автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка и исследование математических моделей рабочего процесса автогрейдера как составной части САПР

№ 0 5 91

Сибирский ордена Трудового Красного Знамени азтомобяльно-дорожный институт им.Б.3.Куйбышева

Бояркияа Ирина Владимировна

Разработка и исследование математических моделей рабочего процесса автогрейдвра как составной чаети САПР

Специальность 05.05.04 - Дорогшыа п строитсдьшо иашшы

Л а т о р о ф о р а 1

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Омск - 1992

Работа выполнена в Сибирском ордена Трудового Красного Знамени автомобильяо-дорозшом институте им.В.В.Куйбышева на кафедре подъемно-транспортные,тяговые машшы и гидропривод {г. Омск)

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

оэддамыш оппоненты

кандидат технических наук,доцент Николай Семенович Гаддин

доктор технических наук, профессор Иван Андреевич Яннен;

кандидат технических наук, доцент Владимир Аидряянович Падеев

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ : Орловский завод дорояяых машин, г.Орел

Запита состоится " 3 " ^нд 1992 г, в 10 часов на заседании Специализированного совета К 063,26,01 в Сибирском автомобшшю-дорокяом институте по адресу : 644080, г,Омск, проспект Мира 5,

С диссертацией место ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес Специализированного совета. •

Автореферат разослан

»29«

апреля 1992 г.

УЧЕНИЙ СЕКРЕТАРЬ

СПЩШ13ЙРОВАННОГО совзта; КАНДИДАТ ТЕХНИЧЕСКИХ шк, ^ ДОШИТ

Щербаков В.С.

результатов исследований основных параметров рабочего оборудования : углов розаняя, захвата; рассмотрены требования к параметрам основных механизмов рабочего оборудования автсг-веЗдора. Особое внимание в первом раздела уделено обзору я анализу математических моделей производительности автогрей-дероэ как целевой функция рабочего процесса. Сформулировали требования, предъявляемые к математическим моделям работах процессов, применяемым п САПР автогрейдеров. Произведен анализ методов тягов&х расчетов автогрейдеров с различными типами трансмиссий, сформулированы требования, предъявляемые к приводам авгогрейдоров. Определена цель и задача исследования.

Во второй главе выполнено координатное представление в пространство элементов автогрейдвра и ого рабочего оборудования. Наиболее юштаая конструкция трехосного азтогройдера, имешэго бортовне балансиры задних ведущих колес л передний мост в виде понесенного балансира,представлена в диссертация следующей системой тол п связанная с игла локальных систем координат <рпсЛ):1 - моторная рета С двигателем п элементами трансмиссии; 2 - хребтовая рама; 3 - тяговая рама; 4 - поворотный круг с раггой; 5 - рааа отвага; 6 - отвал; 7,8 - правый я гевнй бортошо балэясири; 9 - баяанспряая балка переднего моста; 10,11 - левое и пра-

Для точек твердых тел, заданных в локальных системах координат, принята система обозначении координат : ,

Y& > z'i* . где j - номер тела; L - номер точки тела; к - номер системы координат, относительно которой рассматривается движение. ^

Основная система координат X 'y 'z'^ü началом на опорной поверхности перемещается с авгогрейдером.

Новизна математических моделей кинематики заклотаэтся в имитационном моделировании управляющих движений отвала методами преобразовашш координат в.соответствии с приведенной таблицей.

Таблица I

Направление пре- ^Обобщен- ; Моделируемое образования коор- ¡ние коор- |

дашат точек отвала;дянаты,оп-,- движение из исходной систе-}ределяяаше;

ш координат в ¡положение ; отвала

носледувдуи_______! отвала !____ ___

6-5 | ]Вннос отвала ао навравляшсш

5-4 ! !Изменение угла резания отвала

4-3 | У'*' ] Поворот отвала с повороткш

! !кругом

3-2 { ¡Сферическое движение отвала о

! ¡тяговой рамой 2-1 | // ¡Двкешяо отвала, обусловлен_____.___[_____!ное поворотом хребтовой рами

Обобдоннне координаты, зависящие от скоростей управляющих движений гвдромахагатюв определяет положение отвала в любой момент времени. В связи с ограниченным объеногл автореферата систему преобразования координат запишем в общем

где - матрица преобразования координат размерностью 4x4, являшаяся функцией угла мэгду к - й и '

(.К 41)-й система;® координат, и коорданат параллельного переноса Xjt (здесь у =(/с +1), с =1 соответствует тдч-

6 •

ке, совпадающей с началом относительной системы координат).

