автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка системы автоматического управления рабочим органом землеройно-транспортной машины

оь

"^Ь На правах рукописи

Кононов Андрей Александровну^ ° ^_

УДК 621.378:681.51

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ОРГАНОМ ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ

Специальность 05.05.04 - ДОРОЖНЫЕ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ

МАШИНЫ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ - 1998

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ:

академик Академии транспорта России, доктор технических на: профессор Павел Иванович Нику) кандидат технических наук, доцент Иван Михайлович Тепляке академик Академии транспорта России, Академии строительств; Украины, доктор технических наук, профессор Владислав Степанович Бочаров, кандидат технических наук, доцент Юрий Михайлович Пурусо! СКТБ "ЗЕММАШ".

2. ■и/ОЛ^ х 998

Защита состоится ________ ____

сов на заседании диссертационного совета К 063.79.01 Воронежской государственной архитектурно-строител: академии по адресу:

394006, г. Воронеж, -ул. 20-летия Октября, 84 ( ВГАСА ) С диссертацией можно ознакомиться в .библиотеке . демии.

Автореферат разослан

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент .

З.Н.СПАСИБУ/

Актуальность темы диссертации. Одним из основных направлений развития колесных земяеройно-транспортных машин ( ЗТМ ) является создание машин повышенной единичной мощности и производительности. Во многих случаях колесный движитель ЗТМ при ручном управлении работает в режиме, который характеризуется большими величинами коэффициента буксования и низкими значениями тягового коэффициента полезного действия, что не обеспечивает максимум производительности ЗТМ. Увеличение- эксплуатационной производительности при одновременном снижении удельного расхода топлива может быть достигнуто за счет оптимального выбора значений параметров технологического процесса с помощью устройств автоматического' управления, при этом - снижаются психофизические нагрузки на оператора ЗТМ. Вопросы автоматизации ЗТМ нашли достаточно широкое отражение в отечественной и зарубежной литературе, однако сложность Еыбора информационных параметров из-за отсутствия обоснованного преимущества какого-либо косвенного параметра над другими, а также ограниченность средств измерения затрудняют создание промышленно выпускаемого устройства управления рабочим органом в процессе разработки грунта. Известные системы автоматического управления- рабочим органом являются, в основном, опытными образцами и не поддерживают производительность ЗТМ на максимальном уровне.

Исследования выполнены согласно межвузовской научно-технической программы "Архитектура 'и строительство".

Целью работы является исследование возможностей повышения производительности ЗТМ за счет вывода технологического процесса на оптимальный режим работы машины с максимальным использованием средств, выпускаемых промкш-

ленностью.

Объект исследования. В работе исследуется автогрейдер с колеснрй формулой 1x2x3 с точки .зрения повышения эффективности процесса копания грунта основным отвалом .за с.чет автоматического управления рабочим органом.

Научная новизна. Разработана и исследована пространственная математическая модель замкнутой динами-' ческой системы "автогрейдер — устройство управления рабочим органом" в процессе копания грунта, что позволило обосновать возможность создания современных, более эффективных устройств управления рабочим органом, основанных ■на оценке набора.грунта. Предложен высокочастотный способ автоматического бесконтактного измерения объема грунта перед рабочим органом ЗТМ, проведены теоретические исследования возможностей создания датчика объема грунта. Разработан метод автоматического управления процессом копания грунта, базирующийся на поиске экстремума производительности ЗТМ.

Практическая ценность работы заключается в определении параметров работы динамической системы "автогрейдер — устройство управления рабочим органом", разработке и создании двух вариантов радаоволнового высокочастотного датчика объема грунта перед рабочим органом ЗТМ, проведении их испытаний. Создано новое программное обеспечение для выпускаемой промышленностью системы автоматического управления рабочими органами "Разрез-МП", позволяющее совмещать работу регулятора по максимуму производительности со стабилизацией угла наклона отвала к горизонтали в поперечной плоскости. Разработана и испытана система автоматического управления процессом копания грунта автогрей-

дером, применение которой увеличило его техническую производительность на 14 % и снизило удельный расход топлива на 5 %. Экономический эффект от автоматизации процесса копания грунта для автогрейдера ДЗ-199 составил 9918 деноминированных рублей в год на одну машину.

