно сложной, наукоемкой продукции) в более сжатые сроки.

В идеале в процессе проектирования и производства сложных и многокомпонентных изделий все участвующие в проектировании субъекты должны, работая одновременно и наблюдая работу друг друга, создавать сразу на компьютерах электронные модели деталей, узлов, агрегатов, систем и всего изделия в целом. При этом необходимо одновременно решать задачи концептуального проектирования, всевозможных видов инженерного анализа, моделирования ситуаций, а также компоновки изделия и формирования внешних обводов. Не дожидаясь полного окончания разработки нового изделия, эту информацию следует использовать для технологической подготовки производства и производства как такового. Кроме того, необходимо автоматизированно управлять и всеми создаваемыми данными электронной модели (то есть структурой изделия), и самим процессом создания изделия, и к тому же иметь возможность управлять структурой процесса создания изделия [37].

Для реализации именно компьютерной технологии проектирования и производства должны применяться системы автоматизированного проектирования инженерного анализа и технологической подготовки производства (CAD/CAE/CAM) высшего уровня, а также системы управления проектом (PDM – Product Data Management). Система CAD/CAE/CAM высшего уровня, во-первых, обеспечивает весь цикл создания изделия от концептуальной идеи до реализации, а вовторых, создает проектно-технологическую среду для одновременной работы всех участников создания изделия с единой виртуальной электронной моделью этого изделия [37].

За рубежом эта организационная философия обозначается аббревиатурой CAPE (Concurrent Art-to-Product Environment), что можно перевести как «Единая среда создания изделия от идеи до реализации». По существу, именно то, в какой степени система реализует указанную философию, и определяет уровень системы. Руководствуясь такой концепцией, можно резко сократить цикл создания изделия, повысить технический уровень проектов, избежать нестыковок и ошибок в изготовлении оснастки и самого изделия благодаря тому, что в подобном случае все данные взаимосвязаны и контролируемы.

В настоящее время на рынке осталось лишь три САПР верхнего класса – Unigraphics NX компании EDS, CATIA французской фирмы Dassault Systemes (которая продвигает ее вместе с IBM) и Pro/Engineer от РТС (Parametric Technology Corp.). Ранее мощных системы было больше, но после череды слияний и поглощений компаний число пакетов сократилось [37].

Упомянутые компании – лидеры в области САПР, а их продукты занимают львиную долю рынка. Главная особенность «тяжелых»

САПР – обширные функциональные возможности, высокая производительность и стабильность работы – все это результат длительного развития.

Все названные программы включают средства трехмерного твердотельного и поверхностного моделирования, а также модули структурного анализа и подготовки к производству, т. е. являются интегрированными пакетами CAD/CAM/CAE. Кроме того, все три поставщика предлагают для своих САПР системы управления инженерными данными (PDM), позволяющие управлять всей конструкторскотехнологической документацией и предоставлять дополнительные данные, экспортированные из других корпоративных систем, из справочников и нормативных источников.

В настоящее время к наиболее популярным тяжелым САПР относятся:

1. CATIA, разработана Dassault Systemes. Страна разработки этой САПР – Франция. CATIA V5 – CAD/CAM/CAE-система для описания изделия и его моделирования на разных этапах жизненного цикла.

Появилась эта система в 1998 г. на основе нового ядра CNEXT, содержащего средства как для описания геометрии изделия, так и для описания процессов его создания, с возможностью сохранять и накапливать используемые при этом приемы и методы в виде корпоративных знаний. Идеи PLM заложены в самой основе системы, что позволяет исключительно быстро развивать и наращивать ее функциональность в желаемом направлении. В этом ее основное отличие от программных продуктов других компаний-разработчиков.

2. Pro/Engineer. Это полнофункциональная САПР для разработки изделий любой сложности. Благодаря мощным возможностям автоматизации всех машиностроительных дисциплин, Pro/ENGINEER является общепризнанным 3D решением для моделирования и разработки конкурентоспособных коммерческих изделий. Интегрированные CAD/CAM/CAE решения Pro/ENGINEER позволяют проектировать быстрее, чем когда-либо, максимально способствуя появлению новых идей и повышению качества, что в конечном итоге приводит к созданию выдающихся изделий.

3. Unigraphics NX. CAD/CAE/CAM-система Unigraphics – это система высокого уровня, предназначенная для решения всего комплекса задач, стоящих перед инженерами на всех этапах создания сложных технических изделий (предварительное проектирование, этап инженерного анализа и оптимизации конструкции, изготовление).

В мире САПР средний класс возник позднее двух остальных – в начале 90-х. До этого средствами трехмерного твердотельного моделирования обладали лишь дорогие тяжелые системы, а легкие программы служили для двумерного черчения. Средние САПР заняли промежуточное положение между тяжелым и легким классами, унаследовав от первых трехмерные параметрические возможности, а от вторых – невысокую цену и ориентацию на платформу Windows. Они произвели революционный переворот в мире САПР, открыв небольшим конструкторским организациям путь для перехода от двумерного к трехмерному проектированию [37].

Пионером в области средних САПР стала компания SolidWorks.

В 1993 г. она представила одноименный продукт, обладающий трехмерным геометрическим ядром, который, по утверждению создателей, по возможностям приближался к механизмам твердотельного моделирования тяжелых систем, но стоил гораздо дешевле. Вскоре примеру первопроходца последовала фирма Solid Edge, выпустившая одноименную САПР, а затем и Autodesk. Последняя сначала разработала трехмерную программу Mechanical Desktop на базе двумерной AutoCAD, а затем создала новое программное обеспечение Inventor.

