автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Система автоматизации проектирования основных геометрических параметров дорожных машин с фрезерным барабаном

На правах рукописи

КОКОРИН АЛЕКСЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ОСНОВНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДОРОЖНЫХ МАШИН С ФРЕЗЕРНЫМ БАРАБАНОМ

Специальность 05.13.12 — Системы автоматизации проектирования (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2010

1 ДПР 2010

004600433

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобилыю-дорожная академия".

Научный руководитель: доктор технических паук, профессор

Щербаков Виталий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Галдин Николай Семенович

кандидат технических наук, доцент Михайлец Сергей Никитич

Ведущая организация: ОАО «Конструкторское Бюро

Транспортного машиностроения»

Защита диссертации состоится 23 апреля 2010 г. в 16.00 ч. на заседании объединённого диссертационного совета ДМ 212.250.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия" по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия".

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира 5, тел., факс: (3812) 65-03-23, e-mail: Arkhipenko_m@sibadi.org

Автореферат разослан 23 марта 2010 г.

Ученый секретарь объединённого диссертационного совета ДМ 212.250.03 кандидат технических наук

М.Ю. Архипепко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

С течением времени дороги изнашиваются как физически — на них появляются неровности и выбоины, так и морально — их грузоподъемность становится недостаточной. Восстановление покрытия требует значительных затрат. Дорожное полотно должно иметь одинаковую толщину по всей ширине дорога, а также боковой уклон для надежного отвода воды. Чтобы эти условия обеспечивались, профиль базовой поверхности, подготовленной для укладки асфальтобетона, должен быть очень точцо. выдержан. Подготовку профиля базовой поверхности выполняет строительная дорож- . ная машина с фрезерным барабаном - дорожная фреза (ДФ), исходя из этого, эффективность рабочего процесса (РП) исследуемой в настоящей работе машины оценивалась по точностным характеристикам.

Добиться максимальной эффективности РП можно лишь путем применения комплекса наиболее эффективных технических решений. Для этого требуется провести анализ и синтезировать различные варианты конструкций, что по ряду причин затруднительно или невозможно без применения системы автоматизации проектирования" (САПР), которая позволит существенно снизить затраты времени и средств на создание новых и модернизацию существующих строительных дорожных машин.

В предшествующих исследованиях не в полной мере были установлены закономерности влияния основных геометрических параметров дорожной фрезы на ее точностные характеристики. В связи с этим возникла необходимость исследования точностных характеристик дорожной фрезы и необходимость создания САПР обеспечивающую оптимальные геометрические параметры дорожной фрезы.

Цель диссертационной работы:

Разработка САПР основных геометрических параметров дорожной фрезы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выбрать и обосновать критерий эффективности рабочего процесса дорожной фрезы;

- разработать математическую модель рабочего процесса дорожной фрезы;

- разработать инженерную методику и алгоритм автоматизации выбора основных геометрических параметров дорожной фрезы;

- разработать САПР основных геометрических параметров дорожной фрезы.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, математического анализа, прикладной математики, теории алгоритмов, компьютерного моделирования и системного анализа. Научная новизна работы заключается в:

- разработанной обобщенной математической модели рабочего процесса ДФ;

- установленных функциональных зависимостях, отражающих связь компонентов векторного критерия эффективности и основных геометрических параметров ДФ.

Практическая ценность работы состоит в: инженерной методике; разработанных алгоритмах автоматизации проектирования основных геометрически параметров ДФ; программном продукте для синтеза основных геометрических параметров ДФ в автоматизированном режиме. На защиту выносятся:

- Обобщенная математическая модель рабочего процесса ДФ, включающая в себя математические модели подсистем: базовая машина, микрорельеф, сила реакции асфальтобетона на рабочий орган (РО), элекгрогидропривод, система управления РО.

- Полученные функциональные зависимости, отражающие связь основных геометрических параметров ДФ и компонентов векторного критерия эффективности;

— Инженерная методика расчета оптимальных геометрических параметров ДФ и алгоритмы автоматизации расчетов.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на следующих конференциях:

■ Международном конгрессе «Машины, технологии и процессы в строительстве» (г. Омск, СибАДИ, 2007);

■ 62-й научно-технической конференции ГОУ СибАДИ (г. Омск, СибАДИ, 2008);

■ Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых исследователей «Теоретические знания - в практические дела» (г. Омск, ГОУ ВГТО «РосЗИТЛП», 2008, 2009);

■ IV Всероссийской научно-практической конференции «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (г. Омск, СибАДИ, 2009);

■ На заседаниях и научных семинарах кафедры «Автоматизация производственных процессов и электротехника» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Реализация работы. В ОАО «КБ Транспортного Машиностроения» г. Омска принята к внедрению система автоматизации проектирования основных геометрических параметров ДФ.

Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников. Объем диссертации составляет в целом 149 страниц основного текста, в том числе 16 таблиц, 69 рисунков, список литературы из 80 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована проблема, обоснована актуальность и приведены основные аспекты диссертационной работы.