Реализация работы. Разработанная ,система автоматического уггсайления рабочим органом ЗТМ внедрена АО "Автояср" путем применения при опытных испытаниях автогрейдера, ДЗ-199.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ВГАСА 1995 — 1998 гг.; конференции, посвященной итогам работы межвузовской научно-технической программы "Архитектура и строительство" за 1593 — 1997 гг., Санкт Петербург, 1997 г.; всероссийской научно-технической конференции "Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация", Воронеж, 1997 г.; VII международной научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий", Череповец, 1937 г.; международной научно-техничесгай конференции "Интерстроймех", Воронеж, 1998 г.;" заседании кафедры строительных и дорожных машин Воронежской государственной архитектурно-строительной академии, 1998 г.

Публикации■ Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах. Получено два патента РФ на изобретения.

Структура к объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы из 107 наименований и 9 приложений.

Диссертация содержит 125 страниц машинописного текста,' 6i иллюстраций и 6 таблиц. < ■ •

На защиту выносится: Пространственная математическая модель автогрейдера с колесной формулой 1x2x3 при копании и перемещении грунта в нормальных рабочих условиях и режимах; результаты теоретических исследований работы замкнутой динамической системы "автогрейдер — устройство управления рабочим органом" с различными регуляторами; высокочастотный радооволновый способ измерения объема грунта перед рабочим органом ЗТМ; алгоритм автоматического управления рабочим органом ЗТМ по величине текущей производительности, основанный на оценке набора грунта рабочим органом и действительной скйрости движения машины; результаты экспериментальных исследований работы автогрейдера ДЗ-199 при копании грунта основным отвалом в ручном и автоматическом режимах управления.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи исследований, указываются научная новизна, практическая ценность и осно'вные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследований" рассматриваются и анализируются научные работы по исследованию возможностей оптимизации рабочего процесса ЗТМ с помощью автоматического управления.

Большое внимание этой проблеме уделяли А.М.Холодов, С.Н.Деревянко, В.Ф.Амельченко, А.А.Ерофеев, Д.П.Волков, Е.Ю.Малиновский, В. Н'. Тарасов, Б.Д.Кононыхин, Ю.В.Варко-вастов, Н.А.Ульянов, П.И.Никулин, Т.В.Алексеева, В.Д.Гле-

5ов, Г.И.Асмолов, И.М.Тепляков/ А.М.Васьковский, Л.Я.Ци-серман, Э.Н.Кузин, Ю.И.Калинин, Б.Д.Шумаков, В.К.Цветков 1 другие..

Проведенный анализ литературы показывает, что работы, выполненные до настоящего времени в области автоматического управления процессом копания грунта ЗТМ, носят поисковый характер. Качество управления, влияющее на текущую производительность машины, во многом зависит от правильности выбора информационного сигнала управления. Основной причиной медленного внедрения систем регулирования режима работы ЗТМ в процессе копания грунта является ограниченность средств измерения информационных параметров и отсутствие обоснованного преимущества какого-либо косвенного информационного сигнала перед другими.

В связи с вышеизложенным, определены следующие задачи исследований. ~

1. Разработать и исследовать пространственную математическую модель автогрейдера.с колесной формулой 1x2x3, отражающую физические процессы, происходящие при работе ЗТМ в тяговом режиме, провести ее анализ с целью выбора информационных параметров управления процессом копания грунта.

2. Изучить возможности создания радиоволновых бесконтактных датчиков объёма грунта перед отвалом.

3. Разработать алгоритм автоматического управления рабочим органом ЗТМ в процессе копания грунта по параметру производительности.