Solid Edge является признанным лидером на рынке 3-мерных CAD-систем среднего уровня. Являясь недорогой системой, Solid Edge основан на том же ядре твердотельного моделирования Parasolid, что и система высшего уровня Unigraphics. Solid Edge применяется во многих отраслях промышленности: машиностроении, судостроении, авиации, нефтепереработке и др.

Помимо этих систем на рынке есть немало других САПР среднего класса, например Think3, Cadkey, Alibre. Есть среди них и российские разработки. Так, компания АСКОН продвигает систему КОМПАС на базе собственного геометрического ядра, а фирма «ТопСистемы» – программу T-Flex на основе ядра Parasolid, принадлежащего UGS. Они также прошли длительный путь развития и обзавелись встроенными средствами поверхностного моделирования, управления документами (PDM), технологической подготовки производства (CAM) и т. д., но при этом стоят существенно дешевле зарубежных аналогов и изначально ориентированы на отечественные стандарты и приемы проектирования [37].

В настоящее время к наиболее популярным средним САПР относятся:

1) ADEM, разработанная группой компаний ADEM. ADEM – программное обеспечение для промышленности и образования. Отечественная интегрированная CAD/CAM/CAPP система ADEM предназначена для автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства;

2) T-Flex, разработанная компанией «Топ-Системы». Компания «Топ-Системы» предлагает полностью интегрированные программные решения CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM для электронного документооборота (PDM), систем автоматизации проектирования (САПР), подготовки производства и управленческой деятельности на предприятии, подготовки программ для станков с ЧПУ;

3) Solid Works, разработанная SolidWorks Corp. SolidWorks – мощное средство проектирования, базирующееся на передовых технологиях гибридного параметрического моделирования, интегрированных средствах электронного документооборота SWR-PDM/Workflow и широком спектре специализированных модулей. Разработчиком SolidWorks является SolidWorks Corp. (США), независимое подразделение холдинга Dassault Systemes (Франция) – мирового лидера в области высокотехнологичного программного обеспечения.

Программы данной категории служат для двумерного черчения, поэтому их обычно называют электронной чертежной доской. К настоящему времени они пополнились некоторыми трехмерными возможностями, но не имеют средств параметрического моделирования, которыми обладают тяжелые и средние САПР [37].

Первая чертежная система Sketchpad была создана еще в начале 60-х годов, а затем появилось немало других продуктов такого рода, использующих достижения компьютерной графики. Однако подлинный расцвет в этой области наступил лишь в 80-е годы с появлением персональных компьютеров.

Пионером в этой области стала компания Autodesk, которая в 1983 г. выпустила САПР для ПК под названием AutoCAD. Autodesk удалось отхватить изрядную долю рынка САПР, вытеснив тяжеловесов из сегмента программ для двумерного черчения. Примеру первопроходца последовали и остальные игроки. В 1984 г. фирма Bently представила программу Microstation, которая стала основным конкурентом AutoCAD’а. Кроме них сейчас существует множество других «легких» САПР, включая DataCAD одноименной компании, TurboCAD фирмы IMSI, SurfCAM от Surfware и другие. Эти продукты проще и дешевле тяжелых и средних САПР, поэтому пользуются спросом. В результате «легкие» системы стали самым распространенным продуктом автоматизации проектирования, своего рода «рабочей лошадкой» мира САПР [37].

В настоящее время к наиболее популярным легким САПР относятся:

1. AutoCAD, разработанная Autodesk. Самая популярная в мире среда автоматизированного проектирования, избранная многими разработчиками в качестве базовой графической платформы для создания машиностроительных, архитектурных, строительных, геодезических программ и систем инженерного анализа.

2. ZVCAD, разработанная ZwCAD Software Inc. ZwCAD, – выбор для архитекторов, инженеров, строителей и других специалистов, работающих в CAD-системах, для которых важно соответствие стандартам, простота и привычность интерфейса AutoCAD, стандартный набор необходимых инструментов в рамках разумного бюджета.

3. Bricscad. Один из лидеров среди альтернативных DWG САПР платформ, предлагает полный набор функций для профессиональных пользователей. Bricscad использует формат DWG и обеспечивает полную совместимость с AutoCAD. Bricscad имеет интуитивно понятный интерфейс и не требует дополнительного обучения.

4. ProgeCAD. Система ProgeCAD 2009 Professional записывает и читает формат DWG от версии AutoCAD 2.5 до версии 2009. Программа предоставляет инструменты Express Tools, встроенную систему трехмерного моделирования физических объектов ACIS (ACIS solid modeling), позволяющую импортировать и редактировать растровые изображения, фотореалистичный рендеринг (визуализацию), печать форматов PDF, DWF, JPG, импортирование PDF в DWG, возможность обработки растровых изображений, импортирование растровых изображений в векторные, библиотеки блоков, объектное отслеживание (Otrack), полярное отслеживание (Polar Tracking).

5. GstarCAD. Базовые функции этой системы: поддержка формата DWG версий AutoCAD от 2.5 до 2009; используются шрифты TTF и SHX; поддержка DWGCODEPAGE; поддержка шаблонов DWT;

восстановление чертежа; резервное копирование; аудит и восстановление чертежа; экспорт DWG в PDF; экспорт в DWF 2D и 3D; редактирование внешних ссылок на месте; менеджер профилей пользователя.