В первой главе описан рабочий процесс ДФ, проведен анализ существующих средств и методов фрезерования асфальтобетона. Проанализированы требования к геометрической точности работ по устройству асфальтобетонного покрытия и эксплуатационному состоянию автомобильных дорог. На основании проведенного анализа существующих технических средств управления РО ДФ, предложены современные средства автоматизации РП ДФ.

Обоснован векторный критерий эффективности РП ДФ: Кэ (1)

где Ку — коэффициент сглаживания в продольной плоскости; Ку — коэффициент сглаживания в поперечной плоскости.

Сформулированы цель и задачи диссертационной работы, а так же объект и предмет исследований.

Во второй главе изложена общая методика теоретических и экспериментальных исследований. На основе методологии системного анализа выявлены основные этапы решения поставленных задач и определена структура работы.

~' В третьей главе представлена совокупность математических моделей отдельных подсистем, на основании которых составлена обобщенная математическая модель РП ДФ.

Входными параметрами обобщенной математической модели РП ДФ являются:

• заданное значение поперечного угла перекоса РО;

• заданное значение вертикальной координаты центральной нижней точки РО;

• возмущающие воздействия на элементы ходового оборудования базовой машины со стороны микрорельефа;

• сила реакции фрезеруемого асфальтобетона на РО.

Выходными параметрами обобщенной математической модели РП ДФ являются:

• текущее значение поперечного угла перекоса РО;

• текущее значение вертикальной координаты центральной нижней точки РО.

Для математического описания отдельных подсистем математической модели РП ДФ использовался аппарат передаточных функций и систем дифференциальных уравнений, описывающих исследуемые свойства объекта

При математическом описании подсистемы базовой машины приняты следующие допущения:

- машина представляет собой шарнирно-сочлененный многозвешшк с наложенными на него упруго-вязкими связями;

- люфты в шарнирных сочленениях отсутствуют;

- звенья машины представлены как абсолютно жесткие стержни;

- машина движется прямолинейно с постоянной скоростью;

- элементы ходового оборудования не отрываются от опорной поверхности и имеют с ней постоянный точечный контакт;

- упруго-вязкие свойства элементов ходового оборудования представлены телами Фохта

С учетом принятых допущений была составлена пространственная расчетная схема ДФ, которая представлена на рисунке 1.

Для выполнения расчетов в инерциальной системе координат ОоХ^оУо была задана плоскость отсчета, проходящая через оси О0Х0 и О0У0.

На рисунке 1 даны следующие обозначения: 7.Ш| - высота неровностей микрорельефа под передним правым колесом; Zпл — высота неровностей микрорельефа под передним левым колесом; Zзп — высота неровностей микрорельефа под задним правым колесом; 2ЗЛ — высота неровностей микрорельефа под задним левым колесом;

2роп - изменение глубины фрезерования по правому краю РО; 7Рол - изменение глубины фрезерования по левому краю РО; Ь - длина базы дорожной фрезы; - расстояние от оси передних колес до оси РО; - расстоянии от оси задних колес до оси РО; Ьз - ширина базы машины; -ширина РО; у ро - угол поперечного наклона РО; С1,..., С4 - коэффициенты жесткости элементов ходового оборудования; Ы, ..., Ь4 - коэффициенты , вязкости элементов ходового оборудования.

Для получения математических зависимостей перемещения рабочего органа в пространстве от перемещений передних и задних колес была составлена расчетная схема положе- О Рисунок 2 - Расчетная схема положения нияРО (рисунок 2). рабочего органа

На рисунке 2 введены следующие обозначения:

Ь2? — вертикальная координата, па которую опускается РО относительно опорной поверхности, переходя в рабочий режим; уп - расстояние от правого края базы до правого края РО; уд - расстояние от левого края базы до левого края РО.

Для составления уравнений геометрически связей введено понятие коэффициента

базы - К6:

к-к Кб~Т

(2)

Таким образом, из расчетных схем (рисунки 1 и 2), была определена геометрическая связь между изменением координат положения РО в пространстве и неровностями микрорельефа под элементами ходового оборудования.

У го = агс1&

иПЛ + '

4

(3)

'¿го,, = {1~Кб )• 7->",+кб- 23„ - 18Гт -У,,-Ж; (4)

2еол = ~ кб ) + V - ж,,, ■ Ул - лг(5) В данной работе для реализации стохастических неровностей микрорельефа была принята корреляционная функция: Щг) = ак2 ■ ессм/ркт) . (6)

Для моделирования микрорельефа на ЭВМ была использована программа, написанная на языке системы МАТЪАВ. В данной программе для моделирования неровностей микрорельефа использовалось рекуррентное уравнение (7).

) = адх(1) + а1-х(1 ~А1)+Ь,- 2(1 -А1) + Ьг-г(1-2М), (7)

где а - среднеквадратическое отклонение микрорельефа; а, р — коэффициенты затухания и периодичности корреляционной функции.

С учетом принятых допущений, была составлена струюурная схема базовой машины ДФ, которая представлена на рисунке 3.

На рисунке 3 даны следующие обозначения:

2мрп~ высота неровностей микрорельефа правой колеи;

¿мгл- высота неровностей микрорельефа левой колеи;

гI - время, за которое ДФ проходит расстояние £ (расстояние между осями);

7«,

® .

