автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обеспечение точности нанесения прерывистых линий разметки на повышенных рабочих скоростях маркировочной машины

Введение.

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования.

1.1. Основные требования, предъявляемые к нанесению линий разметки автомобильных дорог и маркировочным материалам, используемым для разметки дорог.

1.2. Анализ способов, технических средств нанесения линий разметки дорог и тенденции развития маркировочных машин.

1.3. Анализ систем управления маркировочными машинами.

1.4. Цели, задачи исследования.

1.5. Структура и общая методика выполнения работы.

1.5.1 Структура работы.

1.5.2 Общая методика исследования.

2. Математическая модель рабочего процесса маркировочной машины.

2.1. Обоснование критериев оценки эффективности маркировочных машин.

2.2. Математическая модель рабочего процесса нанесения прерывистых линий разметки.

2.2.1 Математическая модель линий управления с распределительной аппаратурой.

2.2.2. Математическая модель исполнительного механизма.

2.2.3. Математическая модель датчика срабатывания.

2.3. Математическое описание способа корректировки и определения погрешности наносимых прерывистых линий разметки.

2.4. Описание характерных периодов функционирования пневмопривода маркировочной машины с учётом управления САУНПЛ.

2.5. Программная реализации модели рабочего процесса нанесения прерывистых линий разметки.

Выводы.

3. Теоретические исследования.

3.1. Анализ параметров, влияющих на динамику пневмопривода маркировочной машины.

3.2. Выбор параметров пневмопривода маркировочной машины

ДЭ-21-2.

3.3. Определение условий возникновения самовыравнивания

САУНПЛ.

3.4. Выбор способа управления пневмоприводом маркировочной машины для повышения её рабочей скорости.

3.5. Оценка устойчивости функционирования САУНПЛ с двухступенчатым способом управления пневмоприводом маркировочной машины при различных режимах управления.

Выводы.

4. Экспериментальные исследования и техническая реализация работы.

4.1. Объект, аппаратура и методика экспериментальных исследований.

4.2. Результаты экспериментальных исследований.

4.3. Устройство САУНПЛ маркировочными машинами ДЭ-21,

ДЭ-ЗБ.

4.4 Производственные испытания САУНПЛ на маркировочной машине ДЭ-21-2.

4.5.Техническая реализация работы.

В Российской Федерации объем маркировочных работ составляет 1.8 млн. пог. км. При выполнении такого объема работ требуется применение высоко производительных механизмов и машин. В последние годы получили большое применение аэрозольные краски и пластики, позволяющее применять высокопроизводительное покрасочное оборудование /70/.

В общем, объеме маркировочных работ более 80% составляют прерывистые линии разметки, при нанесении которых используются системы управления рабочим органом маркировочной машины /6,70/. Использование систем управления позволяет выполнять маркировочные работы в соответствии с требованиями ГОСТа. Автоматизация процесса нанесения прерывистых линий разметки позволила почти полностью исключить ручной труд при выполнении этих видов работ. Однако, именно при нанесении прерывистых линий разметки многие маркировочные машины не могут выполнять эти виды работ с максимальной рабочей скоростью. Поэтому проблема создания систем автоматического управления нанесения прерывистых линий разметки, позволяющих выполнять маркировочные работы на повышенных рабочих скоростях, является актуальной.

Целью данной работы является повышение производительности маркировочной машины (ММ) при нанесении прерывистых линий разметки совершенствованием системы управления.

Научная новизна работы заключается:

-в обосновании векторного критерия эффективности маркировочной машины при нанесении прерывистых линий разметки;

-в математической модели рабочего процесса нанесения прерывистых линий разметки, учитывающей динамику пневмопривода маркировочной машины и системы автоматического управления нанесения прерывистых линий разметки (САУНПЛ);

-в результатах теоретических и экспериментальных исследований влияния основных, конструктивных параметров САУНПЛ, управляющих и возмущающих воздействий на рабочую скорость ММ при нанесении прерывистых линий разметки.

Практическая ценность заключается: в создании математического и программного обеспечения для решения задач на ЭВМ динамики и оптимизации параметров САУНПЛ; в разработке конструкторской документации и выпуске опытной партии САУНПЛ; в обосновании способа управления пневмоприводом ММ для повышения ее рабочей скорости; в разработке рекомендаций по выбору оптимальных параметров пневмопривода ММ в условиях функционирования САУНПЛ.

Внедрение результатов. На Топкинском механическом заводе выпущена опытная партия разработанных САУНПЛ (Автомаркер), которая прошла испытания на базе завода «Стройдормаш» в г. Калининграде.