4. Провести теоретическое сравнение выходных параметров замкнутой динамической системы "автогрейдер -устройство управления рабочим органом" при работе с раз-

личными регуляторами.

5. Разработать и создать экспериментальный макет системы автоматического управления.

6. Провести лабораторные, полевые испытания и экспериментальные исследования эффективности работы предложенной системы автоматического управления процессом копания грунта ЗТМ.

Во второй главе "Аналитическое исследование работы ^.атогрейдера при копании • грунта отвалом" для

предложенной модели автог£=Лдс£ч ' 1 ) приняты сле-

дующие допущения: автогрейдер является объемным абсолютно жестким телом, которое движется прямолинейно по ровной недеформируемой горизонтальной поверхности; характеристики колесного движителя не зависят от интенсивности изменения нагрузки.

Для прямолинейного поступательного движения уравне'-ния действующих сил и моментов запишутся в виде:

Г ^ •= + Ъ + Т5 + Тй - Р;1 - ' •

—Р .— Р— Р— Р— р = о ' '

рп врп гсп и

где Т2, Ть — сила тяги, развиваемая каждым ведущим

колесом, кН; Р£1, Р£, — силы сопротивления качению ведомых колес, 'кН; Ррл — продольная составляющая силы сопротивления грунта резанию, кН; РПрП — продольная составляющая силы сопротивления перемещению призмы грунта, кН; Рся — продольная составляющая силы сопротивления скольжению грунта по отвалу, кН; Р^ — сила инерции поступательно движущихся масс, кН.

I Г, = Ррв + Р„р0 -

5'лс. 1 Схема автогрейдера с действующими на него - нагрузками .

где Рре" - боковая составляющая силы сопротивления грунт резанию, кН; Рпр6 — боковая составляющая силы сопротивле ни я перемещению призмы грунта, кН; Р=0 — боковая состаг ляющая силы сопротивления скольжению грунта по отвалу г-Н; ?.. - Р..;- - боковые реакции грунта на колеса деижите ля, кН.

X ^ = Й! + Н2 + йз + ^ + '+ + РрВ ~ С = 0 , ( 3 )

где 1*1 — И6 — нормальные реакции грунта на колеса автс

грейдера, кН; Ррв - вертикальная составляющая силы сопрс

тивления грунта резанию, кН; С — сила тяжести автогрейде

ч

ра, кН.

£ Мх = а(1?4- + И5 + К6) - а(Н1 + Я2 + +

( ^ )

+х(рпр6 + р=в) - + = о .

где а, 1, ЬР, — расстояния, определяющие точки приложеки соответствующих сил, м.

X М.. = ъ(к, + К,) + сР„в - п(К, + И.) - т(к, + +

/ \ / " \ ' ! 5 ' +'пр(р._ + Р,;) - 1(РПГ„ + Р;г) + М + с!Р_0 = 0

где М — крутящий момент на центральных полуосях баланси

ров, кН-м; Ь, с, п, ш, д. — расстояния, определяющие точк

приложения соответствующих сил, м.

£ М. = а Р.., - аРг-; + а(т: + Т,) - а(т5 + Т.) -

-п(к;; + - т(ЕЦ, + Р..,) + с(ке. + Р.-.,) - , ! 6 )

-гРр, - Црпр, + Рсе) + р(р„р„ + Р:п) = 0

где г, з, р — расстояния, определяющие точки приложзни соответствующих сил, м.

Из уравнения ( 1 ') с учетом формул для определеки Р-: и (Р-; * ?«.]) получим уравнение движения автогрейдера:

~ = I (т - Рр„ - Pnpn - Pen - fk(Ri + R,)), ( 7 )

где 1)д — действительная скорость движения машины, м/с; g — ускорение свободного .падения, м/с3; fK — коэффициент сопротивления качению колес; Т — 'суммарная сила тяги, развиваемая колесным движителем, кН.