1

1 ^мрл

--:

Рисунок 3 - Структурная схема базовой машины дорожной фрезы

к„

Тп,рг + ТП1р + 1

- передаточная функция переднего колеса;

- передаточная функция заднего колеса;

т!31р! + Т32р+1

кп - коэффициент передачи переднего колеса, кп = I / сл, где сп - коэффициент жесткости передней шипы; к3 - коэффициент передачи заднего колеса, к3 = 1 / с3; где с3 — коэффициент жесткости задней шины; Тщ, Тщ — постоянные времени переднего колеса; Т31, Т32 - постоянные времени заднего колеса.

Для составления математической модели процесса управления вертикальными координатами РО и углом наклона РО были составлены уравнения геометрических связей между перемещениями штоков гидроцилиндров (ГЦ) задних опор рамы и вертикальной координатой нижней точки РО.

Расчетная схема для составления уравнений изображена на рисунке 4.

I Л

Рисунок4-Пространстве7шаярасчетная схема процесса подъема-опускания рабочего органа

На рисунке 4 даны следующие обозначения: 3,/ - ход штока ГЦ правой задней опоры рамы; 5^/-ход штока ГЦ левой задней опоры рамы;

5"я - перемещение точки пересечения плоскости РО (0272У2) с правой стороной рамы БМ, вследствие хода штока ГЦ правой задней опоры рамы;

Б'л — перемещение точки пересечения плоскости РО (0222¥2) с левой стороной рамы БМ, вследствие хода штока ГЦ левой задней опоры рамы;

2ро.пгц ~ перемещение правой точки крепления РО к раме БМ, вследствие хода штока ГЦ правой задней опоры рамы;

2ролгц - перемещение левой точки крепления РО к раме БМ, вследствие хода штока ГЦ левой задней опоры рамы.

Для получения математических зависимостей перемещения РО от хода штоков ГЦ задних опор рамы была составлена расчетная схема положения РО в базе машины (рисунок 5).

Для составления структурной схемы математической модели процесса подъема-опускания РО, были составлены уравнения, которые отражают зависимость вертикальных координат нижних точек РО и угла наклона РО от величины хода штоков ГЦ задней опоры рамы.

Уравнение зависимости угла наклона РО от величины хода штока ГЦ задних опор рамы:

1( , • Бп — Л";, • 5 у

<8Г» = "г " • (8)

Рисунок 5 -Расчетная схема процесса подъема-опускания рабочего органа

Уравнения зависимости вертикальных координат нижних точек РО от величины хода штоков ГЦ задних опор рамы.

^Ю.П.ГЦ ~ ■ Бп

2рол.гц ~ КБ '

-Кб ^л

Кб ' ~ Кг • 5л

• Уп;

- У л ■

(9) (10)

Уравнения (8 - 10) позволили составить структурную схему математической модели процесса управления вертикальными координатами РО и углом наклона РО от перемещения штоков гидроцилинд-рой задней опоры рамы (рисунок 6).

Разработанная математическая модель процесса подъема-опускания РО ДФ позволяет рассчитывать положение РО в пространстве в зависимости от управ-

Лэ-

ш

Уро —>

й

РОЛГк ->

'-рола —>

Рисунок 6 - Структурная схема математической модели процгсса подъема-опускания рабочего органа

ляющего воздействия со стороны гидропривода, формировать необходимые управляющие воздействия, компенсирующие неуправляемые перемещения РО, вызванные воздействием неровностей микрорельефа на ходовое оборудование и реакцией со стороны разрабатываемой среды на РО.

Анализ нагрузок на РО ДФ показал, что реальные процессы изменения сил могут бьггь представлены только как случайные процессы.

В связи с этим в данной работе математическая модель реакции разрабатываемого асфальтобетона на РО представлена как сумма двух составляющих: низкочастотной (тренда) и высокочастотной (флюктуации):

РГ0 = РГ + РФ, (11)

где РРО — сила реакции фрезеруемой поверхности на РО; - низкочастотная составляющая силы реакции (тренд), зависящего от толщины срезаемой стружки, физико-механических свойств фрезеруемой поверхности, параметров РО; Р,р — высокочастотная составляющая силы реакции (флюктуация).

Корреляционные функции флюктуации при резании аппроксимируются выражением:

= (12)

где <Тф — дисперсия силы флюктуации; пФ и [!,р — параметры корреляционной функции; тк - интервал времени корреляции.

Вектор силы реакции высокочастотной составляющей быть представлен его компонентами: горизонтальной, вертикальной и поперечной составляющими (рисунок 7).

На схеме введены следующие обозначения:

/•;„ Рг - горизонтальная, вертикальная и поперечная составляющие вектора равнодействующей силы реакции асфальтобетона на РО; Л/, Дг> .... Л* - силы реакций поверхности на элементы ходового оборудования; С:, С2, .... С6 - коэффициенты жесткости элементов ходового оборудования, гидроцилиндров; Ь), Ь2, ..., Ь6 -коэффициенты вязкости элементов ходового оборудования, гидроцилиндров.

Расчетная схема низкочастотной составляющей представлена на рисунке 8.