6. InfrasoftCAD. InfrasoftCAD – российская САПР-программа, отличная замена AutoCAD. Система полностью соответствует промышленному стандарту в области САПР. Внутренний формат файлов системы – DWG и DXF – обеспечивает полную совместимость в чтении, редактировании и записи файлов, созданных в AutoCAD версий 2.5BtoCAD. BtoCAD – это полноценная система проектирования, и она может быть широко применена почти во всех отраслях промышленности. Ввиду своей компактности, легкости установки и низких системных требований возможна установка BtoCAD даже на лэптоп. Пользоваться системой легко и комфортно.

8. КОМПАС-3D, разработанная российской компанией АСКОН.

Система КОМПАС-3D позволяет реализовать классический процесс трехмерного параметрического проектирования – от идеи к ассоциативной объемной модели, от модели к конструкторской документации. Основные компоненты КОМПАС-3D – собственно система трехмерного твердотельного моделирования, универсальная система автоматизированного проектирования КОМПАС-График и модуль проектирования спецификаций. Все они легки в освоении, имеют русскоязычные интерфейс и справочную систему.

9. AutoCAD Inventor, разработанная компанией Autodesk.

AutoCAD Inventor Suite – комплекс программного обеспечения для трехмерного проектирования и составления конструкторской документации в области машиностроения. Inventor – это семейство продуктов для промышленного 3D проектирования, включающее в себя средства моделирования, создания инструментальной оснастки и обмена проектными данными. Использование технологии цифровых прототипов (3D-моделей) позволяет создавать изделия более высокого качества за меньшее время.

Проведенный анализ современного рынка программных продуктов для САПР позволил сделать вывод, что на данный момент САПР параметров устройства управления положением платформы строительной машины не разработана.

1.6. Обзор принципов и методов автоматизированного Применение 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 создаваться 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 [5, 6, 8, 18].

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 [5, 6, 8, 18].

Существенным отличием автоматизированного проектирования от неавтоматизированного является возможность замены дорогостоящего и занимающего много времени физического моделирования математическим моделированием. При этом необходимо иметь в виду одно существенное обстоятельство: при проектировании число вариантов необозримо. Поэтому невозможно ставить задачу создания универсальной САПР, необходимо решать вопросы проектирования для конкретного семейства машин [6].

Для создания САПР необходимо [5, 6, 8, 18]:

– 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 стандартизовать методы проектирования;

– реализовывать взаимодействие с автоматизированными системами различного уровня и назначения.

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 наиболее целесообразно исследовать этот процесс на математических моделях [5, 6, 8, 18].

Как уже отмечалось, основной чертой сложных систем принято считать иерархичность структуры. Примером подобного рода может служить задача проектирования сложной системы, такой как система автоматического горизонтирования платформы строительной машины. Такая система состоит из ряда подсистем различного уровня.

На рис. 1.8 приводится одна из возможных классификаций математических моделей процесса проектирования системы управления положением платформы строительной машины [6].

Рис. 1.8. Классификация моделей проектирования Детерминированная модель строится в случаях, когда факторы влияния 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.

Проектирование сложных систем, выполняемое коллективами специалистов, основывается в значительной степени на опыте, интуиции, аналогии и индукции, т.е. 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 [6]. Процесс проектирования сложных систем протекает в условиях неполной информации. С этих позиций процесс проектирования может быть представлен теоретико-игровой моделью [6].

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

Кроме того, эти методы позволяют учитывать «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 [6].

При составлении математической модели следует руководствоваться следующими соображениями [5, 6, 8, 18]:

– модель должна четко отвечать поставленной задаче. Модель не должна быть шире, чем это безусловно 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 [6].

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.

Сущность оптимизации сводится к отысканию при наложенных ограничениях таких значений переменных х1, х2, х3,…, хn, которые дают минимум (максимум) целевой функции [6]:

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) [6].

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.).

Математические методы оптимизации можно классифицировать так, как это показано на рис. 1.9 [5, 6, 8, 18]. Применение аналитических методов всегда предпочтительней 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. На рис. 1. представлена блок-схема алгоритма поиска оптимальных решений для любого метода [6].

Таким образом, проведенный обзор и анализ методов автоматизации проектирования позволил представить методы, средства и подходы к созданию САПР основных параметров устройства управления положением платформы строительной машины.

2. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ ПЛАТФОРМЫ

СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

2.1. Методика теоретических исследований системы управления положением платформы строительной машины Системный подход является общепринятым направлением методологии, определяющим 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 системы управления положением платформы строительной машины [3].

Суть системного подхода состоит в том, что система управления положением платформы строительной машины рассматривается как ограниченное множество элементов, объединенных в единое целое связями. Группы элементов, объединенных одним функционально завершенным агрегатом, будут являться подсистемами. Целостность системы управления положением платформы строительной машины заключается в том, что ее свойства не могут быть поняты и оценены без знания свойств ее подсистем. Иерархичность и структурность системы характеризуется тем, что каждая ее подсистема может рассматриваться, в свою очередь, как система с возможностью ее описания с помощью сети связей. Множество моделей, которыми может быть описана система по различным аспектам, является одним из основных принципов системного подхода. Принцип взаимозависимости определяет рассмотрение свойств системы во взаимосвязи с окружающей средой [3].

