автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Совершенствование планировочных машин на базе промышленных тракторов с целью повышения точности разработки грунта

сибирский ордена трудового красного знамени автомобильно-дорожныи институт 1ш. в. в. куйбышева

КОЛЯКИН ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПЛАНИРОВОЧНЫХ МАШИН НА БАЗЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРАКТОРОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ РАЗРАБОТКИ ГРУНТА

Специальность 05.05.04 — Дорожные и строительные машины

На правах ру«""""

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК 199}

Работа вшголнена в Сибирском ордена Трудового Красного Знамени автомобилыга-дорожном институте им. В. К Куйбышева на кафедре "Автоматизация производственных процессов и электротехника"! г. Ом«;).

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛИ: Заслуженный деятель науки и техники

РСЯСР, доктор технических наук, профессор |Т. В. АЛЕКСЕЕВА I; кандидат технических наук,доцент В. С. ЩЕРБАКОВ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОШЮНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор

B. К ТАРАСОВ ;

.кандидат технических наук,доцент

C. Т. БИРЮКОВ

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: Брянский орденов Ленина и Трудового

Красного Знамени завод дорожных машин им. 50-летия Великого Октября

Защита диссертации состоится 16 апреля 1991г. в 10-00 часов на заседании специализированного Совета К 063. 26.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Сибирском автомобильно- дорожном институте им. В. В. Куйбышева по адресу: 644080, Омск-80, проспект Мира, 5, СибАДИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, направлять, в адрес специализированного Совета.

Автореферат разослан "_" марта 1991 т.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА КАНДИДАТ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК, ДОЦЕНТ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Дальнейшее развитие ( строительство) сети автомобильных дорог в нашей стране, особенно в районах сельской местности, невозможно без дальнейшего совершенствования дорожно-строительных машин и их систем управления.

Повышение производительности труда и качества выполняемых работ при все возрастающих требованиях к геометрической точности земляных сооружений тормозится отсутствием требований к точностным параметрам машин, предназначенных для выполнения планировочных работ. Условия строительства дорог в сельской местности,требования по расширению универсальности машин благодаря использованию сменного рабочего оборудования различного назначения, применение модульного принципа конструирования на базе унифицированных узлов привели к созданию землеройно-транспортных машин (ЗТМ) с использованием промышленных тракторов в качестве тягача.

В настоящее время отсутствуют рекомендации по выбору основных параметров таких машин, их компоновочных схем, параметров системы управления, информационных параметров и алгоритмов управления. В связи с этим, исследования, направленные на выявление основных закономерностей рабочего процесса землеройно-транспорт-ных машин с использованием в качестве тягача промышленного трактора, разработка методики выбора основных конструктивных пара-мэтров и компоновочных схем таких машин, рекомендации по выбору систем управления и их параметров, обеспечивающих эффективность на планировочных работах, яеляются своевременными и актуальными.

Работа выполнена в соответствии с целевой комплексной программой "Гидропривод" Минвуза РСГСР и связана с Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 19 февраля 1990 года N 272 "О государственной программе строительства и реконструкции сети автомобильных дорог в нечерноземной зоне РС1СР".

Цель работы -совершенствование планировочных машин на базе промышленных тракторов.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

разработка расчетных схем и программ для исследования рабочих процессов машин на ЭЦЕМ;

.выявление основных закономерностей рабочих процессов планировочных машин (ПМ);

разработка инженерных решений, обеспечивающих повышение эффективности Ш;

разработка и внедрение методики по выбору основных параметров планировочных машин и их систем управления.

Научная новизна работы заключается: в расчетных схемах ЗТМ и составленных на их основе математических моделях; в морфологическом анализе планировочных машин, в созданных на основе него математических моделях подсистем с возможностью формирования различных обобщенных моделей ЗТМ; в результатах теоретических и экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров машин, их компоновочных схем, параметров гидропривода на точность позиционирования рабочего органа (РО); в методике выбора основных параметров ЗТЫ с целью определения их рациональных значений с точки зрения эффективности планировочных работ; в сравнительном анализе односкоростной, двухскоростной и пропорциональной систем управления, а также оценке влияния информационных параметров и алгоритмов управления на точностные характеристики машин.