В результате решения системы.! 1 )( б ) выражение для силы тяги колесного движителя будет иметь вид: '

, ч G du„

Т = к, • В • hP ■ sin CLrx + tjfRj + R() +--- +

g dt ' -

+0,001 ; V ■ p • д(ц • sin a^. + ц' • eos2 ap • sin a^ + ( 8 )

+H ■ fi' ■ eos a^ ).

где ki — удельное сопротивление грунта резанию, кПа; В -ширина отвала, м; h¡> — толщина срезаемой стружки, м; азх — угол захвата, град; V — объем призмы, м3; р — плотность грунта, кг/м'; ц — коэффициент трения грунта по грунту, fi' — коэффициент трения грунта по металлу; а? — угол резания, град.

Таким образом, одним из результатов аналитического исследования пространственной математической модели автогрейдера язлчется получение .выражения, описывающего связь между силой тяги и рядом таких параметров, как угол захвата, угол резания, толщина стружки, объем грунта перед отвалом, физико-механические свойства грунта и др.

С точки зрения автоматизации управления рабочим органом автогрейдера б процессе копания грунта особой значимостью обладает взаимосвязь силь; тяги колесного двихг-теля и объема грунта перед отвалом, позволяющая сделать быв од с возможности использования величины объема грунта

перед отвалом в качестве одного из информационных параметров.

Анализ теоретических исследований проводился с использованием персонального компьютера- IBM PC.

3 третьей главе "Система автоматического уп'разлени рабочим органом автогрейдера в процессе копания грунта' исследована работа „ замкнутой динамической систем: "автогрейдер — устройство управления рабочим органом" пр: использовании различных регуляторов, изучены возможност! создания системы датчиков, изложен алгоритм автоматического управления рабочим органом ЗТМ в процессе копани: грунта, разработаны принципиальные схемы системы автоматического управления.

На практике относительный объем грунта перед отвалом измеряется радиоволновым высокочастотным датчиком, ДЕа способа реализации которого защищены патентами РФ Информацию о изменении объема грунта в выбранном вариант« исполнения несет частота выходного сигнала датчика.

Система автоматического управления ( рис. 2 ) состоит из датчика объема грунта перед рабочим органом, датчика действительной "скорости движения машины, управляющего блока и исполнительного механизма. Управлявши! блок включает в себя устройство ввода, однокристальны; микроконтроллер, ПЯЗУ и устройство вывода. Исполнительной механизм содержит электрозолотники и гидроцилиндры.

В качестве информационных параметров в системе используются относительный объем грунта перед рабочим органом и действительная скорость движения машины в процессе копания грунта, значения - которых снимаются с соответствующих датчиков. Произведение этих параметров, деленко!

5 длину отвала,- дает численное выражение, характеризую-;е мгнозенную производительность. В зависимости от размети между предыдущим и текущим значением мгновенной юизводительности в данный момент времени вырабатывается 1гнал на заглубление или гыглубление рабочего органа.

с. 2 Структурная схема основного, контура системы авто-тического управления рабочим органом ЗТМ.

Во время, работы постоянно снимаемые показания дат-коз действительной скорости движения, машины и объема унта перед отвалом сравниваются с заданными опорными ачениями этих величин. На рис. 3 приведена блок-схема горитма работы системы автоматического управления отЕа-м автогрейдера.

Сигнал разрешения регулирования блоку, выполняющему акции умножителя и логического устройства, подается лько при условии преобладания измеренных датчиками па-метров над опорными сигналами. Если же одно из этих ловий ке выполняется, то исполнительный механизм полу-

чает команду- на выглубление или заглубление рабочего ор гана. Следует отметить, что в системе предусмотрена воз мощность перехода на ручное управление в любой момен времени.

Рис. -4. Блок-схема алгоритма работы системы автоматическо го управления рабочим органом автогрейдера.