Главная составляющая силы резания (Рок) рассчитывается с учетом величины выбранных элементов режима резания по эмпирической формуле (13).

Рисунок 7 — Расчетная схема для определения влияния реакции фрезеруемой поверхности на позиционирование рабочего органа дорожной фрезы

—

В" п"

■к.

(13)

(14)

Для решения поставленной в работе задачи достаточно, чтобы вектор силы реакции высокочастотной составляющей Рт был представлен его вертикальной составляющей Р2.

Из расчетной схемы (рисунок 8):

П.1

+12Х

АВ = Ра; (16)

СО = с1ё8ЕО; (18)

АВ = соя8 ■ АС; (20) Из расчетной схемы (рисунок 7) можно записать: ^¡г =

= = = Ш = (17)

АС = АО-СО^Рт~^8^Р; (19)

Ерп

СР,

(22)

где А1р. т изменение вертикальной координаты РО; - приведенные значения вертикальных компонентов изменения вектора силы, Сно - приведенные значения жесткости элементов ходового оборудования и элементов гидропривода РО.

Рисунок 8 - Расчетная схема низкочастотной составляющей реакции асфальтобетона (тренда) на рабочий орган дорожной фрезы

С учетом указанных допущений можно записать: 2Р01! = '¿ги + А'1И, (23)

где - вертикальная координата центральной нижней точки РО; 2ГО - вертикальная координата центральной нижней точки РО без учета действия сил реакции асфальтобетона; Л/|.- - изменение вертикальной координаты центральной нижней точки РО под действием сил реакции асфальтобетона.

На рисунке 9 представлена структурная схема, отражающая математическую модель влияния реакции асфальтобетона на точность позиционирования Ю.

Для описания математической модели системы управления рабочим органом дорожной фрезы (СУ РО ДФ), она была разделена на две подсистемы: электрогидропривод (ЭГП) РО ДФ и устройства управления (УУ) РО ДФ. Для каждого из элементов, входящих в подсистемы ЭГП РО ДФ и УУ РО ДФ, составлена своя математическая модель, представляющая собой дифференциальные уравнения, и затем составлена система дифференциальных уравнений.

При математическом описании ЭГП РО ДФ в качестве входного воздействия принята выходная координата порогового элемента, в качестве выходной координаты - перемещение штока ГЦ.

Так как ЭГП обладает такими свойствами, как время запаздывания и скорость перемещения штоков ГЦ в установившемся режиме, переходные процессы разгона и торможения штоков ГЦ, то были выделены следующие характерные стадии переходного процесса: - чистое запаздывание тп в течение которого шток находится в покое после включения, распределителя; - стадию разгона Тр, в течение которой шток разгоняется до номинальной скорости; -стадию установившегося движения.

Выделенные стадии были описаны динамической системой, представленной тремя динамическими звеньями: звено чистого запаздывания, апериодическое звено первого порядка и интегрирующее звено.

Математическое описание звена чистого запаздывания: ()г(1) = (24)

где Д, соответственно входной и выходной сигналы звена чистого запаздывания.

Передаточная функция такого звена определяется по преобразованию Лапласа, и имеет вид: IV, (р) = е~р*'. (25)

Свойства апериодического звена первого порядка определяются постоянной времени Тр, характеризующей его инерционность, и коэффициентом передачи Кр.

С учетом того, что Кр = 1, передаточная функция имеет вид:

Рисунок 9 - Структурная схема математической модели реакции асфальтобетона на рабочий орган

I

ТрР+1

Передаточная функция интегрирующего звена: Шу(р) =

(26)

(27)

где Кш - коэффициент, определяющий скорость штока гидроцилиндра в установившемся режиме.

Результирующую передаточную функцию ЭГП РО можно представить:

К... ■ е'"'-

Р(ТрР + 1)

(28)

Численные значения коэффициентов зависят от конструктивных параметров элементов ЭГП.

Подсистема УУ РО ДФ состоит' из следующих элементов: задатчик, пороговый элемент, датчик.

Датчик - представляет собой безинерционное звено. Он преобразует перемещение своего чувствительного элемента в электрический сигнал по пропорциональному закону:

Шд(р) = Кд, (29)

где Кд- коэффициент передачи.

Пороговый элемент представляет собой электронное реле с регулируемой зоной нечувствительности. Поскольку быстродействие электронных схем является высоким в сравнении с другими элементами, пороговый элемент описан как безинерционное реле.

[ + 1т,при1>с; =\о,при- с< I <,с;

(30)

'ми

-с С 1

РисунокЮ - С татическая характеристика порогового элемента

1 Тгр.1 -э Р

где г», - ток, подаваемый на электрогидрораспредели-тель; I — значение обработанного сигнала рассогласования для правого и левого параметра управления, с—ширина зоны нечувствительности порогового элемента.

Пороговыми значениями для каждого контура управления являются допустимые отклонения значений соответствующих параметров.

Сигналы от порогового элемента подаются на вход электрогидрораспределителя, который формирует управляющее воздействие на шток ГЦ, в соответствии с поступившим сигналом: +1е - подъем; 0 - бездействие; -г>. - опускание.