Преобразование координат точек тяговой рамы и тел,соединенных с ней и совергааших сферическое двивение, из третьей системы координат во вторую, связанную с хребтовой рамой выполнено с помогав матрицы преобразования, имевшей вид :

Х- ап в и Х--'

г® агг а а У а) » У?' (2)

взг -ГЗ!

{ О о О i 1 •

Система (2) соответствует системе (I) при Л' =2, где - направляющие косинусы.

При решении прямой задачи о сферическом движении тяговой ршш задаваемыми величинами являются длины глдроцюшнд-ров: вертикального перемещения тяговой рамы , выноса тяговой рамы .изменения угла реэаняя , выноса отвала по направлявшим ;ввлячияа угла вращения поворотного круга

(рис,2).Точки 2.4, 2.5, 2.6 совпадают с шарнирами крепления гидрощшидров на хребтовой раме, точки 3.3, 3.4, 3.5 совпадают с шарнирами, сатанваздамл гпдропшшндрн с тяговой рамой. Для определения координат точек 3.3, 3.4, 3.5 составлена система девяти уравнений и выполнено ее решение методом Ньотона, а затем путем решения системы (2) определены девять яаправлягаих косинусов.

В главе разработана математическая модель механизмов взменеши утла резания, рассматривается абсолютный угол ре-занля рр, зашеявшй от углаопределяемого в четвертой спсгемэ координат, и угла тяговой рамы ¥Г,Р ,

?Г. г • »>

Введено правило отсчета угла захвата ^ как алгебраической сушн углов : % , поворота хребтовой рама * п относительного угла поворотного круга У"^

у . Ж/2 * г™ (4)

&5

А,

/>£А

Ощ м Л- 6.5' .¿у аз'"? 6.'; ■'//' X"

Рис.2. Схема кинематики механизма тяговой рамы, вид из кабины оператора; сплошные лавки ~ нормальное положение отвала на опорной поверхности; пунктирные линии - вынос отвала за предела колеи автограйдера под углом перекоса 90°; штрих пунктирные линии - выноо отвала на' откос

. В соотаэтстБЯЯ с формулой (4) при острюс значения:"»; y*w ла захвата автогрейдсп ре.тат грунт левш краем отвала, прп rymix -- правым краем (ркс.З).

Для определения абсолютных и относительных скоростей к ускорений точек тяговой рамы и связанных с ней тел рабочего ■ оборудования получена системы уравнений, при рэпеяии которых численными методами определяются проекции скоростей и ускоре-еял искомых точек в основной системе координат, как функции скоростей в ускорений дшкшмя токов гйкрошлаидрбв ( ££ ,

а.

а.

угла хребтовой рамы с углом захвата

При решения обратной задачи о полозами отвала автогрейдера в качестве исходннх данных принимаются шесть обобщенных: координат отваяа : угол резания fi ¡а , угол захвата

9-j . угол перекоса ï„ , координата , Z^ крайней точки ç хей кромки отвала в оснозпой систег« координат. Синтезу Подлежат длины "гздроциляндров управления тяговой рамой , 1г , €3 , лзмеяения угла резания , аздвпяеяия отвала по направяшгл.ч ts л угод поворотного круга ®<V . при репеши обратной задача принята слодуазпз условия и допущэнгл. Пологонзо отгала з пресгрслсгаэ опрэ-дзляется кесткэ обобдоппзгз коердхчптг-'л. лгя этегд ось сгг;~ • котриз тяговой jxra ссгшгдаог с ссьто енготряп хрзбтовой pats. Задали прадеда пзненсякя ебобзэшгах коордзаат всех .vexa-ваэмов рабочзго оборудования, ссчсапо знрззаамого jaœora в осношой еастемо коорданаг. Известная воягаиачн яря рэге-нив обратной задачд яалгагзя координата точек 2.4, 2.5, S.S крепления гидродаЕзоров на хребтовой раме , а дтаять координат точек 3.3, 3.4, 3.5 подлежат ощгадзленип» В процэссо рэяенпя обратной задачи основпеэ копетруктпанпв параметра механизмов изменения угла рэзагшя, • поворота отвала и другие формируется яз консгрунгдзпнх уоловкЗ з соответствии с