На защиту выносятся: математическая модель рабочего процесса нанесения прерывистых линий разметки; результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики пневмопривода ММ; рекомендации по выбору способа управления пневмоприводом ММ.

В первой главе рассмотрены требования к виду и качеству нанесения маркировочных линий разметки. Проведен анализ средств механизации нанесения линий разметки и рассмотрены перспективы их развития. Проведен анализ САУНПЛ. Сформулированы цель и задачи исследований. Определена методика выполнения работы.

Вторая глава посвящена определению критерия эффективности ММ и разработке математических моделей, описывающих рабочий процесс нанесения прерывистых линий разметки.

Третья глава содержит результаты теоретических исследований: пневматического оборудования ММ; функционирования САУНПЛ ММ при различных режимах управления, полученные при расчетах математических моделей на ЭВМ.

В четвертой главе описаны способы и средства технической реализации инженерных решений, приводятся результаты экспериментальных исследований оборудования ММ в лабораторных условиях и САУНПЛ маркировочной машины ДЭ-21-2 в производственных условиях.

Работа выполнена в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Работа проводилась в содружестве с Топкинским механическим заводом в рамках выполнения государственной научно технической программы "Автоматизация СДМ" от 08.09.1987 г.

Экспериментальные исследования проведены в г. Калининграде на экспериментальной базе завода «Стройдормаш» и на участке дороги в районе села Светлое Калининградской области.

Основные результаты и выводы по работе

1. Анализ модели рабочего процесса нанесения прерывистых линий разметки показал, что основными факторами, влияющими на производительность ММ при этих видах работ, являются: конструктивные параметры пневмопривода (диаметры трубопроводов, эффективная площадь пневмораспределителя, сила начального сжатия возвратной пружины одностороннего пневмоцилиндра и площадь его поршня), его статические и динамические характеристики; величина давления воздуха на входе в пневмосистему; способ управления пневмоприводом и алгоритм функционирования САУНПЛ.

2. Исследование математической модели рабочего процесса нанесения прерывистых линий разметки позволило выявить основные закономерности функционирования системы управления нанесением прерывистых линий разметки; впервые получить картину переходных процессов в системе управления при ее функционировании на повышенных рабочих скоростях ММ; установить зависимость для определения критической скорости ММ, превышение которой приводит к потере точности нанесения штрихов линий разметки.

3. Анализ выявленных закономерностей влияния конструктивных параметров пневмопривода на его динамику позволил дать рекомендации по выбору основных параметров САУНПЛ ММ: трубопроводы следует применять с диаметром условного прохода 4 или 5 мм; пневмораспределители должны

6 2 иметь эффективную площадь не менее 4-10 м ; для односторонних пнев4 модвигателей возвратная пружина должна иметь жесткость не более 10 Н/м

-3 2 при силе ее начального сжатия 500 Н и площадь поршня 2.5-10 м .

4. По результатам полученных зависимостей устойчивости функционирования САУНПЛ был предложен и проанализирован двухступенчатый способ управления пневмоприводом, который позволяет повысить рабочую скорость до 7 м/с (25 км/ч) при сохранении точности нанесения штрихов.

5. Разработаны новые инженерные решения по реализации способа автоматической корректировки длины наносимых штриховых линий разметки и двухступенчатого способа управления пневмоприводом, позволяющим повысить рабочую скорость ММ.

6. В результате проведенных работ была выпущена опытная партия САУНПЛ. Испытания опытной партии САУНПЛ показали, что она повышает удобство управления, снижает внеплановые простои маркировочных машин, связанные с наладкой системы управления, обеспечивает требуемую точность разметки и повышает производительность маркировочной машины при двухступенчатом способе управления пневмоприводом в 2.3 раза.

7. Сравнительный анализ зависимостей времен включения и выключения от давления на входе в пневмолинию показывает, что расхождение между теорией и экспериментом составляет не более 8.4 % при включении форсунки и не более 16.4 % при ее выключении.

8. На основании удовлетворительной сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований была подтверждена адекватность математической модели и реального процесса, протекающего в системе управления машины.

9. Направлением дальнейших исследований следует считать: создание исполнительного механизма, обеспечивающего требуемое качество нанесения штрихов (погрешности нанесения переднего и заднего фронтов) прерывистых линий разметки на высоких рабочих скоростях маркировочной машины; создание микропроцессорной САУНПЛ, позволяющей корректировать длину наносимых штрихов с учетом времен срабатывания пневмопривода и режима движения маркировочной машины; создание средств защиты от шума при работе пневматического оборудования маркировочной машины.

