автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Метод управления динамическими процессами при загрузке карьерных автосамосвалов

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Уральская государственная горно-геологическая академия

На правах рукописи

Чернильцев Андрей Германович

Метод управления динамическими процессами при загрузке карьерных автосамосвалов

Специальность 05.13.07 "Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 19Э4

Уральской государственной горно-геологической академии, Институте переподготовки кадров Уральского государственного технического университета

- доктор технических наук, профессор Дергунов Н.П.

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Троп А.Е.

кандидат технических наук, доцент Сулейманов Р.Я.

Ведущее предприятие: Институт горного дела Госкомитета РФ по металлургии (г.Екатеринбург)

Защита состоится 29 июня 1994 г. в часов на заседании диссертационного совета

Д 063.03.01 в Уральской государственной горно-геологической академии по адресу: 620219 г.Екатеринбург, ул.КуйОышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральской государственной горно-геологической академии

Автореферат разослан 1994 г.

Работа выполнена в

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

.Б.Прокофьев

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

В горной промышленности осуществляется повсеместный переход на крупных и средних карьерах от автосамосвалов грузоподъемностью 27... 40 т к автосамосвалам нового поколения грузоподъемностью 75...180 т, а в дальнейшем предполагается применение автосамосвалов еще большей грузоподъемности - до 250...350 т.

Для увеличения производительности экскаваторно-автомобиль-ных комплексов стремятся использовать экскаваторы с большой вместимостью ковша (8, 12.5, 16, 20 м3). Однако при падении с высоты отдельных глыб, порций или рядовой горной массы возникают большие динамические нагрузки на кузов, раму, рессоры, шины, вследствие чего отдельные элементы этих конструкций могут разрушаться. Особенно больше нагрузки испытывает шины: при допустимой нагрузке 210 кН на шины типоразмера 24.00-49 фактически в период загрузки наибольшая сила реакции передних шин достигает 583 кН, задних -42в кН. В более тяжелом режиме работают передние шины автосамосвала.

Кроме этого, затраты на восстановление и ремонт шин автосамосвалов составляют в себестоимости перевозок горной массы 25...ЗОЖ, в то время как затраты на техническое обслуживание и текущий ремонт агрегатов, узлов и систем не превышают 15Ж.

Поэтому исследование динамики ударного колебательного процесса, возникающего при загрузке карьерного автосамосвала, представляется актуальной задачей.

Представленная работа проводится в рамках научно-технической программы 026 "Вычислительная техника", раздел 0.80.03 "Создать новые и развить действующие системы автоматизированного проектирования (САПР) в народном хозяйства (автоматизация исследований)", утвержденной постановлением ГКНТ.

Основные исследования были выполнены автором на кафедре информатики УГИ и на кафедре вычислительной техники и информатики ИПК УГТУ. Работа выполнена под руководством профессора, д.т.н., лауреата Ленинской премии Дергунова Н.П.

Объект исследования.

Пневмогидравлическая подвеска большегрузного карьерного автосамосвала.

Цель работы.

Улучшение динамических и статических характеристик карьерных автосамосвалов за счет управляемой гидроактивной подвески.

Основная идея работы.

На основе математического моделирования в работе исследуются динамические процессы, возникающие при загрузке существующих карьерных автосамосвалов, затем с помощью управляемой гидроактивной подвески эти процессы изменяются до оптимальных.

Теоретическая база исследований.

Системный анализ, математическое моделирование, теория автоматического управления, математические метода оптимального управления, вычислительный эксперимент, методы математической статистики.

Научные положения, защищаемые в работе.

1. Показано, что за счет совершенствования статических и динамических характеристик автосамосвала при его загрузке возможно улучшить эффективность работы большегрузного автосамосвала в карьере.

2. Установлено, что применение гидроактивной управляемой подвески в значительной степени улучшает динамические и статические характеристики процесса загрузки автосамосвала (уменьшение максимального прогиба рессор и шин, снижение колебательности процесса, уменьшение нагрукенности деталей и шин при загрузке).

3. Синтезированный алгоритм системы управления подвеской в режиме загрузки большегрузного карьерного автосамосвала позволяет обеспечивать близкие к оптимальным характеристики процесса загрузки.

Достоверность научных положений подтверждается адекватностью разработанной математической модели самосвала и результатов вычислительных экспериментов с синтезированной системой управления.

Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель автосамосвала, позволя-одая моделировать динамические процессы автосамосвала в различных режимах эксплуатации. Модель включает математическое описание пневмогидравлического устройства; возмущений, действующих на автосамосвал со стороны дорожного покрытия, а также возмущений, возникающих при маневре, разгоне и торможении; системные оценки работы автосамосвала. Для исследования динамики в отдельных реки-

мах эксплуатации созданы дополнительные модели автосамосвала, которые могут использоваться для оперативного управления в . процессе реального функционирования и полунатурного моделирования.

2. На основе результатов моделирования синтезирована система автоматического управления сервоприводом подвески, обеспечивающая задаваемые значения управляющих сил с необходимой точностью и достаточным быстродействием в условиях интенсивных колебаний автосамосвалв.

3. Предложена методика синтеза алгоритма управления активной подвеской автосамосвала по заданным требованиям к характеристикам процесса загрузки автосамосвала для различных условий погрузки.

Практическая ценность работы.

1. В работе предложены конкретные алгоритмы гидроактивной системы управления; они могут быть использованы для реализации в бортовом вычислительном устройстве.

2. На основе предложенной математической модели автосамосвала разработано программное обеспечение, позволяющее исследователю анализировать и проектировать динамические характеристики, выбирать оптимальные режимы работы автосамосвала в эффективном диалоговом режиме с развитой визуализацией, осуществлять варьирование конструктивных и эксплуатационных параметров, исследовать различные режимы эксплуатации автосамосвала: загрузка, маневр, торможение-разгон, движение по неровной дороге.

3. В работе использовались современный инструментарий и методика моделирования (матричная лаборатория PC-MATIAB), дружественный интерфейс и визуализация результатов расчетов.

Апробация работа.

Основные результаты были доложены и представлены на I Всесоюзном горном съезде (УГИ им.В.В.Вахрушева, Свердловск, 1992), на презентации Международного центра дистанционного обучения фирмы IBM (УГТУ-У1Ш им.С.М.Кирова, Свердловск, 1992), а также на научных семинарах кафедры информатики УГИ им.В.В.Вахруиэва и кафедры вычислительной техники и информатики МИПК УГТУ-УШ им.С.М.Кирова и опубликованы в научной печати.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка датируемой литературы и приложения. Она изложена на 143 страницах машинописного текста, включая 35 рисунков, 6 таблиц и библиографический список, содержащий 77 ссылок на публикации отечественных и зарубежных авторов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность теш работы, сформулирована цель работы, указаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дан анализ современного состояния эксплуатации карьерных автосамосвалов, способов улучшения динамических и статических характеристик большегрузных автосамосвалов с помощью систем управления подвеской, поставлены задачи исследования объекта.

Опыт проектирования и эксплуатации карьерных автосамосвалов . показывает, что основные конструктивные параметры автосамосвалов, выбор типа подвески, трансмиссии и других систем, а также основные технико-экономические показатели зависят от условий эксплуатации автомобилей. Соответствие конструктивных параметров автосамосвалов эксплуатационным условиям влияет на экономичность этих машин, которая определяется производительностью и затратами на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт.

Для увеличения производительности экскаваторно-автомобиль-ных комплексов стремятся использовать экскаваторы с большой вместимостью ковша. Однако при падении с высоты отдельных глыб, порций или рядовой горной массы возникают большие динамические нагрузки на кузов, раму, рессоры, шиш, вследствие чего отдельные элементы этих конструкций могут разрушаться.

Большие нагрузки как при движении, так и при загрузке могут быть снижены за счет уменьшения колебательности процессов путем управления гашением колебаний с помощью регулируемой подвески, в результате чего будут улучшены динамические и статические характеристики автосамосвала. Перспективным направлением совершенствования пневмогидравлических подвесок авгосамосвалов является применение систем автоматического регулирования подвески.

Для оштного образца 75-тонного автосамосвала разработана система электропневматического регулирования подвески, для 120-тонного автопоезда БелАЗ разработана закрытая бескомпрессорная система регулирования с пневматическим регулятором положения кузова. Однако в серийных образцах такие подвески не применяются из-за недостаточного быстродействия.

Выполненные исследования подтверждают возможность применения для снижения значительных нагрузок, возникающих при загрузке карьерного автосвмосвала, гидроактивной системы автоматического регулирования подвески.