Решение задач работы с применением системного анализа представлено следующими этапами [3]:

1) постановка задачи: определение объекта и предмета исследования; определение критерия эффективности для процесса управления положением платформы строительной машины;

2) решение поставленных задач: определение структуры процесса управления положением платформы строительной машины; разбиение системы управления положением платформы строительной машины на подсистемы; составление математических моделей подсистем и общей модели системы управления положением платформы строительной машины;

3) анализ системы: обоснование параметров устройства управления положением платформы строительной машины, влияющих на критерий эффективности, и их границ; анализ полученной математической модели сложной динамической системы управления положением платформы строительной машины; получение численных зависимостей эффективности основных параметров устройства управления положением платформы строительной машины;

4) синтез системы: выявление функциональных зависимостей критерия эффективности от основных параметров устройства управления положением платформы строительной машины; оптимизация основных параметров устройства управления положением платформы строительной машины согласно целевой функции выбранного критерия эффективности; составление инженерной методики расчета оптимальных значений параметров и САПР основных параметров устройства управления положением платформы строительной машины.

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

Составление математической модели проведено путем широко распространенного описания подсистем – при помощи передаточных и статистических функций, а также дифференциальных уравнений, описывающих исследуемые свойства объекта [3].

Математическое моделирование сложной динамической системы управления положением платформы строительной машины проведено на ПЭВМ с процессором Intel Core Duo 1,50 ГГц с объемом ОЗУ 1 ГБ в программном комплексе MATLAB R2009a [4, 27]. 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.

При составлении математической модели системы управления положением платформы строительной машины в данной работе рассматривалась сложная динамическая система, на которую действуют как управляющие, так и возмущающие воздействия, имеющие стохастическую природу. Параметры гидропривода также изменяются во времени, но эти изменения несоизмеримо малы по сравнению с изменениями внешних воздействий, поэтому при моделировании подсистемы гидропривода он представлен системой с фиксированными параметрами [3, 21].

2.2. Методика экспериментальных исследований Комплексный метод исследований предполагает проведение экспериментальных исследований, основными задачами которых являются: подтверждение адекватности математической модели объекта исследования; определение численных значений параметров, входящих в математические модели объекта; подтверждение работоспособности и эффективности технического решения, внедренного в производство [21].

В настоящее время представленные в данной работе механические подсистемы, например, гидропривод, достаточно хорошо изучены и математически описаны. Предшествующими исследователями проведено множество экспериментальных исследований, в результате которых накоплена огромная масса эмпирических данных, что позволяет принять имеющийся математический аппарат.

Предлагаемая математическая модель системы управления положением платформы строительной машины имеет новизну и требует подтверждения своей адекватности. Процесс подтверждения адекватности можно представить следующей последовательностью действий:

1. Проведение натурного эксперимента с целью получения массива экспериментальных данных.

2. Проведение машинного эксперимента при необходимых параметрах и условиях с целью получения теоретических данных.

3. Оценка адекватности математической модели путем сравнения экспериментальных и теоретических данных.

При проведении экспериментальных исследований возможно использование двух методов: активного и пассивного [21].

Пассивный эксперимент предусматривает наблюдение за выходными координатами без вмешательства в процесс функционирования системы. Результаты пассивного эксперимента используются для подтверждения адекватности математических моделей, проверки работоспособности конструкторских разработок, определения эффективности предложенных инженерных решений [21]. Активный эксперимент предусматривает формирование детерминированных воздействий на подсистемы и сложную динамическую систему в целом. Выходные координаты и переходные процессы дают информацию о свойствах объекта [21]. В данной работе целесообразно использовать методологию пассивного эксперимента, в силу того что внешние возмущающие воздействия имеют постоянную природу, а при подтверждении адекватности модели целесообразно формировать постоянное воздействие.

Таким образом, проведенный натурный эксперимент будет служить доказательством части представленной математической модели процесса управления положением платформы строительной машины.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ

ПЛАТФОРМЫ СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Проведение теоретических исследований вновь создаваемой техники невозможно без математического моделирования исследуемого объекта. В настоящее время широко распространено представление математических моделей в виде системы каких-либо уравнений (общих дифференциальных, частных дифференциальных, алгебраических и др.), которые с достаточной степенью точности отражают исследуемые свойства объекта [20].

3.1. Обоснование критерия эффективности процесса управления положением платформы строительной машины Для правильной и безопасной работы строительной машины необходимо выдерживать платформу в горизонтальном положении. Допустимые отклонения угла наклона платформы к горизонту определены в требованиях безопасности при работе строительной машины [34, 35].

где x и y – фактические углы наклона платформы к горизонту по осям X и Y; xдоп и yдоп – максимально допустимые углы наклона платформы к горизонту по осям X и Y.

Рис. 3.1. Определение критерия эффективности На рис. 3.1 схематично показана платформа строительной машины, которая имеет наклон по осям X и Y. Векторная сумма углов наклона x и y будет образовывать результирующий угол наклона z (рис. 3.2). Согласно требованиям безопасности наклон платформы в горизонтальной плоскости для большинства строительных машины должен составлять z 3° [34, 35].

Рассмотрим расчетную схему OB, представленную на рис. 3.2:

Подставим в формулу (3.6) формулы (3.4), (3.5) и (3.7):

Основным требованием к устройству управления платформой строительной машины является точность и быстродействие устройства управления. Таким образом, в качестве критерия эффективности было принято быстродействие устройства управления при обеспечении заданной точности:

при Также необходимо учитывать ограничения, налагаемые на систему управления:

1. Сила нормальной реакции на i-й опоре Ri Rmin:

где pпi и pшi – давление в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра i-й опоры; Sпi, Sшi – площади поршневой и штоковой полостей гидроцилиндра i-й опоры; Rmin – минимальное предельное значение силы реакции на любой из опор (порядка 10 % от расчетной доли веса платформы, приходящейся на один гидроцилиндр) [17].