Элемент сравнения представляет собой алгебраический сумматор. Сравнивая поступающий на вход сигнал с задатчика с сигналом датчика, формирует сигнал рассогласования Ди.

= (31)

где идат - сигнал датчика; изадТ - номинальное значение сигнала.

Структурная схема математической модели системы управления РО ДФ представлена на рисунке 11.

Для реализации ПО- Рисунок 11 - Структурная схема математической модели системы ставленной В работе цели управления рабочим органом дорожной фрезы

построена обобщенная математическая модель рабочего процесса дорожной фрезы, которая включает в себя математические модели следующих подсистем: базовая машина, микрорельеф, реакция асфальтобетона на РО ДФ, СУ РО, ЭГП РО, механизм подъема-опускания РО.

Таким образом, обобщенная математическая модель РП ДФ представлена совокупностью структурных схем отдельных подсистем, динамические свойства элементов которых описаны с использованием аппарата передаточных функций.

Структурная схема обобщенной математической модели РП ДФ, составленная в программном продукте МаЙаЬ, представлена на рисунке 12.

На рисунке 13 представлена блок-схема алгоритма, описывающего РП ДФ. Данный алгоритм используется, как составная часть САПР основных геометрических параметров ДФ.

С^ Начала

Рисунок 12 - Структурная схема обобщенной математической модели рабочего процесса дорожной фрезы в обозначениях Ма11аЬ приложения, 8шш1тк

"кат

Рисунок 13 — Блок-схема алгоритма реализации рабочего процесса дорожной фрезы

В четвертой главе, приведены результаты теоретических исследований и дан анализ влияния основных геометрических параметров базовой машины на точностные характеристики дорожной фрезы, представлены выявленные функциональные зависимости.

В процессе исследований все параметры модели были разделены на три группы: фиксированные; случайные; варьируемые.

Дальнейшие исследования сводились к изучению влияния основных геометрических параметров на точностные характеристики дорожной фрезы, которые оценивались коэффициентами Ку, Ку. В качестве примера в таблице 1 представлены варьируемые параметры дорожной фрезы.

Параметр Интервал варьирования

Дина базы - ¿, м 3,4 м <L<5м

Ширина базы -Ьз, м 1,бм<Ь3<2,8м

Коэффициент базы - КЬ 0,4 <Кь<0,8

На рисунке 14, в качестве примера представлены полученные зависимости коэффициентов сглаживания в продольной (Ку) и поперечной (Ку) плоскостях от варьируемых параметров.

Рисунок 14- Графики зависимостей коэффициентов сглаживания в продольной (Ку) и поперечной (Ку) плоскостях от ширины базы и коэффициента базы дорожной фрезы с различной длиной базы

Установленные функциональные зависимости были аппроксимированы методом наименьших квадратов, и составлены уравнения регрессии.

Для задач аппроксимации и оптимизации использовались инструменты «Surface Fitting» и «Optimization» программного комплекса Matlab. Достоверность найденных зависимостей оценивалась коэффициентом детерминации который был > 0,7. Найденные уравнения регрессии цредставлены в таблице 2.

Фиксированный параметр Уравнение регрессии Я2

Ь = 3,4 м /(•(1,-1 ¿160Си,-0.7480л',1 5,8315-е зда4 ] 1 0,5723 0,98

-0.6181 ^Гис,-1,1757; Й к7 = 5,0196-е 'V ''М23 ] 1 ^ 0,99

Ь = 3,8 м = 5,4974. е ' ^ 2,1779 1 1 Л-> 0,96

,Г( И.-иИОА' 1(«1-1.Т29бП'11 ^ = 4,0653-е °'И0° ' 1 ^ П> 0,98

Ь = 4,2 м //"(ц-2,3139)-]' Лг.-одаьи?,! К,, = 5,865-е 1,7116 0,56,4 ^ 0,98

Кг = 76] 611081,1780- е 0,5757 J 1 0,96

Ь = 4,6 м 0 ¡( (1, -2,4339; ? 1((Л>-0,74351V П = 5,5033 е " 1 1 0'им JIJ 0,97

}< (2, -2,4095; I' (С <1,-211,72547 Й К,= 756426699,6444. е 'I1 ] 1 34Л™ ^ 0,96

Ь = 5м К, = 5,7576- е З',м } 1 0,4605 ^ 0,97

5Г1 И, -2.6531) Л* | Г"(*Г,-256,0368) Тг"Л Кг = 747640715,9604- е ' ^ 0,9278 ] 1 ^ 0,97

В работе была поставлена и решена задача условной оптимизации: - компоненты векторного критерия эффективности РП показывают, какое решение должно был. оптимальным; - граничные условия устанавливают пределы значений параметров. В данной работе задача условной оптимизации имеет вид: Ку !,3,КЬ) —>тах;) Кг (1,Ь3,Кь)->тах;)

. !> <32> гтг<£ ■ \ <т

Ь3„п - Ь3 - I Чтт-^З-Чтах'

кь„„ 5 Кь < КЬтаг. I) кЬтш < Кь <КЬ^. 1]

Следующим этапом опытов был переход от задачи условной оптимизации к безусловной оптимизации.