Практическая ценность состоит в разработке и внедрении рекомендаций и методики выбора основных параметров планировочных машин на базе промышленных тракторов, разработке математического и программного обеспечения синтеза на ЭЦВМ обобщенных расчетных схем ЗТМ для решения задач кинематического и динамического анализа, в разработке схемных решений планировочной машины и системы управления.

Внедрение результатов. На Брянском заводе дорожных машин внедрены методика и рекомендации по выбору основных параметров планировочных машин на базе промышленных тракторов, методика и рекомендации использованы при проектировании ЗТМ ДЗ-168. В об"единении "Омскагропромдорстрой" методика выбора основных параметров планировочных машин на базе промышленных тракторов использовяна при модернизации строительно-дорожной машины 0ДМ-105 с тягачом Т-130.

В Конструкторском бюро транспортного машиностроения

г. Омска нашли применение математические модели основных подсистем машин и пакет программ автоматизированного формирования математических моделей ПМ произвольной структуры и решения на ЭЦВМ задач кинематического и динамического анализа ЗТМ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технической конференции Иркутского политехнического института (г. Иркутск, 1987 г.),на 47-51 научно-технических конференциях СибАДЙ в 1987-1991гг., на научных семинарах СибАДИ 19871991гг.

Публикации. По результатам работы опубликовано 9 работ, в том числе положительное решение на выдачу авторского свидетельства.

Структура и об "ем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе. Работа имеет 135 страниц основного текста, 14 таблиц, 94 рисунка, список литературы на 141 наименование и 5 приложений.

II а защиту заносятся: сбсбценпио' математические модели планировочных машин на базе трактора Т-150К; методика выбора основных параметров планировочных машин на базе промышленных тракторов; результаты исследования влияния основных параметров машин и параметров системы управления на точность выполнения планировочных работ; рекомендации по выбору рациональных параметров машин и системы управления.

Автор выражает благодарность ва помощь в работе научным руководителям и канд. техн. наук, доц. В. Е. Калугину.

СОДЕРКАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложена цель диссертационного исследования, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены тенденции развития автогрейдера и результаты предшествующих исследований, напрап-

- б -

ленных на повышение точности планировочных работ,проведен анализ предшествующих исследований по теории копания ЗТМ, по взаимодействию движителя с микрорельефом грунта, проведен анализ тенденций развитая систем стабилизации положения РО и рассмотрены ма-. тематические модели существующих систем. На основе проведенного в главе анализа и имевшихся результатов исследований сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй глаЕе обоснован комплексный метод проведения исследований, включающий теоретическую и экспериментальную части. С использованием системного подхода разработана блок-схема рабочего процесса планировки, позволившая выявить основные факторы, влияющие на точность обработки грунта.

Показано, что основой теоретических исследований является численное исследование математических моделей на ЭЦВМ с использованием метода статистического моделирования. Показано, что планировочную машину можно представить в виде определенной структуры с наличием связей между структурными составляющими (кинематическими, силовыми, информационными), что позволяет создавать математические модели отдельных подсистем с учетом влияния присоединенных элементов.

Обоснованы методы экспериментальных исследований .предполагающие проведение гак активного, так и пассивного экспериментов.

В соответствии с целью и задачами исследований, с учетом результатов предшествующих исследований определена структура работы.

В третьей главе представлена методика формирования математических моделей планировочных машин. Проведенный анализ кинематических схем реальных планировочных машин и патентных решений позволил выделить основные структурные подсистемы, которые в различных комбинациях формируют не только различные схемы, но и придают им новые свойства. Математические модели основных структурных элементов С тягача, основной рамы, узлов крепления рамы, дополнительных рабочих органов и др.) построены с учетом предшествующих исследований и на основе общепринятых допущений.