Во второй главе разрабатывается математическое описание элементов автосамосвала, необходимое для решения задачи моделирования динамических процессов в различных режимах эксплуатации автосамосвала.

При построении математической модели автосамосвала использована математическая модель, предложенная Кулешовым A.A., которая расширена за счет.введения следующих принципиальных дополнений, обусловленных целью исследования.

1. Предложено математическое описание пневмогидравлического устройства (ПГУ). При синтезе активной подвески нас интересует динамика процессов в самих рессорах, так как управление этими процессами открывает большие возможности по улучшению их качества. Таким образом, нам необходимо не уточнить усилия и параметры подвески, а изменить их коренным образом. В связи с этим следует с максимальной точностью произвести математическое описание процессов в пневмогидравлической рессоре, которая устанавливается на всех разновидностях карьерных самосвалов БелАЗ.

2. Рассматриваются возмущения, действующие на автосамосвал от падающего груза, имеющего заданный фракционный состав, и со стороны дорожного покрытая, а также возмущения, возникающие при маневре, разгоне и торможении.

3. Включены системные оценки работы автосамосвала.

Уравнения движения автосамосвала рассматриваются в виде

Y = f(Y, Fa, Рв. Q),

где Y=(Y1.....Y14+2n) - вектор-функция состояния системы, причем,

Y1,Y3,Y5,Y7 - вертикальные перемещения масс двух передних и двух задних колес; Y2,Y4,Y6,Y8 - скорости соответствующих вертикальных перемещений масс колес; Yg.Y^ - углы поворота кузова в попереч-

ной и продольной плоскостях; Y1Q,Y1g - скорости соответствукщих углов поворота кузова; Y13 - вертикальное перемещение кузова; Y1д - скорость вертикального перемещения кузова; Y13+2n - вертикальное перемещение груза номера п; Ч]Л+гп - скорость вертикального перемещения груза номера я; Fa=(P^,...,1^) - вектор-функция управления активной подвески, причем Р* - управляющие силы, создаваемые активной подвеской; i,B=(I,Tp.i'M)- вектор-функция возмущения, действующего на кузов (торможение-разгон, маневр); Q=(g1,..,q4) -вектор-функция возмущения, действующего на колеса со стороны дорожного покрытия.

Для численного решения разработана программа на языке пакета PC-MATLAB для персонального компьютера IBM PC/AT. В алгоритме решения применяется метод Рунге-Нутта-Фельберга.

Во второй главе проводится системный анализ: исследуется характер и величина изменения эффективности работы автосамосвала с предлагаемым типом подвески в зависимости от его основных параметров. При этом предлагается использовать некоторые модели методики нормирования и планирования производительности карьерного автотранспорта, разработанной в Институте горного дела.

Из числа основных параметров, определяющих эффективность, в первую очередь следует рассмотреть продолжительность погрузки автосамосвала и влияние на нее предлагаемой активной подвески. Активная система подвески при использовании в процессе загрузки куска большей массы позволит сохранить максимальные прогибы подвески при загрузке такими, какими они были при использовании существующей подвески и куска меньшей массы (рис. 1). Графики получены на модели для разных масс груза (5, 10, 15, 20 т).

Применение большего ковша для загрузки автосамосвала повышает вероятность того, что в ковше окажется крупногабаритный кусок порода и, следовательно, вероятность максимального прогиба подвески. Использование активной подвески позволяет сохранить значение вероятности максимального прогиба при загрузке автосамосвала большим ковшом на том же уровне, что и при загрузке меньшим ковшом. Таким образом, при загрузке большим ковшом сохраняется прежний уровень надежности элементов подвески.

Использование большего ковша сократит количество циклов экскавации для полной загрузки автосамосвала и соответственно уменьшит продолжительность загрузки 8втосамосвала. На рис. 2

0.4

0.35

£ 0.3

и 0.25 о

а с

0.15

0.1

Рис. 1. Зависимость максимального прогиба подвески от массы груза: 1 - существующая подвеска; 2 - активная подвеска.

| Л

! и 1 ¿Е.....................

.............[......... 2г "УГ 7

V

5 10 15 20

т (масса груза), г

Ь (прогиб), и

Рис. 2. Зависимость продолжительности погрузки от максимального прогиба подвески: 1 - существующая подвеска; 2 - активная подвеска.