Для решения задачи безусловной оптимизации был использован один из методов второго порядка - метод Ньютона, который при относительной простоте обеспечил приемлемую точность.

В результате решения задачи безусловной оптимизации, для каждого значения длины базы машины были получены оптимальные значения коэффициентов сглаживания и определены значения коэффициента базы машины и ширины базы машины. В качестве примера некоторые результаты представлены в таблице 3. В работе были проведены сравнения результатов оптимизации и действительных геометрических размеров ДФ. Анализ показал, что теоретически полученные значения геометрических параметров ДФ и параметры серийно выпускаемых ДФ отличаются не более чем на 15% (таблица 4).

Таблица 3 - Результаты решения задачи безусловной оптимизации

Заданный параметр Оптимальные значения коэффициентов сглаживания Соответствующие значения параметров машины

L, м Ку Ку Kb L3, м

3,4 5,81 4,09 0,74 1,60

3,8 5,49 3,74 0,70 1,98

4,2 5,86 3,89 0,73 2,31

4,6 5,50 3,75 0,74 2,43

5,0 5,75 3,54 0,66 2,80

Таблица 4 - Сравнение результатов оптимизации и действительных геометрических параметров

Заданный параметр Дорожная фреза Найденные и действительные значения

L,M L3,m Кь

3,4 Теоретическая 1,60 0,74

"Bitelli" Deutz F5L912 1,40 0,80

3,8 Теоретическая 1,98 0,70

"Robot" RAB 1600 HD 1,90 0,80

4,2 Теоретическая 2,31 0,73

"Bitelli" Deutz BF6L913C 1,90 0,70

"Robot" RAB 1900 HD 2,20 0,80

4,6 Теоретическая 2,43 0,74

"Robot" RAB 2200 HD 2,50 0,80

ФДХС-К-1000-01 2,58 0,85

5,0 Теоретическая 2,80 0,66

"Robot" RSK 2350 2,45 0,7

Блок-схема алгоритма оптимизационного синтеза основных геометрических параметров ДФ приведена на рисунке 19.

ГА2-I Ншю

Рисунок 19 - Блок-схема алгоритма оптимизационного синтеза основных геометрических параметров дорожной фрезы

В пятой главе, на основе проведенных в работе исследований разработана инженерная методика расчета основных геометрических параметров ДФ.

Методика заключается в следующем:

1. Задать параметры проектируемой ДФ:

а) параметры ходового оборудования;

б) параметры базовой машины

в) параметры ЭГП РОДФ;

г) параметры УУ РО ДФ.

2. Задать условия исходного профиля:

а) параметры необходимые для расчета реакции асфальтобетона на РО;

б) параметры необходимые для расчета вергикальных координат микрорельефа

3. Ввести требования ТЗ.

4. Смоделировать РП ДФ в соответствии с алгоритмом реализации, представленном на рисунке 13.

5. Провести исследования математической модели на ЭВМ.

6. По полученному массиву значений параметров Zr0, ^„произвести расчет Ку, Ку для всех значений L, Кь, /.3.

7. Сформулировать задачу оптимизации: установить целевую функцию и задать граничные условия.

8. Для определенного значения длины базы (L), получить оптимальные значения коэффициентов сглаживания Ку, Ку и определить значения параметров Кь, Ь2 с оптимальными коэффициентами сглаживания, в соответствии с алгоритмом оптимизационного синтеза основных геометрических параметров ДФ, представленном на рисунке 19.

9. Если необходимо сделать выбор серийно выпускаемую ДФ, перейти к пункту 10, если нет-к пункту 11.

10. Сравнить полученные оптимальные значения геометрических параметров ДФ и параметры серийно выпускаемых ДФ. Выбрать ДФ с соответствующими параметрами.

11. Проанализировать полученные результаты проектирования:

В соответствии с инженерной методикой составлен алгоритм расчета основных геометрических параметров ДФ на ЭВМ (рисунок 20).

По разработанной инженерной методике, в среде GUI Builder программного комплекса Matlab, была написана программа «CAPP_RM», позволяющая рассчитать основные геометрические параметры ДФ в автоматизированном режиме.

Интерфейс программы представляет собой набор последовательно всплывающих окон, вид которых типичен для Windows-приложений.

Стартовое окно программы расчета основных геометрических параметров ДФ (рисунок 21) предлагает выбрать вариант расчета: конструкторский или выборочный. Далее необходимо ввести исходные данные и требования ТЗ (рисунок 22), нажать на кнопку «Далее» и программа выдаст результаты в текстовой и графической форме, в соответствии с выбором расчета (рисунки 23, 24).

Таким образом, разработанная САПР определяет оптимальные значения основных геометрических параметров ДФ, а также позволяет сделать выбор модели серийно выпускаемой ДФ с необходимыми параметрами.