2. Длина i-й опоры Lmin пред Li Lmax пред.

На рис. 3.3 схематично показаны положения штока гидроцилиндра опоры: Lmin конт – минимальная длина отдельной гидравлической опоры, при которой обеспечивается условие отсутствия касания грунта пневматическими ходовыми элементами машины; Lmax констр – максимальная длина отдельной гидравлической опоры, при которой шток выдвинут на максимально допустимую конструкцией гидроцилиндра длину; Lmin пред – минимальная предельно допустимая длина отдельной опоры в рабочем режиме машины; Lmax пред – максимальная предельно допустимая длина отдельной опоры в рабочем режиме машины [23, 24, 25].

3.2. Структурная схема процесса управления положением На рис. 3.4 представлена блок-схема процесса управления положением платформы строительной машины [10, 11, 29]. Основным элементом системы является устройство управления (УУ). Для включения системы человек-оператор подает управляющий сигнал U1 на УУ.

УУ получает также сигналы U18…U19 с датчиков угла наклона (креномера), которые пропорциональны углам наклона платформы x, y по двум плоскостям.

Рис. 3.4. Блок-схема процесса управления положением платформы Дополнительно на УУ поступают сигналы U10…U13 с датчиков длины выдвижных опор, эти сигналы пропорциональны положению штоков L1...L4 гидроцилиндров аутригеров. УУ формирует управляющие сигналы U2…U9 для электрогидрораспределителей, которые управляют положением штоков гидроцилиндров аутригеров. В зависимости от положения аутригеров изменяются углы наклона платформы в горизонтальной плоскости.

В системе также присутствуют датчики давления, они выдают сигналы U14…U17 для УУ, эти сигналы пропорциональны разности давлений в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндров аутригеров. Данная информация позволяет судить о степени нагружения каждого из четырех аутригеров и при возникновении аварийной ситуации УУ остановит работу строительной машины.

В кабине человека-оператора установлен дисплей-индикатор, на котором отображается информация о текущем состоянии платформы строительной машины. Опорная поверхность характеризуется высотой неровностей под выносными опорами. Предложенная блок-схема процесса управления положением платформы строительной машины необходима для решения задач анализа и синтеза автоматизированных систем горизонтирования платформ строительных и дорожных машин [10, 11, 29].

3.3. Обоснование информационных параметров процесса управления положением платформы строительной машины Основные параметры, необходимые для работы системы управления положением платформы, – это углы наклона по диагональным осям платформы к горизонту x и y. Эти углы задаются нормами безопасности при работе строительной машины [10, 11]. В процессе установки платформы изменяется длина гидравлических опор, что приводит к изменению углов наклона платформы. На рис. 3.5 схематично показана платформа строительной машины.

Цифрами 1, 2, 3, 4 показаны гидравлические опоры платформы (аутригеры); X, X и Y – диагональные оси, по которым измеряются углы наклона платформы относительно горизонта; L1 – начальная длина аутригера 3; L2 – конечная длина аутригера 3; x – изменение угла наклона по диагональной оси X. При выдвижении штока гидроцилиндра аутригера 3 платформа меняет свое пространственное положение (Позиция 1 Позиция 2), это приводит к изменению угла наклона по оси X.

Рис. 3.5. Изменение информационного параметра при изменении Таким образом, для обеспечения требуемого положения платформы необходимо контролировать два информационных параметра – углы наклона относительно горизонта по осям X и Y, т.е. x и y. На рис. 3.6 схематично показан гидроцилиндр опоры 1 платформы строительной машины. L1 – длина выдвижения штока гидроцилиндра опоры; pп1 и pш1 – давления соответственно в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра опоры 1.

Для правильной работы системы необходимо контролировать также положения штоков гидроцилиндров опор 1, 2, 3, 4, т.е. L1, L2, L3, L4 соответственно (см. рис. 3.5). К информационным параметрам относятся давления в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндров опор 1, 2, 3, 4: pп1, pш1; pп2, pш2; pп3, pш3; pп4, pш4 соответственно.

3.4. Ориентация датчиков для измерения угла Проведем анализ действий оператора по выравниванию платформы строительной машины [34]. На рис. 3.7 показана схема поэтапного выравнивания платформы строительной машины при помощи рычагов управления (Р1, Р2, Р3, Р4 – номера рычагов, соответствующие номерам опор, которые обозначены цифрами 1, 2, 3, 4). Рассмотрен вариант, при котором платформа имеет наклон и по оси X, и по оси Y (положение 1).

Рис. 3.7. Схема поэтапного выравнивания платформы строительной машины при помощи рычагов управления Так как оператор не имеет возможности управлять сразу тремя опорами, он вынужден устранять крен сначала по оси Y (т.е. переводить платформу в положение 2, путем подъема 3-й и 4-й опор, воздействуя на рычаги Р3 и Р4, а затем по оси X, поднимая 2-ю и 3-ю опоры при помощи рычагов Р2 и Р3, пока платформа не выровняется (положение 3) [34].

Рассмотрим также процесс выравнивания платформы строительной машины системой автоматического управления [12, 13, 14, 33].