1. Альберт Дж., Никольсон Э., Уолж Дж. Теория сплайнов и ее приложения. -М.: Мир, 1972. -264 с.

2. A.c. 1799943 (СССР) МКИ3 EOlC 23/16. Установка для регулирования расхода материала в дорожной маркировочной машине/ Щербаков B.C., Руппель A.A., Русинов И.И. (СССР).

3. Башта Т. М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. -М.: Машиностроение, 1972. -317 с.

4. Белкин B.C. Исследование пневматических краскораспылителей маркиро-вочныыхмашин: Дисс. . канд. техн. наук. М., 1973. -160 с.

5. Белкин B.C. Современные отечественные и зарубежные маркировочные машины и перспективы их развития. М., 1970. - 142 с.

6. Белкин B.C., Зуев Г.Я. Горизонтальная маркировка искусственных покрытий автомобильных дорог и средства ее механизации. М., 1971. - 92 с.

7. Битор М.Х. Разработка конструкций и методик расчёта устройств для торможения пневмопривода. Львов, 1985. - 94 с.

8. Бух H.H. Модификации термопластов для исследования дорожно-строительного назначения: Дис. . канд. техн. наук. Саратов, 1997. -149 с.

9. Васильев А.П. Фримштейн М.Н. Управление движением на автомобильных дорогах М.: Транспорт, 1979. -296 с.

10. Васильченко В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин, справочник. М.: Машиностроение, 1984. - 260 с.

11. Воспухов В.К. Гидравлические и пневматические схемы сельскохозяйственных машин. Минск: Высшая школа, 1985. -141 с.

12. Гаврилов В.Н. Методы многокритериальной оптимизации. М.: МАДИ, 1982.-78 с.

13. Герц Е. В. и др. Пневматические устройства и системы в машиностроении / Герц Е. В., Кудрявцев А. И., Ложкин О. В. М.: Машиностроение, 1981.- 408 с.

14. Герц E.B, Синтез пневматических приводов/ Герц Е.В, Зенченко В.П., Крейнин Г.В. М.: Машиностроение, 1966. - 212 с.

15. Герц Е.В. Гогричиани A.B. Время передачи пневматических сигналов в системах управления// Вестник машиностроения.- 1976. № 9. - С. 21-24.

16. Герц Е.В. Динамика пневматических систем машин. -М.: Машиностроение, 1985.-256 с.

17. Герц Е.В. Пневматические приводы. Теория и расчёт. М.: Машиностроение, 1969. - 359 с.

18. Герц Е.В., Гогричиани A.B., Павлов Б.И.и др. Неустановившиеся процессы в линиях передачи пневматических сигналов// Механика машин. М.: Наука, 1975.- вып. 49. - С. 103-105

19. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1975.-272 с.

20. Гидравлические и пневматические исполнительные механизмы автоматических регуляторов. Тельман А.Я. Киев, 1968.

21. Гидравлические и пневматические приводы промышленных роботов и автоматических манипуляторов / Под. ред. Крейнина Г.В. М.: Машиностроение, 1993.-299 с.

22. Гидравлические и пневматические силовые системы управления / Под. ред. Дж. Блэкборна. Изд. иностр. лит. М.: 1962. - 614 с.

23. Гликман Б.Ф. Математические модели пневмогидравлических систем. М.: Наука, 1968 г.- 365 с.

24. Гончаренко Ф.П. Игнатьев В.Д. Опыт применения термопласта для разметки проезжей части дорог // Автодорожник Украины. 1978. - №4 - С. 37-38.

25. Гончаренко Ф.П. Иследования влияния светотехнических характеристик дорожных покрытий и разметок на режиме движения в темное время: Дисс. . канд. техн. наук. К., 1981. - 234 с.

26. ГОСТ 13508-74 Разметка дорожная Изд. Стандартов 1975. - 31 с.

27. Дмитриев В.Н. Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М.: Машиностроение, 1973. - 360 с.

28. Дорожная разметка под ред. Ю.Е. Кострица. К.: МВД УССР, 1976. - 70 с.

29. Дорожно-строительные машины и комплексы / В.И. Баловнева, А.Б. Ермилов, А.Н. Новиков и др.; под. ред. В.И. Баловнева М.: Машиностроение, 1988. -384 с.

30. Жуков А.И. Применение метода характеристик к численному решению одномерных задач газовой динамики //Тр. ин-та / Математический институт им. В.В. Стеклова АН СССР 1960. - 149 с.