В качестве устройства управления используется вы

/скаемая промышленностью система автоматического улрав-эния рабочими органами "Разрез-МП" с измёненным алгорит-эм работы, которая в исходном варианте предназначена для 5еспечения необходимого продольного и поперечного пр'офи-ч обрабатываемой поверхности. Контур стабилизации угла аклона отвала к горизонтали в поперечной плоскости со-ранил свое назначение. Второй контур системы в резуль'та-е ее перепрограммирования был наделен функцией экстре-ального управления рабочим органом по■величине мгновен-ой производительности.

Обязательным условием получения наибольшей возможен производительности является проведение работы .при одной подаче топлива.

При статистических испытаниях на ЭВМ предложенное стройство управления показало более высокую эффектив-ость по сравнению с известными, а его работа характери-оваласъ математическим ожиданием производительности 46£> 3/ч при дисперсии 0,8 (м3/ч)2.

Для проверки работоспособности устройства управле-ия копанием грунта автогрейдером в полевых условиях раз-аботаны принципиальные схемы и изготовлен действующий акет.

В четвертой главе "Экспериментальные исследования аботы автогрейдера с автоматической системой управления роцессом копания грунта" изложены программа эксперимен-альных исследований, методика их выполнения и анализ результатов.

В процессе экспериментальных исследований были ре-гены следующие задачи: экспериментальное получение и ис-:ледование тяговой характеристики автогрейдера; исследо-

вание эффективности работы устройства управления прош сом копания грунта автогрейдером в полевых условиях, оценка возможности применения радиоволнового датчика ь бора грунта рабочим органом для различнйх ЗТМ; проведен сравнительных эксплуатационных испытаний с целью получ ния технико-экономических, показателей работы автогрейде при. ручном и. автоматическом режимах управления отвалом.

Экспериментальные исследования подтвердили правил ность выбора информационных параметров и работоспосо ность системы автоматического управления рабочим орган ЗТМ. -

- Установлено, что расхождение экспериментальных теоретических показателёй

составило не более 4,0 ' , ч не выходит за пределы допустимой погрешности и - прений. Применени

е разработанной сист^'" * автоматическо управления позволило увеличу- производительность авт грейдера ДЗ-19? ■-"- *.. ~/а и снизить удельный расход топли на о Проведенный расчет технико-экономической эффе

тивности показал, что годовой экономический эффект применения устройства автоматизации на одну машину в для автогрейдера ДЗ-199 составил 9518 деноминирован» рублей.

Основные выводы На основании проведенных исследований получены сл< дующие результаты и сделаны выводы:

1. Построена и исследована пространственная матем« тическая модель автогрейдера с колесной формулой 1x2;

I «копании грунта основным отвалом.

2. Полученная из анализа результатов исследований ■ематической модели взаимосвязь силы тяги колесного [жителя и объема грунта перед отвалом подтверждает воз-:ность использования величины объема грунта перед отва-I автогрейдера в качестве одного из информационных па-[етров для системы автоматического управления рабочим аном в процессе копания грунта основным отвалом.

3. Разработан алгоритм построения системы автомати-кого управления процессом копания грунта автогрейдером мгновенной производительности, основанный на использо-ии в качестве информационных параметров объема грунта ед рабочим органом и действительной скорости движения ины.

4. Теоретические исследования замкнутой динамикой модели "автогрейдер — устройство управления рабо-

органом" с различными системами автоматического авления копанием грунта показали, что наиболее эффек-кым является принцип экстремального управления по овенной производительности.

5. Полевые испытания разработанного автоматического ройства управления процессом копания грунта автогрей-

4

зм показали его работоспособность и более высокую эф-гивность по сравнению с ручньм управлением. Техниче-ч производительность автогрейдера при этом повивается 14 %, а удельный расход топлива снижается на 5 %.