Рисунок 20 - Блок-схема алгоритма расчета основных геометрических параметров дорожной фрезы на ЭВМ

'»¿•'в

новы* 5

«гМ •

СйИ-5 :

^«г» сьй-р ■

щГ"

Рисунок 21 - Стартовое окно прог раммы расчета основных геометрических параметров дорожной фрезы

ИСХОДГЬЕ ДАННЫЕ 05РАйАТЬВАШ0ЙЛ0^И^:?И : Длина учэс)*». ■ | "СО ~

иидо«* учэсца. и {"То"**

ГлуЬнаа фмоервацмии. и ОД

Тмппоея'Рмое'и ^А^слГтобстеГ^]

ИСкОДгЫР.ДАННЫб БАЗОВОЙ МАШИНЫ-

Л(ИИ4б«»М.М ОТ

Ширимо базы, м о» : Колффвциеж 6»ы ы • сь Диаметр Ьарабанз м Ширима Ьарабли. и Сжирос 1Ь зеровамия. м/с

ТРЕБОВАНИЯ ТЗ

Ка>егория дороги ГПм ............-:

Параметры оцвмк» к»часп<> ^ ^ О /*>ОМ1 '' Дрг-ие

, гтг : {22"

Рисунок 22 - Окно ввода исходных данных

»ЕЗ/ГЫАТЫ РАСЧЕТА эснуаныр! Ьдюзсй

Дтп<зъази(1).и \ii_5

Широко *Э1ЫРЗ]. и .

л»аи»<р 6ара*а«и ;0). и

Ьц.|Ь-.вз (■ Ьм}. к

С«Ч)опк ф;>»егован«я. ы,с

Кш Фбислчп ч «оюаакия »поодвинй-вйжосввет» -К? 'е-

е пив?р<« ок л/ос*ос'к Кт -1

Рисунок 23 - Окно вьюода результата конструкторского расчета

ЖСЧГГ с

Рг^УПЬТАТЫЗЬБОРА

ГАЕАРЮ1!Ы£РАЗИе-РМ

Дотеки. с»о-авЛ(Ч1« »46 Ш'риа в

высота.и с «дадаЯарм' .'80

6Мл>нмй*ув ¿(0

: Т©Ж«5СК>* -АГУКГ=ЯиСТУ«И ; Шг/Лкх I' 5.(11

Гцуаимсфргзеридалм.млс О» • Саджстьлеи«:-»

р.оо.эо. ьЛ«я дЛ ?0 Т>1И:прС!>а». ю*'* до •з - <^Мкйв<дг'еВьмЯЛ. и2ч Ж Ма:с», »00 т*

Рисунок 24 - Окно вывода результата выборочного расчета

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ предшествующих исследований позволил обосновать векторный критерий эффективности рабочего процесса дорожной фрезы, отражающий точностные характеристики дорожной фрезы: коэффициенты сглаживания в продольной и поперечной плоскостях.

2. Разработанная обобщенная математическая модель рабочего процесса дорожной фрезы, включающая в себя математические модели подсистем: базовая машина, микрорельеф, реакция асфальтобетона на рабочий орган дорожной фрезы, система управления рабочими органом, механизм подъема-опускания рабочего органа, позволила решить задачи анализа и синтеза основных геометрических параметров дорожной фрезы.

3. Проведенные исследования обобщенной математической модели, позволили установить функциональные зависимости влияния основных геометрических парамет-

ров дорожной фрезы (L, L3, Кь) на коэффициенты сглаживания обрабатываемой поверхности (Ку и K.J.

4. Разработанный алгоритм оптимизационного синтеза основных геометрических параметров дорожной фрезы, позволяет находить для заданных значений длин базы (L), оптимальные значения коэффициентов сглаживания Ку, К, и определять значения коэффициента базы (Kh) и ширины базы (L3) с оптимальными коэффициентами сглаживания.

5. Разработанная инженерная методика и алгоритм расчета основных геометрических параметров дорожной фрезы, легли в основу системы автоматизации проектирования основных геометрических параметров дорожной фрезы, которая реализована в виде программного продукта, позволяющего определять оптимальные значения основных геометрических параметров дорожной фрезы в автоматизированном режиме.

6. При сравнении результатов полученных с помощью системы автоматизации проектирования основных геометрических параметров дорожной фрезы с параметрами серийно выпускаемых дорожных фрез, расхождение составило не более 15 %.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях рекомендованных экспертным советом ВАК:

1. Кокорин A.B., Сухарев Р.Ю. Математическая модель процесса управления рабочим органом дорожной фрезы / A.B. Кокорин; Вестник Воронежского государственного технического университета —Воронеж: Том 5, №10,2009. - 147-149 с.

2. Кокорин A.B. Математическая модель системы управления рабочим органом строителыю-дорожной машины с фрезерным барабаном / A.B. Кокорин; Вестник Воронежского государственного технического университета. - Воронеж: Том 5, №11, 2009.- 187- 189 с.

В других изданиях:

3. Кокорин A.B. Технология холодного ресайклинга // Сборник научных трудов. - Омск: НГАВТ, 2008. - Вып.6. - с. 153 - 159.

4. Кокорин A.B. Совершенствование системы управления строительными дорожными машинами / A.B. Кококрин; Межвузовская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых исследователей «Теоретические знания - в практические дела». Сборник научных статей. — Омск: Филиал ГОУ ВПО «Рос-ЗИТЛП» в г.Омске, 2008. - 96-99 с.