приведены зависимости продолжительности погрузки от величины максимального прогиба подвески для разных типов подвески. Графики получены на основе предыдущих результатов (моделирование процесса загрузки разных масс) и по формулам расчета продолжительности погрузки, приведенным в методике, а также по соотношениям массы крупногабаритных кусков и вместимости ковша экскаватора.

На основании анализа взаимодействия автосамосвала и экскаваторов в пунктах погрузки и зависимостей изменения характеристик взаимодействия в различных горнотехнических условиях установлено, что существенным резервом увеличения производительности (на 1425%) автосамосвалов грузоподъемностью 75, 110 и 180 т является внедрение на желэзнорудных карьерах экскаваторов ЭКГ-12,5 (12,5 мэ) и ЭКГ-20 (16 м3) вместо ЭКГ-8И (8м3).

В результате исследований эффективности работы автосамосвала от параметров подвески установлен вид заданного оптимального (желаемого) процесса вертикального перемещения кузова большегрузного автосамосвала при загрузке (значение максимального прогиба подрессоренной массы (кузова) уменьшается в 1.5 раза, колебательный процесс заменяется монотонным процессом подхода кузова к установившемуся состоянию за время 1.5-2 с).

В третьей главе описываются специальные математические модели автосамосвала, которые предназначены для решения следующих задач: анализа динамических и статических характеристик автосамосвала; синтеза оптимальной системы управления подвеской автосамосвала; применения в системах управления с моделью; расчета системных характеристик автосамосвала; контроля решения, полученного при использовании общей математической модели.

Приводится описание системы автоматического регулирования подвески автосвмосвала (активная подвеска). Пассивная подвеска, которая применяется на существующих самосвалах, имеет ограниченные возможности по улучшению динамических и статических характеристик автосамосвалов, особенно при смене режима работы автосамосвала. Активная подвеска отличается от пассивной тем, что дроссель в поршне амортизатора ликвидируется, а давление в полости получившегося гидроцилиндра регулируется с помощью электрогидравлического усилителя (ЭГУ). Рассматриваются следующие режимы работы активной подвески: загрузка автосамосвала; возмущения, действующие на автосамосвал со стороны дорожного покрытия; возмущения.

С.£Дх)<

Ч

ДПА)-

3 Г У

А п

•ргпах

3 Гэгу

Ч

77777

А С

Смена

режимов

райоты

М П У

Датчики состояния

Г

6

ЛЛ1

Рис. 3. Структурная схема активной подвески:

ЗГУ - элентрогидравлический усилитель; АС - аналоговая система управления; МПУ - микропроцессорное устройство; ДПД - датчик перепада давления; - рабочее давление

возникающие при маневре, разгоне и торможении.

На рис. 3 изображена структурная схема активной подвески. По информации о статическом и динамическом состояниях автосамосвала и в соответствии с заданным режимом работы в микропроцессорном устройстве (МПУ) вырабатывается сигнал, соответствующий силе Т^ между кузовом и колесом. Информация о статическом и динамическом состояниях автосамосвала обеспечивается следующими датчиками: 1 - датчик перепада давления (ДПД) в полостях гидроцилиндра типа ДЦ-6; 2 - датчик линейного перемещения штока (прогиб подвески) ДП-3; 3 - датчик ускорения колеса (акселерометр) ДУ-5. Датчики разработаны в Институте горного дела. К обеим полостям гидродалиндра через трубопроводы, между которыми включен датчик перепада давления, подключено золотниковое устройство, являющееся основным элементом электрогидравлического усилителя.

Система гидрообеспечения выполнена в виде трубопроводов, связывающих золотниковое устройство с баком рабочей жидкости 8 через сливной трубопровод и через трубопровод высокого давления, имеющий гидронасос 7, автомат разгрузки б, обратный клапан 5 и гидроаккумулятор 4. Гидронасос создает рабочее давление гидропривода Р™®*. Бак 8 по линии низкого давления связан с автоматом разгрузки б. Аналоговая система управления (АС) предназначена для стабилизации ? по сигналам обратной связи от датчика перепада давления (ДПД).

Структурная схема математической модели самосвала о активной подвеской изображена на рис. 4, где пц - приведенное значение неподрессоренной массы (колесо); ш2 - приведенное значение подрессоренной массы (кузов); Рвозы - возмущающее усилие на ш2; -возмущающее усилие на т1 от дороги; ?упр - управляющее усилие гидроцилиндра;Г - упругая составляющая силы в гидроцилиндре;Р -

"ЭС •• «а "

сила в гидроцилиндре; х1 - ускорение т1; х2 - ускорение т2; Дх -прогиб подвески; Дх - скорость прогиба подвески; К1 ,С1 - коэффициент демпфирования и жесткость упругой связи между т1 и дорогой.