На рис. 3.8 схематично показаны два положения платформы: это рабочее горизонтальное положение 2 и недопустимое положение 1, когда платформа имеет наклон. В положении 1 платформа имеет угол наклона по двум направлениям X и Y, наклон соответствует углам x и y. Для устранения наклона необходимо управление гидравлическими опорами 1, 2, 3, 4.

Оси X и Y расположены по диагоналям платформы. Датчики крена необходимо установить на платформе таким образом, чтобы оси вращения датчиков были параллельны диагоналями платформы. Такое расположение позволяет выравнивать платформу, управляя всеми четырьмя опорами, что положительно сказывается на быстродействии системы [12, 13, 14, 33].

Рис. 3.8. Расположение осей измерения угла наклона Для устранения угла наклона по оси X необходимо поднимать опору 3 и опускать опору 1, а для устранения угла наклона по оси Y – необходимо поднимать опору 2 и опускать опору 4. Достичь наибольшего быстродействия позволяет алгоритм управления сразу четырьмя опорами одновременно. При появлении наклона платформы микропроцессорный контроллер обрабатывает информацию с датчиков угла наклона и по заложенному алгоритму формирует сигналы управления каждой опорой.

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что быстродействие системы будут определять конструктивные особенности гидросистемы управления опорами платформы строительной машины. Расположение осей измерения углов наклона платформы параллельно ее диагоналям существенно облегчает составление алгоритма работы системы. Но т.к. платформа строительной машины, а точнее, точки касания опор платформы образуют прямоугольник, а не квадрат, то оси X и Y перестают быть перпендикулярными, угол между ними становится менее 90°. Фактический угол зависит от конструкции опор и платформы [12, 13, 14, 33].

Для выполнения расчета примем одну из осей за неподвижную (рис. 3.9, ось X), а ось Y будем смещать относительно оси X. При смещении оси, т.е. при изменении угла между X и Y, по оси X показания датчика угла наклона будут совпадать с реальным углом наклона по этой оси, а по оси Y показания будут различаться с реальным углом наклона платформы. Для исправления этих расхождений необходимо определить поправочный коэффициент, на который нужно умножить угол наклона, полученный с датчика наклона по оси X. Коэффициент будет зависеть от угла между осями X и Y.

Рис. 3.10. Угол наклона по датчику крена и фактический угол наклона На рис. 3.9 схематично показано, как смещаются оси координат.

– фактический угол между диагональными осями X и Y; – угол смещения оси Y относительно оси Y'. На рис. 3.10 показано, как меняется реальный угол наклона по оси Y. y – фактический угол наклона платформы по оси Y; yсм – угол, который показывает датчик наклона.

Необходимо вывести зависимость между yсм и y, для этого построим расчетную схему (рис. 3.11).

Исходя из расчетной схемы (см. рис. 3.11) получаем следующие зависимости:

С использованием программы Microsoft Excel получены зависимости угла y от yсм и. На основании этих зависимостей построены графики, представленные на рис. 3.12, 3.13.

Рис. 3.12. График зависимости y от yсм при = 45° Рис. 3.13. График зависимости y от при yсм=10° Рис. 3.14. Экспериментальный макет платформы Для того чтобы подтвердить адекватность полученных зависимостей, был проведен эксперимент.

Рис. 3.15. Экспериментальный макет платформы строительной машины и прибор для измерения угла наклона платформы На рис. 3.14 представлен экспериментальный макет платформы строительной машины. Макет имеет четыре точки опоры с поверхностью. Конструкция опор позволяет регулировать угол наклона платформы в горизонтальной плоскости, данная регулировка производится вращением штока.

Т а б л и ц а 3.1. Значения измерения угла наклона Для измерения угла наклона платформы в горизонтальной плоскости использовался строительный угломер с закрепленным на нем пузырьковым уровнем. На рис. 3.15 показан макет платформы с прибором для измерения угла наклона платформы.

В ходе эксперимента были получены значения угла наклона платформы, измеренные при разных углах установки датчика наклона. Все измеренные значения были сведены в табл. 3.1.

Для того чтобы уменьшить случайную ошибку при измерении, измерения для каждого значения измеряемого параметра повторялись 3 раза. Из рис. 3.16, где представлен график зависимости y от, видно, что теоретическая и практическая кривые совпадают, максимальное значение расхождения теоретических и экспериментальных данных y.абс составляет 0,5°(см. табл. 3.1). Практический эксперимент подтвердил адекватность зависимости, полученной теоретически.

3.5. Алгоритм работы устройства управления положением При вывешивании платформы строительной машины на выносных гидравлических опорах необходимо обеспечить выполнение следующих условий [23, 24]:

1) отрыв всех ходовых элементов (пневмоколес) опорной платформы строительной машины от грунта (рис. 3.17);

2) горизонтирование платформы (обеспечение нулевых углов наклона осей платформы x, y относительно горизонтальной плоскости);

3) предотвращение отрыва выносных опор от грунта (обеспечение определенной минимальной загруженности каждой опоры по силе нормальной реакции со стороны грунта на шток гидроцилиндра).

Кроме того, для повышения управляемости углами наклона платформы предлагается добавить четвертое, дополнительное условие [23, 24]:

4) непрерывное автоматическое поддержание платформы в заданном интервале высот, за счет этого достигается предотвращение ситуации выдвижения штоков на максимальную длину, а также касания колесами машины опорной поверхности, повышается запас управляемости углами наклона платформы.