Основными исследуемыми об"ектами в работе были ЗТМ на базе трактора Т-150К, выпуск которых начат на Брянском заЕсде дорож-

них машин. Кинематические расчетные схемы этих машин приведены на рис. 1 и 2. Машины условно названы планировочная машина 1 (mil) и планировочная машина 2 (ПМ2).

Блок-схемы обобщенных математических моделей соответственно для ГП.11 и ПМ2 приведены на рис. 3 и 4. На схемах приняты обозначения: ПП- передняя подвеска, СУ-система управления, ОГ-остов грейдера, Ш1 и НЕ- шарниры крепления рами, Т-тягач. Формирование обобщенной математической модели на основе математических моделей подсистем осуществляется с учетом связей, действующих на элементы схемы со стороны присоединяемых подсистем. 11а каждом временном шаге процесс вычислений с учетом обратных связей продолжался до достижения требуемой точности £ .

Математическая модель неровностей опорной поверхности формировалась ЭЦВМ по заданным корреляционным функциям:

где О - среднее квадратическое отклонение неровности;^ -коэффициент затухания корреляции; р - коэффициент периодичности.

Математическая модель реакции грунта на рабочий орган представлялась в виде суммы тренда Ет и флюктуации Еф:

Величина Ет определялась по известной теории копания грунта. Корреляционная функция величины Еф позволяла формировать случайную величину, изменяющуюся по нормальному закону распределения.

Математическая модель СУ состояла из следующих основных элементов: датчиков положения РО, звеньев запаздывания, интегрирующих звеньев, отражающих работу гидроцилиндров РО, релейных элементов. Математическая модель содержала также звено транспортного запаздывания по каналу информации для систем с предшса-зание.м возмущающего воздействия. Учитывая, что, кроме традиционного гидропривода (ГП) с релейной статической характеристикой, в перспективе могут применяться системы приводов многоскоросткые и пропорциональные, в математическую модель была заложена воамож-

(1)

Е =Ет + Е<р ■

(2)

Рис.2 Плаикроточная гадина 2 ( П'12 )

рпс.з F-ioK-cxsvn катег/атической г/одели ПМТ

Угп

г~г.-1

< stam. i

нс2ёдь| ¡rpO^líV

S

■д,

Mam. Múíí'.b !v¡ram¡) ГРЦ !ÍÍT,Q

аь

or

i -M ГЛ. j fíC i;-..';\u

C'J (T

........ t

'!n i 'Jl

ПП

?ro..j рлок-схскго катек'лткчвокоГ« г/ояс.го )]"2

l

кость формирован..я различных видов статических характеристик ГП Сравнительный анализ машин, а также синтез их параметров осуществлялись по векторному критерию, компонентами которого являлись коэффициенты сглаживания в продольном и поперечном направлениях:

К

Кг

= бГ/^

(3)

МСХ цех

где 6у , бу . 6у , бу -средние квадратические отклонения параметров у и у .определяемых до и после реализации рабочего процесса.

Четвертая глава посвящена решению задач анализа и синтеза параметров ПШ и 1М2 и систем управления.

Теоретические исследования проводились как методом активного эксперимента, результаты которого оценивались параметрами переходных процессов (Ямах- максимальным заглублением РО; & -скоростью изменения угла поперечного профиля;/ -длиной пути переходного процесса при подаче входных и управляющих процессов),так и методом пассивного эксперимента при случайных статистических воздействиях на элементы ходового оборудования.

Для ПМ1 и Ш2 с РО, расположенным перпендикулярно направлению движения, величины Нмах и 1 можно оценивать по формулам:

Нтах ~ К(' Нг )

\ёп(е/к<)

еп(к<~1)

-1

(¿,+15-/3) ;

(4)

(5)

(6)

где Нг-единичное управляющее ступенчатое воздействие на РО. Значение К, позволяет давать приближенную оценку величины коэффициента сглаживания

В результате исследования влияния конструктивных параметров ПМ1 и ПМ2 на точность обработки грунта установлено, что наиболее существенное влияние на коэффициенты сглатавания и Кс* оказывают: положение РО внутри колесной Онги/^ /(¿, ) , продольная

- и -

координата ¿5- шарнира крепления рамы грейдера к трактору, отношение длины неровности к характерному размеру грейдера. В качестве примера на рис. 5 приведены зависимости КУ и Л"су от величины Л5 при Фиксированных значениях параметра (¿(-«-/г =сопэи.