Модель является нелинейной, так как упругая составляющая Р(Дх,Дх) нелинейно зависит от прогиба кх упругого элемента и от скорости прогиба Дх.

Исполнительная часть системы управления приведена на рис. 5. На ее вход из системы управления поступает заданный (требуемый) на каждый момент времени перепад давления в полостях гидроцилинд-

1

Шз ,

Гидроп^:

1ИВОД

Лх

упр

Пневморессора ДХ

Р(Ах.Ах)

Состояние системы I

МП система управления

1

Л

-Ах

•К,

т.

? = о, ч + к, я

Рис. 4. Структурная схема математической модели автосамосвала с активной подвеской

1/Б

К

длд

Кэгу

Ах

ртах эгу- Л кз 7Г

ц «о

Кд (Ах)' (О + 0оГ

Р(Ах,б)

упр

Рис. 5. Структурная схема исполнительной часта системы управления

1

ра. Обозначения на рисунке: Б - площадь вытеснителя; Км - масштабный коэффициент; коэффициент КЛ=Зг7/((л.21^), где ц - коэффициент расхода: ц = О,95...О,96, 10- размер проходного окна по длине окружности гильзы золотника, £ - ускорение силы тяжести, 7 -объемный вес рабочей жидкости (для веретенного масла у = 8800 Н/м); Кэгу - коэффициент усиления гидроусилителя; и - входной электрический сигнал; в - перемещение золотника; Р™^ - рабочее давление гидропривода; ©о=0,1 - линейная зона ЗГУ.

При неподвижном штоке гидроцилиндра (Дх=0) давление в одной из полостей гидроцилиндра линейно зависит от перемещения золотника. Линейность характеристики в диапазоне -0,1 б обеспечивается выбором формы дросселирующих щелей. В этом диапазоне статическое давление Рст = К3б.

Зависимость перепада давления в полостях исполнительного гидроцилиндра Р(Ах,<5) от скорости перемещения штока (Ах^О) определяется из обобщенной гидравлической характеристики гидрораспределителя.

Для исследования быстродействия и точности отработки сервот приводом заданного перепада давления разработаны программы, реализующие описанную выше математическую модель.

В настоящей работе система управления подвеской автосамосвала синтезируется только в одном режиме его эксплуатации -режиме загрузки. Находятся оптимальные управления для различных условий загрузки (высота падения груза от 2 до 4 м, масса груза от 5 до 15 т). В качестве управления принимается перепад давления в полостях гидроцилиндра (зависимость силы от времени в пневмо-гидравлическом устройстве). Функцию управления можно выбирать в процессе проектирования параметров подвески автосамосвала по следующим критериям.

1. Известны некоторые параметры модели автосамосвала (подрессоренная и неподрессоренные массы, упругая характеристика ПТУ, допустимое давление в ПТУ). Требуется определить минимальное усилие, развиваемое ПТУ для допустимого (из условий износоустойчивости шин и элементов подвески) процесса загрузки. Такая постановка целесообразна при проектировании новой подвески автосамосвала .

2. Известны конструктивные параметры подвески. Требуется обеспечить минимальный прогиб рессор и шин при заданном графике

подхода кузова к установившемуся состоянию под нагрузкой. Такая постановка возможна при модернизации существующей подвески автосамосвала .

В работе для решения задачи оптимизации управления активной подвеской применяется второй критерий и численный метод оптимизации - метод деформируемого многогранника (метод Нелдера-Мида).

Схема алгоритма оптимизации изображена на рис. 6. Обозначения на рисунке: Z=Z(t) - заданный (требуемый) переходный процесс перемещения кузова при загрузке; Х2=Х2(г) - перемещение массы кузова автосамосвала при загрузке; к - вектор параметров управления.

Заданный оптимальный переходный процесс подхода кузова к установившемуся состоянию формируется на основе системных исследований, проведенных во второй главе. Этим условиям удовлетворяет процесс, изображенный на рис. 8 (график 2) с математическим описанием

.где а1 - установившееся значение перемещения кузова; а2, ф выбираются такими, чтобы обеспечить указанные выше условия.