9

темадашскши моделями механизмов, разработанными в диссертации

При решении задачи силового расчета тяговой рты автогрейдера принято допущение о том, что равнодействующая сила сопротивление резанию на отвале приложена к крайней точно ра-жущей кроша! и представлена в виде трех составляющих по ослы координат Рх , PY ,Рг , которые могут принимать соответствующие значения в разных расчетных случаях. При выполнении силового расчета используется система уравнений,в матричной Форш _ _

где А - матрица коэффициентов системы уравнений; X - вектор реакций; F_ - воктор внесших возмущений. ,

Вектор X в системе (4) представляет собой реакции в штоках гидроцилиндров /?33, RSJj , RJS, связанных с точками тяговой рами, и реакции г шаровой опора RCx , Roy < ^сг •

При разработке алгоритма определения нагрузок на колеса автогрейдера принята следующие исходные полокеншг ß допущения. При решения прямой задали силового расчета пэвесинша величинами являются силы на огвало Рм , Рг , Рг , рассматривается установившийся pesai двпзендя автогрейдера. Б качество опорных точек автогрейдера расскагрившхгся даз точки иа опорной поверхности меяду колесами бортовнх балансиров в одна точка па опорной поверхности мезэду колесами переднего моста.

Для проверки адекватности разработанных математических моделей были вычислены координаты точек рекуией кромки отвала для разных случаев его положения в пространство.(сы.рис.2) п проседенн замеры этих координат для евтогройдера. среднего типа на Брянском заводе дородных папин. Расхогдеше экспорп-кенгальикх данных н расчетных составило 1,5-6,1$, обусловлоя-ноо погрешностями инструментальных измерений, а также деформациями колес левого и правого балансиров, которые вызваны перераспределением вортикаяьгшх реакций на колеса вследствие öo::cnoro шясса тяговой ремы.

Б г р е т ь ö Й г л а к е разработана ыатспаткчос-ГО

юте подели движения автогрейдера с механическими, гидромеханическими и гядрообъег.иаш трансмиссия;/;;. Особое внимание ц диссертации уделоно^ формировании исходных файлов для тяговых расчетов автогрейдероз. Исходшии характеристиками двигателя являются зависимости крутящего момента на валу от частоты вращения Mg ( ^ ) и часового расхода топлгша от частоты вращения вала двигателя GT {. 17$ ). Зсо другие показатели двигателя являются производными, так как могут быть вычисле-нн с использованием рассмотренных базовых величия : мощность двигателя А^ , удельный расход топлива рт , КПД двигателя ^ я др.

Характеристики двигателя помещаются в файлы данных в виде дискретных числовых значений :оогветствувдих величин угловой скорости 0)g , крутящего г/.о»:пха двигателя Л^г и часового расхода топлива <5у . Причем, каядому значении угловой скорости' соответствует определе;шкз значения Mg ' к (хт . Промежуточные значения указанных величин при анализе переходных процессов определяются с использованием интерпо-'ляциошшх многочленов Лагракжа степени п / М г (х-хс)-(х-X;-/)(х-* (■><)••• (х- **) v {5)

где if - значение вычисляемой функции; X - ее аргумент.

Используются интерполяционные многочлены Лаграяка первой или второй степени, то есть линейная для кусочяо-кзадра-тпчесиая интерполяция.

Для автогрейдера с гидромеханической трансмиссией в качестве исходных данных используется безразмерная характеристика гидротрансформатора, задаваемая в виде зависимостей коэффициента трансформации кг я-коэффициента крутящего момента УАц or пзрэдаточного отноиешш гидротрансформатора Urn- В гвдрообъемгшх трансмиссиях используются характеристики регулируемых гидронасосов в вида семейства кривых лос-тояшшх мощностей = const),

Особенность математических моделей тяговых расчетов в диссертации состоит в использовании внешней характеристика двигателя, язляппойся официальна.« документом завода изго-

II

товктедя. "омел? отбора на привод насоса-рулевого управления, насосов рабочего оборудования и других потребителей Удзржруегся по соответствующим алгоритмам в процесса расчета, путем задания с экрана идя по соответствуххыш расчетным формула*/,.