5. Кокорин A.B. Современные системы управления строительной техникой / A.B. Кокорин; Материалы 62-й научно-технической конференции СибАДИ. - Омск: СибАДИ, 2008.-Кн.1. - 177-181 с.

6. Кокорин A.B. Математическая модель базовой машины дорожной фрезы с рабочим органом в базе машины / A.B. Кокорин; Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования. Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Омск: СибАДИ, 2009.-Кн.1. -317-321 с.

Подписано к печати 19.03.2010. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на дунликаторе.

Гарнитура Тайме Усл. п.л. 1.25; уч.-изд. л. 0,91. Тираж 100 экз. Заказ № 82.

Отпечатано в ПО УМУ СибАДИ 644080, г.Омск, пр. Мира, 5

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ состояния вопроса. Цель и задачи исследования.

1.1. Описание процесса фрезерования дорожного полотна.

1.2 Анализ существующих средств и методов фрезерования асфальтобетонного покрытия.

1.3 Анализ существующих систем управления рабочим органом дорожной фрезы.

1.4 Требования к геометрической точности работ по устройству асфальтобетонного покрытия и эксплуатационному состоянию автомобильных дорог.

1.5. Обоснование критерия эффективности.

1.6. Цель и задачи исследования.

2. Общая методика исследования.

2.1. Методика теоретического исследования.

2.2. Методика экспериментального исследования.

2.3. Структура выполнения работы.

3. Математическая модель.

3.1. Обоснование расчетной схемы.

3.1.1 Постановка цели и задачи моделирования.

3.1.2 Принятие допущений и установка ограничений.

3.2. Математическая модель базовой машины.

3.3. Математическая модель микрорельефа.

3.4. Математическая модель подъема-опускания РО.

3.4.1. Математическая модель геометрической связи вертикальных координат точек крепления РО к раме БМ и угла наклона РО от перемещения штока гидроцилиндров задней опоры рамы.

3.4.2. Математическая модель геометрической связи перемещения штока гидроцилиндра рабочего органа и вертикальной координаты нижней точки рабочего органа.

3.5 Математическая модель реакции асфальтобетона на рабочий орган дорожной фрезы.

3.6. Математическая модель системы управления рабочим органом дорожной фрезы.

3.6.1. Математическая модель электрогидропривода рабочего органа.

3.6.2. Математическая модель устройства управления рабочим органом.

3.7. Обобщенная математическая модель рабочего процесса дорожной фрезы.

3.8. Выводы по главе.

4. Результаты теоретических исследований.

4.1. Исследование математической модели дорожной фрезы в статическом режиме.

4.2. Анализ влияния возмущающего и управляющего воздействия на перемещения рабочего органа.

4.2.1. Анализ влияния величины хода штока управляющего гидроцилиндра на перемещение рабочего органа.

4.2.2. Анализ влияния возмущающего воздействия со стороны микрорельефа на перемещение рабочего органа.

4.3. Анализ влияния основных геометрических параметров базовой машины на точностные характеристики дорожной фрезы. 92.

4.3.1. Аппроксимация зависимостей.

4.3.2. Математические методы оптимизации.

4.3.3. Выбор оптимальных значений геометрических параметров дорожной фрезы.

4.4. Выводы по главе.

5. Система автоматизации проектирования основных геометрических параметров дорожной машины с фрезерным барабаном.

5.1. САПР как объект проектирования.

5.2. Состав, структура и виды обеспечения САПР.

5.3. Этапы проектирования САПР основных геометрических параметров дорожной машины с фрезерным барабаном.

5.4. Инженерная методика расчета основных геометрических параметров дорожной машины с фрезерным барабаном.

5.5. Структура САПР основных геометрических параметров дорожной машины с фрезерным барабаном.

5.6. Выводы по главе.

С течением времени дороги изнашиваются как физически — на них появляются неровности и выбоины, так и морально - их грузоподъемность становится недостаточной. Восстановление покрытия требует значительных затрат. Дорожное полотно должно иметь одинаковую толщину по всей ширине дороги, а также боковой уклон для надежного отвода воды. Чтобы эти условия обеспечивались, профиль базовой поверхности, подготовленной для укладки асфальтобетона, должен быть очень точно выдержан [39, 42].

Подготовку профиля базовой поверхности выполняет строительная дорожная машина с фрезерным барабаном — дорожная фреза, исходя из этого, эффективность рабочего процесса исследуемой в настоящей работе машины оценивалась по планировочным качествам.

Добиться максимальной эффективности рабочего процесса можно лишь путем применения комплекса наиболее эффективных технических решений. Для этого требуется провести анализ и синтезировать различные варианты конструкций, что по ряду причин затруднительно или невозможно без применения системы автоматизации проектирования (САПР), которая позволит существенно снизить затраты времени и средств на создание новых и модернизацию существующих строительных дорожных машин [30, 52].

В предшествующих исследованиях не в полной мере были установлены закономерности влияния основных геометрических параметров дорожной фрезы на ее точностные характеристики. В связи с этим возникла необходимость исследования точностных характеристик дорожной фрезы и необходимость создания САПР обеспечивающую оптимальные геометрические параметры дорожной фрезы.