Класс функций управления в оптимальных системах, наиболее полно реализующих ограничения на управление, как известно, является классом кусочно-непрерывных функций. Основными массами, определяющими процесс загрузки, являются масса кузова и масса колес автосамосвала. Таким образом, функция управления такой системой в соответствии с теоремой об п интервалах А.А.Фельдбаума должна иметь три переключения (рис. 7). В этом случае параметрами для определения вектора управления в численной процедуре оптимизации будут элементы вектора-столбца

т) =

ъгИ), х < г0,

а1 + а^.е-^

т?

А.

Итак, оптимизация для определенных условий загрузки автосамосвала (высота падения и масса груза) состоит в том, чтобы определить такой вектор управления К, который на отрезке времени от t=t0 до t=T обеспечит минимальное значение функционала:

г

J = / P(í)[X.(t)-z(í)]2 (1)

*о

где функция рш - весовая функция.

Последовательность операций в алгоритме оптимизации, изображенного на рис. 6, следующая.

1. Задаются исходные данные: параметры груза (масса, время начала падения) в математической модели автосамосвала; коэффициенты а1, а2, ср для определения графика гш заданного процесса подхода кузова к установившемуся состоянию; в качестве начального приближения берется вектор к0 для вектора управления X.

2. Для вектора управления Л,0 интегрируется система дифференциальных уравнений на участке от t=t0 до 1;=Т. В качестве численного метода решения используется метод Рунге-Кутта-Фельберга. Результатом решения является вектор-функция состояния системы Х(г)=(Х1(1),...,Х (г)). Здесь фазовая координата Х2(1;) - перемещение массы кузова автосамосвала при загрузке.

3. Вычисляется функционал (1). Новое управление А-1 =Л.0+АА. строится таким образом, чтобы выполнялось условие сДЛ^) < ЛХ0). Вычисление коррекций АЛ, выполняется с помощью процедуры, использующей метод Нелдера-Мида.

4. Выполняются шаги 2,3 на итерациях /=1,2,... при управлении \ и соблюдении начальных условий Х0- Данная процедура продолжается до тех пор, пока отличие итераций по функционалу (1) не будет менее заданной величины точности.

5. Изменяются исходные данные (параметры груза и условия загрузки в математической модели и начальных условиях) и выполняются шаги 2-4.

Таким образом, на основе моделирования управляемого динамического объекта (автосамосвала) в режиме загрузки для каждого из исследуемых вариантов загрузки находятся оптимальные по заданному критерию качества (функционал (1)) законы управления в виде векторов управления X.

Результаты расчета по описанному алгоритму для определенных

Рис. 6. Алгоритм оптимизации

Ч

У4

У2

Рис. 7. Функция управления

условий загрузки (еысотз падения груза 3 м, масса груза 10 т) приведены на рис. 8. На рисунке изображены: 1 - график вертикального перемещения кузова автосамосвала с существующей системой подвески; 2 - заданный оптимальный переходный процесс вертикального перемещения кузова; 3 - график вертикального перемещения кузова, полученный при оптимальном управлении; 4 - график вертикального перемещения кузова автосамосвала с активной системой подвески, реализующей квазиоптимальный алгоритм управления, который аппроксимирует оптимальные управления по всей области управляемости следующим алгоритмом управления:

О , 0<К1,

-Р ■ (Т-а-Тп)}/Т , Тп г £ Тп+Т , если (у/Т - у) < О,

? (г)= т ° 0 0

у Р •(Т-(г-Тл))/Т , « г $ Тп+Т , если (у/Т - у) > о,

ш и и и

О , X > т0+т,

где Т - заданное время подхода кузова к установившемуся состоянию; Т0 - время включения системы управления; у, у - вертикальное перемещение и скорость вертикального перемещения кузова; Рт -максимальная сила, развиваемая ПГУ; Ру - сила управляющего воздействия гидроцилиндра.

Отличие процесса загрузки, полученного с системой управления, от оптимального процесса для всего множества исследованных условий загрузки не превышает 5£ от максимального значения прогиба.

В четвертой главе приводятся результаты вычислительных экспериментов. Для проверки адекватности разработанной математической модели автосамосвала проведено сравнение вычислительного эксперимента на этой модели с реальным процессом наезда автосамосвала БелАЗ-75191 на единичную ступенчатую неровность.