Рчяш динамического пагруконня аЕтогре:{дера в диссер-танкк задается продольной силой на отвале

PY а Рутах > (6)

где Рутах - максимальное значение силы на отвале из условия ■ предельного сцелленпя колос; t - текущее время; Т - вре-кл цикла яАгружония.

Динамический: резиаг нагружеикя автогрейдера обусловливает необходимость решения дифференциальных уравнений двигателя. Программа релания переходных процессов двигателя разработана в процессе работе над диссертацией. При этом установлено, что при времени цикла нагрукения Г> 5 с ддна-шческио процееск практически не отличаадся от стационарных рзяимов нагрукения автогрейдера. -

Особенность алгоритмов тяговых расчетов автогрейдера, разработа-чных в диссертации заключается в разделении сия тяги по полосам левого к правого балансиров,, а гакяа на передние и задние колеса левого к правого бортових балансиров ведущих колес.

&я проверки адекватности результатов вычислений со разработанном программам реальккм выходцем показателя?.! ¿ы-ли использовали результате тяговых испытаний, опубликовании в работах H.А.Ульянова, Ю.М.Бузина, К.М.Тепяякова,Л.Х. Иарипова, В. А. дула/г, Л.1.Акткпова. B.C.Епифанова,.В.Ф.Беликова и др.

Сопостазлэяие. результатов расчетов о опубликовавшие, дашнжи тяговых испытаний показало, что отклонение экспериментальных значений скорости и тяговой модности от расчетных данякх составляет но бодо-з 4-8$ на срезанном грунте, травяном поде, асфальте, вспаханном поло. Большее значение отклонения икает место на-вспаханном доле.

Результаты тяговых расчетов показала, что на поверх-12

костях с BHcoKJir.ni сцешшлн свойствами на рабочих поддачах происходит сближение реглыов м&чсималъноЗ тяговой мощности и минимального удельного расхода топлива. Передаточные числа первой и второй рабочих передач автогрейдзра с нехаяическо;! трансмиссией внбгош так, что уровня максимума тяговых мощностей па первой и второй передачах примерно одинаковые. Это означает, что реяямц, копания грунта пв-тогрейдером, выполняемые на первой передача примерно равноценны режимам планировки, выполняемым яа второй рабочей передаче, по уровня тяговой мощности.

Четвертая глава постшт разработке методики определения рациональных параметров автогрейдера при проектирований на ЭШ, В диссертации рассматриваются задачи проектирования, относящиеся :: оптимизационному классу. Целевые функции в этих задачах разделаны на полевые функции низкого и высокого уровня. 3 качестве целевых функций низкого уровня используются : мощность двигателя , часовой расход топлива &Т , крутящий момент двигателя М$ , частота врапения вала двигателя л„ , скорость дап-зеаия ?/<? , уделышй расход топлива ог , тяговая мощность и др.

Для автогрейдера а качество целевой Функции высокого уровня в диссертации предложено использовать техническую производительность, удельный расход топлива на кубомотр вирезаяяого грунта я др.

. В качестве полот! функция автогре^ера использована формула технической производительности, опубликованная

э работа И.П.Бородачова, В.'Л.Голья-тоЭяа я других авторов, - 3500 Г

/7 - = —=- к 'у У ,

' 'ч (7)

где I ~ длгна участка; Р - площадь сочекпя вырезаемого

кювета; Тц - обдзе вреда вырезания яетззта п возведения

насыпп.

В обзорной части диссертации показано, что формула (7) используется в работах Н.Г.Гаркава, Н,Я.Хархутн, Г.В. 2абэгалсга, Э.Г.Ронзясопа, Н.А..Ульякова и других овтороз •

13

для случая работа автогрзйдера с разворотами в конце и начале какого участка. Однако, как показывает наблюдения,авто-грейдеры часто работают челночным способом.

В сатан с этим в диссертации рассмотрены два случая рг боты автогрейдэра с разворотами на длинных участках и челиоч нш способом на коротких участках. Как показывает опыт эксплуатации автогрейдэров, работа челночным способом с реализацией холостых ходов, осуществляемых на передачах заднего хода, происходит не только вследствие большей его эффективности на коротких участках, а также по причина невозможности разворота автогрз1!дера вследствие технологических п техничес ких причин.