6. Предложенная система, сочетает поиск максимума эвенной.производительности с одновременной стабили-1ей угла наклона отвала к горизонтали в поперечной :кости машины, так как в результате перепрограммироза-

ния выпускаемой промышленностью микропроцессорной систе! " Разреэ-МП " один из контуров получил функции экстр< мального управления рабочим органом по 'величине мгнове) ной производительности, а второй — сохранил свое назнач! ние по стабилизации угла наклона отвала к горизонтали поперечной - носкости. Автогрейдер, оборудованный предл( женным авто: :тическим устройством управления, характер1 зуется удовлетворительными планирующими качествами. Вы« та неровностей микропрофиля изменяется в пределах 20 - ; мм и может быть ликвидирована при отделочных работах s один — два прохода.

7. Радиоволновйй датчик объема грунта, информацио}

*

ные сигналы которого используются в системе автоматичё ского управления рабочим органом автогрейдера, может npi-меняться и на других ЗТМ. В частности, его применен» опробовано на бульдозере и на бульдозерном рабочем оберу довании автогрейдера.

8. Расхождение между теоретическими и экслерпмен тальными показателями, характеризующими работу автогрей дера при копании грунта, составило не более 4,0 %, что н выходит за пределы допустимой -погрешности измерений. Эт отклонение может быть объяснено неоднородностью грунта текущими изменениями его физико-механических свойств.

9. Экономический эффект от применения разрабстанно системы автоматического управления рабочим органом авто грейдера в процессе копания грунта составил 9918 деноми нированных рублей в год на одну машину.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Никулин П.И., Тепляков И.М., Кононов 'A.A. Системы' томатизации землеройно-транспортных машин. // Ме.-квузов

ский сборник научных трудов: Исследование строительных и дорожных машин. - Воронеж: ВГАСА, 1996. - С. 79-80.

2. Никулин П.И., Тепляков И.М., Кононов A.A. О возможности измерения уровня вещества интерференционным высокочастотным уровнемером. // Сборник тезисов VII Международной научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий". - Череповец, 1997. - С. 62-63.

3. Кононов A.A. Радиоволновые датчики контроля уровня среды, разрабатываемой ЗТМ. // Материалы 50- Юбилейной научно-технической конференции. Краткое содержание докладов аспирантов и соискателей по проблемам архитектуры и строительных наук. - Воронеж: ВГАСА, 1997. - С. 57-58.

4. Аникеенко Г.Н., Кононов A.A. Радиолокационный поляризационный метод определения электрических параметров земных сред. // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции "Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация". — Воронеж, 1997. — Т. 3, С. 1419-1427.

5. Кононов A.A. Возможность оптимизации тягового режима эемлеройно-транспортных машин. // Материалы 50ä Юбилейной научно-технической конференции. Краткое содержание докладов аспирантов и соискателей по проблемам архитектуры к строительных наук. - Воронеж: ВГАСА, 1997. - С. 54-56.

6. Никулин П.И., Тепляков И.М., Кононов A.A., Авдеев Ю.В., Енин В.И. Высокочастотный уровнемер. Заявка на получение патента РФ Ü> 96103928, 1998, бюлл. № 1.

7. Никулин П.И., Тепляков И.М., Кононов A.A., АвдееЕ Ю.В., Енин В.И. Интерференционный высокочастотный измери-

тель уровня. Заявка на получение патента РФ Я> 95106042, 1998, балл. N' 1.

8. Никулин H.H., Тепляков И.М., Кононов A.A. О возможности экспресс-определения влажности грунта поляризационным методом. // Известия ВУЗов: Строительство. — 1995. — »1. - С. 57-сЗ.

Получено даа патента РФ на изобретение.

Лицензия ЛР "г 020450 от С4.С2.3? г.

Подписано в печать Формат 60x84. 1/16

Уч.-изд.л. 1,0. Бумага для множительных аппаратов. Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано на ротапринте Воронежской государственной

архитектурно-строительной академии

394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, ВГАСА.