Отличие экспериментальных и теоретических данных не превышает 5%, что подтверждает правильность построения математической модели автосамосвала.

На рис. 9,10 приведены результаты моделирования процесса загрузки автосамосвала одним грузом массой Ют, падащим с высоты 3 м в точку днища кузова, расположенную над центром задней подвески. Высота падающего груза и статические поджатая масс

-0. 015 -0. 02 ■0. 025 -О. 03 0, 035 -0. 04 0. 045 -0. ОБ Э. 055

О

Ад / \л ------------------------------------------—

I К/ / \_

\ у^к

\ /

0. 5

Рис. 8. Перемещение подрессоренной массы (м) для условий загрузки (высота падения груза 3 м, масса груза Ют): 1 - график вертикального перемещения кузова автосамосвала с существующей системой подвески; 2■ - заданный оптимальный процесс вертикального перемещения кузова; 3-график вертикального перемещения кузова, полученный при оптимальном управлении;4 - график вертикального перемещения кузова автосамосвала с активной системой подвески, реализующей алгоритм управления.

задавались начальными условиями. Моделирование процесса загрузки проведено для автосамосвала с существующей и активной системами подвесок. На рис. 9,10 приводится график вертикального перемещения подрессоренной массы в точках соединения соответственно с передней и задней подвесками (1 - существующие передняя и задняя подвески, 2 - активные передняя и задняя подвески).

Из сравнения процесса загрузки существующего автосамосвала куском массой 5 т с процессом загрузки куска горной массы весом 10 т при использовании активной подвески видно, что суммарные деформации шины в обоих случаях отличаются незначительно. Отсюда следует вывод о возможности" значительного уменьшения скорости износа шин карьерных автосамосвалов, которая, как известно, зависит в первую очередь от динамики загрузки.

Для карьерного автомобиля профессором А.И.Бороховичэм установлено, что скорость убыли протектора шины по толщине линейно зависит от показателя:

[ 1 + чЛнв/ г ядоп ] , где - масса максимального куска горной массы, падающей -в кузов автомобиля; Нк - число кусков горной массы; Нв - высота падения куска горной массы; Г - грузоподъемность автомобиля;Ьдоп-допустимая величина деформации шиш по ее радиусу.

Для рассмотренного сравнительного моделирования ЧКИК= 10 т, Нв = з м, Г = 100 т и Пдоп = 0,3 м. В этом случае показатель А.И.Бороховича равен 2. Снижение в 2 раза (5 т вместо 10 т) уменьшает показатель и соответственно скорость износа шины в 1,33 раза.

В работе линеаризация существенных нелинейностей гидропривода не применяется, так как при использовании активной подвески требуется высокое быстродействие привода при отработке ударных возмущений (падение больших кусков порода, наезд автосамосвала на уступ). Кроме того, схема работы исполнительной части активной подвески значительно сложнее, чем схема работы гидропривода в обычном режиме. Вместо отработки заданного положения привода рассматриваемая система является следящим приводом по усилию с компенсацией силовых возмущений на шток гидроцилиндра.

Время реакции гидропривода должно достигать 0.001 с. Аппроксимация нелинейностей контура управления гидроприводом в случае такого быстродействия приводит к значительным ошибкам. Поэтому

{

\

/-....... ------------

-ОД 5

О 0.5 1 1.5 1 2.5

9. Вертикальное перемещение (м) подрессорен* точке соединения с передней подвеской: 1 -вумцей подвеске; 2 - при активной подвеске.

Г \Д

1 [ /

1 _2_

1 /

1

0.5

1.5

2.5 с

энной массы в

Рис. Ю, Вертикальное перемещение (м) подрессор!

точке соединения с задней подвеской: 1 - при существующей подвеске; 2 - при активной подвеске.

при моделировании необходимо точно реализовать нелинейности гидропривода и подбирать параметры контура управления гидроприводом с этими моделями нелинейностей. В этом случае реальное моделирование гидропривода можно заменить вычислительным экспериментом, который описывается в 4 главе.