31. Завьялов Ю. С., Квасов Б. И. Методы сплайн функций. - М.: Наука, 1980. -352 с.

32. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. JL: Наука, 1968. -40 с.

33. Залуга В.П. Кашкин С.К. Знаки и указатели на автомобильных дорогах М.: Транспорт, 1974. - 128 с.

34. Завадский Ю.В. Планирование эксперимента в задачах автомобильного транспорта. М.: МАДИ, 1978. 156 с.

35. Зеленский С. Б., Рябков Е. Д., Микеров А. Г. Ротационные пневматические двигатели.-JI.: Машиностроение, 1976. 239 с.

36. Зилевич С.И. Улучшение светотехнических характеристик дорожных покрытий и обочин: Дис. . канд. техн. наук. Киев, 1989. - 217 с.

37. Зуев Г.Я. Исследование и создание рабочего органа кинетического действия маркировочной машины: Дисс. . канд. техн. наук. М., 1973. - 150 с.

38. Инструкция по учету потерь от дорожно-транспортных происшествий при проектировании автомобильных дорог. М. Транспорт, 1982. 42 с.

39. Иринг Г., Юрай В. Проектирование гидравлических и пневматических систем перевод со словацкого Д.К. Раппопорта Л.: Машиностроение, 1983. -363 с.

40. Каленкович А.Е. Определение быстродействия и нагрузочной способности пневмораспределителей комплекса миниаппаратуры. М.:1987. - 164 с.

41. Каплунов С.М. Динамика пневматического привода со стабилизацией параметров на входе. М.: 1973. - 176 с.

42. Карам, Франк. Частотные характеристики пневматических линий передач // ТОИР. 1967. - № 2. - С. 95-98.

43. Киселев А.Ю. Проектирование средств зрительной ориентации на автомобильных дорог: Дисс. . канд. техн. наук -. К., 1987. 189 с.

44. Кожевников С. Н., Пештат В. Ф. Гидравлические и пневматические приводы металлургических машин. М.: Машиностроение, 1976. - 352 с.

45. Комаров М. С. Определение расчетных нагрузок производственных механизмов и машин. -М.: Машгиз, 1958. 142 с.

46. Копанов Г.А. Блинкин М.Я. Новый метод учета движения с использованием многократных выборок Автомобильные дороги 1971. № 10. - С. 9-10.

47. Красильников А. И. Разметка автомобильных дорог (материалы, технология). Дис. . канд. техн. наук. 1990. 182 с.

48. Крейнин Г. В. Солнцева К. С. Экспериментальное определение сил трения в пневмоприводе. Пневматические приводы и системы управления. М.: Наука, 1971.-С. 215-219.

49. Крейнин Г.В. Выбор размеров трубопроводов пневматических устройств.//Станки и инструменты. 1962. №10.- С. 23-26.

50. Крейнин Г.В. К выбору оптимальных параметров дискретных пневматических машин автоматов. Механика машин. М.: Наука, 1969. - вып. 19-20. - С. 175-182.

51. Крейнин Г.В. О влиянии теплообмена на процессы в полости постоянного объёма. М.: Наука, 1969. - С. 73-84.

52. Крейнин Г.В. Об электромодели пневматического привода. М.: Наука, 1969.-С.129-133.

53. Крутиков Г. А. Исследование работы регулятора давления в системе динамического пневмопривода: Дис. . канд. техн. наук. Харьков, 1976. - 197 с.

54. Копп В.Я., Погорелов Б.П. Динамика цифрового поворотного пневмопривода // Вестник машиностроения. 1982. - №2. - С. 11-13.

55. Леонтьев Н. Л. Техника статистических вычислений М.: Гослесбумиздат, 1966.-64 с.

56. Лимонов Ю. М. Динамический синтез дискретных пневмоприводов автоматизированных объектов: Дис. . канд. техн. наук. Харьков, 1984. - 240 с.

57. Лимонов Ю., М. Бефферман В. М., Келлерман Ю. И. Многофункциональные пневмоприврды в машиностроении и повышение их точности расчетов// Вестник машиностроения. 1984. № 9. - С. 18-20.

58. Лобанов Е.М. и др. Повысить эффективность регулировочных линий // Автомобильные дороги. 1972. - №4 - С. 25-27.

59. Лобанов Е.М. Исследование пропускной способности нерегулируемых узлов автомобильных дорог в одном уровне: Дисс. . канд. техн. наук. М., 1965.- 167 с.