Рис. 3.17. Опорная платформа строительной машины Реализация алгоритма при помощи бортовой системы автоматического управления строительной машины на базе промышленного микроконтроллера позволяет выполнять полностью в автоматическом режиме вывешивание платформы на выносных, выдвижных или откидных гидравлических опорах, ее горизонтирование, поддержание на заданной высоте в горизонтальном положении во время работы машины.

Рис. 3.18. Функциональная схема алгоритма, реализующего процесс управления При этом предотвращаются ситуации отрыва опор от грунта, выдвижения штоков гидроцилиндров опор на максимальную длину, а также касания колесами машины опорной поверхности. Это повышает запас управляемости углами наклона платформы [23, 24].

Функциональная схема алгоритма, реализующего процесс управления (рис. 3.18), имеет в качестве входов первичные информационные параметры, измеряемые с помощью датчиков: l1, l2, l3, l4 – длины гидравлических опор (гидроцилиндров) от нижней поверхности подпятника гидроцилиндра до плоскости опорной платформы; x, y – углы наклона опорной платформы относительно горизонтальной плоскости, измеренные в двух диагональных вертикальных плоскостях платформы; pп1, pш1, pп2, pш2, pп3, pш3, pп4, pш4 – давления в поршневых и штоковых полостях гидроцилиндров опор 1–4 соответственно (см.

рис. 3.18).

Кроме того, в алгоритме используются следующие константы:

Sп, Sш – площади поршневой и штоковой полостей гидроцилиндра каждой опоры соответственно; – предельная погрешность измерения углов наклона платформы; R – предельная погрешность косвенного измерения силы реакции на любой из опор; Rmin – минимальное предельное значение силы реакции на любой из опор (порядка 10 % от расчетной доли силы веса платформы, приходящейся на один гидроцилиндр); l – предельная погрешность измерения длин опор; lmin конт – минимальная длина отдельной гидравлической опоры, при которой обеспечивается условие отрыва пневматических ходовых элементов машины от грунта; lmax констр – максимальная длина отдельной гидравлической опоры, при которой шток выдвинут на максимально допустимую конструкцией гидроцилиндра длину; lmin пред – минимальная предельно допустимая длина отдельной опоры в рабочем режиме машины; lmax пред – максимальная предельно допустимая длина отдельной опоры в рабочем режиме машины (рис. 3.19).

Внутренними переменными параметрами алгоритма являются:

R1, R2, R3, R4 – силы реакций на опорах 1, 2, 3, 4 соответственно;

lmax 1234 – максимальная из четырех длин гидроцилиндров в текущий момент; lmin 1234 – минимальная из четырех длин гидроцилиндров в текущий момент.

Выходные переменные функциональной схемы с логическими элементами x1, x3, x5, x7 принимают значение 1, что соответствует выдвижению штока гидроцилиндра опор 1, 2, 3, 4 соответственно, значение 0 соответствует отсутствию выдвижения; x2, x4, x6, x8 принимают значение 1, что соответствует втягиванию штока гидроцилиндра опор 1, 2, 3, 4 соответственно, значение 0 соответствует отсутствию втягивания; x9 принимает значение 1, что соответствует сигналу аварийной остановки, и значение 0, соответствующее нормальной работе системы.

На рис. 3.20 приведена блок-схема алгоритма функционирования устройства управления положением платформы строительной машины. Алгоритм однотактный без необходимости хранения данных предыдущих тактов в памяти работает следующим образом. На основе текущих значений первичных информационных параметров рассчитываются силы нормальных реакций на опорах R1, R2, R3, R4, определяются максимальные и минимальные длины lmax 1234 и lmin 1234.

R1, R2, R3, R4 рассчитываются исходя из поршневых и штоковых площадей Sп, Sш гидроцилиндров и давлений в поршневых и штоковых полостях:

lmax 1234 и lmin 1234 определяются на основе текущих значений l1 l2 l3 l4:

Рис. 3.20. Блок-схема алгоритма функционирования устройства управления (начало) Рис. 3.20. Блок-схема алгоритма функционирования Затем полученные по (3.21) – (3.23) значения параметров сравниваются с константами, получаются промежуточные логические переменные со значениями 0 и 1, которые обрабатываются при помощи блоков логических операций. В результате получаются выходные переменные x1… x9, которые также принимают значения 0 и 1.

Блоки логических операций соединены таким образом, чтобы предотвратить возможность одновременного выдвижения и втягивания любой из опор (перекрестные связи), то есть выходные переменные x1 и x2, x3 и x4, x5 и x6, x7 и x8 соответственно не могут одновременно принимать значение, равное 1.

Главным отличительным признаком алгоритма является то, что измерительные оси датчиков наклона расположены перпендикулярно диагональным вертикальным плоскостям платформы. Этим обеспечивается независимое одновременное горизонтирование платформы в двух ее диагональных плоскостях, причем возможно горизонтирование одновременным выдвижением одной диагональной опоры и втягиванием другой, что ускоряет процесс [23, 24].

Алгоритм достаточно прост для реализации и в то же время выполняет все поставленные задачи. Он сохраняет работоспособность, в том числе и при различных значениях скоростей движения штоков гидроцилиндров выносных опор строительной машины, что может иметь место в реальных условиях эксплуатации.

3.6. Математическая модель процесса управления положением 3.6.1. Математическая модель платформы Платформа представляет собой жесткую металлоконструкцию, которая также жестко соединена с гидравлическими аутригерами.