Общее время цикла автогрейдера- Гц при вырезании кювета и возведении шсклл способом с разворотами определяется по формуле, учитывающей время вырезания грунта, время укладки вырезанного грунта в насыпь, время затрачиваемое на о: дало41 ыо операции, время на развороты в конце и начале как-дого участка и вспомогательное вреда. Общее время цикла при вырезании кювета и возведении насшш челночным способом складывается из времени вырезания грунта, укладки вырезанного грунта в насыпь, времена, отделочных опреацкй» времена холостых перемещений а вспомогательного времени.

Удельный расход топлива на единицу разрабатывае-

мого грунта используется в диссертации в качестве целевой функции рабочего процесса

> &тч МО -

где Сщ - топливо, израсходованное двигателем за время работ Методика выбора параметров азтогройдера пра проектпро вашш на ЭВМ содержат следующие алгоритмические шага :

- выбор вида выполняемой работы и рекимов;

- вкбор долевой функция ж вектора оптимизируемых параметров

- вкбор ограничений и условий существования параметров;

- выбор начального состояния системы, начального вектора оп типизации, условий функционирования системы;

- имитационное моделирование рабочего процесса с последова-

голышм пошаговым варьированием параметров, определение локального экстремума целевой функции в кпддом L -ом рабочем процессе;

- поиск глобального экстремума целевой функции.

Если целевая функция но имеет экстремума по данному параметру, то определяется ев минимум или максимум по достизе-нии соотвествущего ограничения.

В диссертации вшоллено исследование влияния конструктивных а технологических параметров на техническую производительность автогрейдара среднего типа яри вирезании кювета глубиной h =0,5 м С откосили 1:2, 1:1 по ГОСТ 94°0-79, в суглинистом грунте с коэффициентом сопротивления копания грунта К^г • I05- 2,4 • Ю5 Н/м2 (АЛа).

Выполнено исследование зависимости технической производительности Пг и удельного расхода топлива от длина

L разрабатываемого участка, времени разворотов автогрейдера, прочности грунта, передаточных чисел рабочих передач й других факторов. Установлено, что производительность автогрейдера Пг интенсивно возрастает при увеличении дшшы L участка возводимой наснпи в диапазоне L =100-800 м. При длинах участков L > 800 м интенсивность изменения технической производительности снижается (рис.4). Установлено, что влияние времени разворота на производительность более существенно на участках малой длины.

Прп копашш грунта способом с разворотами на участках длиной L =100 м автогрзйдер имеет максимальную техническую производительность прп передаточном отношении Up. 80 (рис.5), что соответствует первой рабочей передача автогрейдера среднего типа¿/££,=79,48. При этом установлено, что режш максимальной технической производительности не является posimom оптимальным по топлпвяой экономичности, экстремум которой соответствует UgK =62.

В соответствии с полученными результата'.« при вырезании кювета способом с разворота;,га автогрейдером среднего типа с механической трансмиссией выделена зона предпочтительных значений пэредаючяых отношений (¿/¡*=в2-80) границы которой со-

15

§;./•/«» 260 220 <38 Рис

О 2СЗ Ш КО ¿00 1500 «03 МС'О ¿,ы

.Зависимость технической производительности (?г и удельного расхода топлива ^ от длины участка I и зремзип поворота I щ>п вирезшш: кювета с разворотами : I-t =31,4 с;

=47Д с; 3- £ =62,8 с; 4- I =78,5 с; 5- ± =94,2 с; 6- £ =100 м; 7- / =200 м; 8- £ =400 м; 9- I. =800 ы; Ю- I =1200 щ II-1 =1600 ы

1Гт]

<У/Ч

6 50

4 43

2 46

44

42

ч

Пг 1 7

/ /

X £ /

Пг

235 юск

(г И

гзп

4 55

251!

т 32

ГО

45 $5 К 75 55 %«

Рис.5. Зависимости ^г ,

д' , V- от передаточного "

Ч /

К

/ /

/ к

270

т

253

2«

4$ 55 П 15 ид1

Рис,6. Зависк-лостп Пт* ,'УГ от передаточного

отношения трансмиссии (Хы * &

при работе автогрэйдера че;

отношения трансмиссия и^х при работе автогрейдера с . -разворотами на участке / =100;.; ночным способом при и =40