60. Лобанов Е.М. Проектирование дорог и организация движения с учетом психофизиологии водителя М.: Транспорт, 1980. - 311 с.

61. Мелкий В.А. Дорожные знаки и разметка. М., 1983. - 62 с.

62. Методические рекомендации по разметке дорожных покрытий и нанесению рефлектируемых пленок на дорожные знаки и ограждения. М., 1975. - 167 с.

63. Налимов В.В. Теория эксперимента М.: Наука, 1971. - 323 с.

64. Отчет о патентных исследованиях по научно-исследовательской работе (ОКР, ПКР) «Участие в разработке, испытании, внедрении устройства программирования «Штрих-10» / СибАДИ; рук. Щербаков В.С. № 30-87 - Омск,. 1988.-76 с.

65. Погорелов В.И. Газодинамические расчеты пневматических приводов Л.: Машиностроение, 1971. - 182 с.

66. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем М.: Машиностроение, 1971. - 424 с.

67. Поучуфаров Б.М., Чекмазов В.И. Об устройстве стационарного состояния пневматического сервомеханизма // Изв. вузов машиностроение. 1964. - №4. -С. 112-114.

68. Пузыря К.Ф., Запаснюк A.C. Экономическая эффективность научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в машиностроении. Ленинград: Машиностроение, 1978. 366 с.

69. Пятидверный А.П. Метод определения времени срабатывания пневматических устройств с учетом линий управления // Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления / Под. ред. Герц E.B. М.: Машиностроение, 1981. -Вып. 8-С. 173-181.70. Р.Д.-500149-79.

70. Ромашичева Т.И. Разметка дорог // Автомобильные дороги. 1980 - № 3 - С. 5 - 12.

71. Руппель А. А. Анализ систем управления маркировочными машинами // Машины и процессы в строительстве. Омск: СибАДИ, 2000. - С. 9 -12.

72. Руппель A.A. Система автоматического управления маркировочными машинами «Автомаркер» // Инф. л.-2001. №52-02-01.-Омск: ЦНТИ, 2001.

73. Руппель A.A. Экспериментальные исследования маркировочной машины ДЭ-ЗБ // Гидропривод и системы управления дорожных машин. Омск: ОмПИ, 1988.- С.32-34.

74. Саллогуб В.Н. Исследование динамических пневматических мембранных исполнительных устройств: Дис. . канд. техн. наук. М., 1970. - 189 с.

75. Скляровский А.Н., Тумеркон М.М. Анализ устойчивости систем автоматического регулирования давления в пневмосистеме // Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1983. - .№ 11. С. 25-29.

76. Славотинский М.В. Исследование динамики линий связи элементов и систем пневмоавтоматики: Дисс. канд. тех. наук. М., 1978. - 172с.

77. Судьин А.И. Исследования эффективности разметки проезжей части дорог с двумя и тремя полосами движения. Дисс. . канд. техн. наук. М., 1973. - 245 с.

78. Тумаркин М.М. Скляриевский А.Н. Автоматическое регулирование давления в заводской пневмосети/ТВестник машиностроения. 1982. - №3 С. 35-38.

79. Фельдман В.Я. Эйгенброт В.М. К выбору параметров пневматической линии связи на основе анализа динамических процессов М.: Машиностроение, 1959.-№2,-С. 41-47.

80. Цао. Численные решения для переходных процессов в пневматических системах трубопроводов. Расчет линии передачи // Прикладная механика. 1968. -№3 - С. 103-104.

81. Цао. Численные решения для переходных процессов в пневматических системах трубопроводов. Задачи о нелинейных концевых устройствах // Прикладная механика. 1969. - № 3. - С. 98-101.

82. Цао, Дж. Роджерс Численные решения для переходных процессов в пневматических системах трубопроводов. Задачи о системах трубопроводов с ответвлениями // Прикладная механика. 1969. - № 3. - С. 112-114.

83. Шенк X. Теория инженерного эксперимента: Пер. с англ.- М.: Мир, 1978. -381 с.

84. Электромеханические преобразователи гидравлических и газовых приводов/ Е.М. Решетников, Ю.А. Саблин, В.Е. Григорьев и др.; под ред. Е.М. Решетникова М.: Машиностроение, 1982. - 144 с.

85. Юдицкий С.А. Пневматические системы управления приводом машин автоматов. М.: Энергия, 1968. - 111 с.

86. Purdus D.R., Townslay M.J., Wood D. The Disign of Pneumatic Circuits // Huid Power Internat. 1969. - № 401. - С. 27-31, 36.