При описании математической модели платформы строительной машины были приняты следующие допущения:

1) конструкция платформы не деформируется и не меняет своих геометрических размеров в процессе работы строительной машины;

2) соединение аутригера с платформой не имеет люфтов.

На рис. 3.21 приведена расчетная схема для определения изменения угла наклона платформы к горизонту в зависимости от длин аутригеров. AB – расстояние между диагональными аутригерами платформы; AD и BC – длины диагональных аутригеров.

Рис. 3.21. Расчетная схема для определения положения платформы Моделируется ситуация провала опоры AD. Опора принимает положение A'D', а диагональ платформы – положение A'B. Отрезок AB находится в горизонтальном положении, затем платформа получает крен, отрезок AB наклоняется к горизонту на угол и занимает положение A'B.

Для устранения угла наклона необходимо компенсировать провал опоры, для этого необходимо определить величину провала DD':

Из формулы (3.24) может быть получено значение угла :

3.6.2. Математическая модель исполнительной части устройства Одной из важнейших составляющих математической модели является электрогидравлический привод аутригеров платформы, осуществляющий ее перемещение относительно поверхности места установки и соответственно изменяющий угол наклона платформы к горизонту. Статические и динамические характеристики гидропривода влияют на процесс управления положением платформы и должны быть учтены при моделировании системы управления [26].

Основные элементы гидропривода строительной машины в настоящее время достаточно хорошо изучены и в зависимости от решаемых задач математически описаны с теми или иными допущениями [2].

Базовые элементы гидропривода описаны системами нелинейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, начальными и граничными условиями, уравнениями существенных нелинейностей, алгебраическими уравнениями связи, наложенными на систему. Уравнения составлены таким образом, чтобы в результате решения получить значения переменных (давлений, расходов, перемещений и т.д.) на входе и выходе.

Для составления расчетной схемы гидросистемы управления целесообразно рассмотреть гидравлическую схему, которая представлена на рис. 3.22. Гидросистема управления состоит из шестеренного насоса постоянной подачи 1, блока четырехсекционного трехпозиционного электрогидрораспределителя 2 (каждый блок на схеме обозначен соответствующей буквой а, б, в, г), четырех исполнительных гидроцилиндров 3 (каждый гидроцилиндр на схеме обозначен соответствующей буквой а, б, в, г, каждый гидроцилиндр снабжен встроенным гидрозамком), фильтра 4, гидробака 5. Также в систему включен предохранительный клапан 6. Все элементы имеют гидравлические соединения.

Рис. 3.22. Схема гидропривода устройства Работа гидропривода устройства управления осуществляется следующим образом. В нейтральном положении всех секций распределителя 2 поток рабочей жидкости от питающего насоса 1 поступает в гидробак через сливную магистраль с установленным на ней фильтром 5. При подаче сигнала напряжения на одну из секций электрогидрораспределителя происходит перенаправление потока жидкости в одну из рабочих полостей соответствующего гидроцилиндра. В зависимости от полярности сигнала, подаваемого на электрогидрораспределитель 2, происходит выдвижение или втягивание штока гидроцилиндра 3.

Встроенные гидрозамки служат для предотвращения аварийной ситуации при возникновении утечек в гидролиниях. Предохранительный клапан 6 служит для предотвращения аварийной ситуации, связанной с избыточным давлением в гидросистеме, при возникновении неисправности в гидрораспределительном блоке.

На основе рассмотренной гидравлической схемы составлена расчетная схема, которая приведена на рис. 3.23. Т.к. всю гидросхему, представленную на рис. 3.22, можно условно разделить на четыре одинаковых контура, каждый из которых управляет отдельным гидроцилиндром, то расчетная схема представлена для одного из контуров.

Рис. 3.23. Расчетная схема гидропривода устройства На схеме приняты следующие обозначения (см. рис. 3.23): Qн – подача на выходе из питающего насоса и на входе в гидролинию, соединяющую насос с гидрораспределителем; Qлин – расход на выходе из гидролинии и на входе в гидрораспределитель; Qраспр – расход на выходе из гидрораспределителя и на входе в гидролинию; Qцил – расход на выходе из гидролинии и на входе в гидроцилиндр; Qцс – расход на выходе из гидроцилиндра и на входе в гидролинию; Qлс – расход на выходе из сливной гидролинии цилиндра и на входе в сливную линию распределителя; Qc – расход на выходе из сливной линии распределителя и на входе в сливную линию гидробака; Rцил – усилие, приложенное к штоку исполнительного гидроцилиндра, обусловленное силами сопротивления подъему массы платформы; xцил – перемещение штока исполнительного гидроцилиндра; pн – давление питающего насоса;

pлин – давление на входе в гидрораспределитель и на выходе из гидролинии; pрасп – давление на входе в гидролинию и на выходе из гидрораспределителя; pцил – давление на входе в исполнительный гидроцилиндр и на выходе из гидролинии; pцс – давление на входе в сливную гидролинию цилиндра и на выходе из гидроцилиндра; pлс – давление на выходе из сливной гидролинии цилиндра и на входе в сливную линию распределителя; pc – давление на выходе из сливной линии распределителя и на входе в сливную линию гидробака.

Рис. 3.24. Блок-схема гидропривода устройства управления положением На основе расчетной схемы была сформирована блок-схема гидросистемы. Блок-схема представляет собой совокупность блоков и связей, которые соответствуют элементам и связям расчетной схемы.