Заключение

В работе решается задача улучшения динамических и статических характеристик карьерных автосамосвалов при загрузке. Идея работы заключается в следующем: на основе математического моделирования исследуются динамические процессы, возникающие при загрузке существующих карьерных автосамосвалов, затем с помощью управляемой гидроактивной подвески эти процессы изменяются до оптимальных.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1 .Показано, что за счет совершенствования статических и динамических характеристик подвески автосамосвала при его загрузке возможно улучшить системные показатели автосамосвала (производительность работы автосамосвала повышается на 15% в результате увеличения среднетехнической скорости движения автосамосвала и сокращения времени полной загрузки автосамосвала за счет возможности применения экскаваторов большей мощности; долговечность шин карьерного автосамосвала только из-за улучшения динамики загрузки при использовании активной подвески увеличивается в 1,33 раза).

2. Создана математическая модель автосамосвала, позволяющая моделировать динамические процессы автосамосвала практически во всех режимах эксплуатации; модель включает математическое описание пневмогидравлического устройства; возмущения, действующие на автосамосвал со стороны дорожного покрытия, а также возмущения, возникающие при маневре, разгоне и торможении; системные оценки работы автосамосвала.

3. Предложена методика расчета системных показателей автосамосвала в зависимости от его динамических и статических характеристик. Данная методика позволяет проектировать динамические и статические характеристики автосамосвала с целью получения максимальной эффективности его работы при задаваемых ограничениях на конструктивные параметры подвески. В результате исследований

эффективности работы автосамосвала от параметров подвески установлен вид заданного оптимального (желаемого) процесса вертикального перемещения кузова большегрузного автосамосвала при загрузке.

4. Установлено, что применение управляемой гидроактивной подвески в значительной степени улучшает динамические и статические характеристики процесса загрузки автосамосвала (величина максимального прогиба подрессоренной массы (кузова) уменьшается в 1,3...1,5 раза, значительно снижаются колебания подрессоренной массы при подходе к установившемуся состоянию.

5. На основе результатов моделирования синтезирована система автоматического управления гидроприводом подвески, обеспечивающая близкие к оптимальным динамические и статические характеристики автосамосвала в режиме загрузки. Разработана функциональная структура системы автоматического регулирования и исполнительной части (гидропривод) активной подвески автосамосвала, которая отрабатывает требуемые значения управляющих сил в условиях интенсивных- колебаний элементов автосамосвала.

6. Результаты моделирования гидропривода при полном переборе условий работы показывают, что быстродействие гидропривода составляет 0.002...0.003 с. Такое быстродействие позволяет формировать систему управления в активной подвеске без учета запаздывания гидропривода. Среднеквадратическая ошибка отработки заданного перепада давления для всего множества условий по возмущениям составляет 2% от максимального значения давления.

7. С помощью численного метода оптимизации Нелдера-Мида получены оптимальные управления для различных условий загрузки карьерного автосамосвала. Предложен алгоритм системы управления, который позволяет реализовать полученные оптимальные управления гидроактивной подвески с высокой точностью. Отличив процесса загрузки, полученного с системой управления, от оптимального процесса для исследованных условий загрузки не превышает 5%.

8. На основе предложенной математической модели автосамосвала разработано программное обеспечение в виде интегрированной вычислительной среды, позволяющей с помощью матричной лаборатории РС-МАТЬАВ проводить исследования динамических процессов автосамосвала в различных режимах его эксплуатации.

Основные положения и результаты исследований содержатся в следующих работах

1. Дергунов .--Н.П., Чернильцев А.Г. Возможности качественного изменения эффективности карьерных автосамосвалов//Изв.вузов. Горный журнал.-1992.- № 7.-0.74-77.

2. Дергунов Н.П., Чернильцев А.Г. Математическая модель анализа и синтеза динамических и статических характеристик автосамосвалов с активной подвеской // Изв. вузов. Горный журнал.-1993.- J6 3.-С.97-103.

3. Дергунов H.H., Зобщщ Б.Б., Чернильцев А.Г. Проектирование карьерного самосвала с желаемыми динамическими и статическими характеристиками//Изв.вузов. . Горный журнал.-1993.- & 4.-0.84-89.

4. Дергунов^Н.П., Ионов О.Н. „'• Чернильцев А.Г. Моделирование экскаваторной и бункерной загрузки грузовых.вагонов с новой системой по дрессоривания//Изв.вузов. Горный журнал.-1993.- № 7.- C.85-8S.

Подписано в печать 23.05.94

Формат 60x84 1/16 Усл.п.л. 1,1 Заказ

Бумага Автореферат

Плоская печать Тираж 100

620219, г.Екатеринбург, ул.Мельковская, 12 тел.53 93 77 Отцел рекламы и изданий Свердловского областного центра занятости населения