На рис. 7 представлены зависимости средних ¡свадратиЧеских отклонений параметров СГу и Сэд от числа проходов П машин . В качестве сравнительной оценки планировочных характеристик исследуемых машин ПШ и ПМ2 на рисунке представлены характеристики серийного автогрейдера ДЭ-143. Из графиков видно, что по планировочным характеристикам в продольной плоскости ПМ1 и ПМ2 практически не уступают автогрейдеру ДЭ-143. Однако, для достижения требуемой по СШШ точности в поперечной плоскости исследуемым машинам требуется совершить по обрабатываемому участку на один проход больше, что свидетельствует о целесообразности установки на этих машинах системы автоматической стабилизации положения РО в поперечной плоскости.

Возможность формирования математических моделей планировочных машин произвольной структуры позволила рассмотреть -различные схемы машин на базе трактора Т-1ЕСК. Кроме традиционного РО, на основе предшествующих исследований были рассмотрены варианты машин с лидирующими дополнительными РО, которые расчищают колею перед элементами ходового оборудования. В результате, была синтезирована полуприцепная ПМ с лидирующими РО в'базе тягача, Позволяющая более чем в два раза увеличить коэффициенты сглаживания в . продольной и поперечной плоскостях С рис. 6).

В настоящее время ПМ на базе трактора - Т-1Б0К выпускается без систем автоматической стабилизации положения РО. С целью разработки рекомендаций по выбору типа СУ и ее параметров проведены исследования планировочных характеристик автоматизированных ПМ. Так, например, в качестве основных параметров СУ ПМ2, подвергнутых анализу,были: время запаздывания Т3 , ширина зоны нечувствительности Аг и скорость движения штоков гидроцилиндров ГО Уг^. Все эти параметры взаимосвязаны, и поэтому был проведен полнофакторный вычислительный эксперимент. Пример рекомендуемой зависимости ширины зоны нечувствительности Аг релейной односко-ростной СУ от среднего квадратического отклонения б'исх исходного микрорельефа для ШЕ приведен на рис. 8. Рациональные значения

К?

\

/ ПМ2 if -^пж

-12-^ Г

_1

И о L5.M

рис.5 зависимости КсчО) и

от изменения координаты ¿5

шарнира

лиЭирующце РО

рис.6 схема ПМ2 с использованием дополнительных лрлир7гааих РО

см

U

\

V

К V 1 V/

Л». СНиП кСЧ

-10 "

роЗ

16

12

2

3

ч

5 П

-Cllu

ЧГ

Vi

ч

-X

V2

i

рис .7 Rai-ксимости Gvj и ба от числа проходог: I- ПГ.1Т; 2- П*!2; 3- Т'Я-Т43-

основных параметров СУ и ИЛ с учетом неровностей микрорельефа, обеспечивающие максимальные значения коэффициентов сглаживания, рекомендуется определять по следующим зависимостям:

¿»♦¿У-¿5

Уг^Кг-Лг/тъ ' где Кг = 2 — Ь5 лр" Т3 = 0,05с~~0./5с <8> й К г=4,5-~1,0 при Т3 = 0,15с—0,5е.

При превышении Угу величины, определяемой равенством (8), наблюдается резкое уменьшение коэффициента сглаживания. Зона устойчивой работы СУ (рис.10) определяется неравенством

IVкгА, . (9) ■

Значительные резервы повышения точности обработки грунта ГОЛ могут быть вскрыты путем рационального выбора алгоритма управления РО. Такие факторы, как место установи датчика, одновременное формирование управлял:::;;;; воздействий на левый и правый гидроцилиндры РО существенно влияют на качество обработки грунта. Проведенный анализ показал, что коэффициенты сглаживания при этом изменяются в 1,5-2 раза.

Анализ предиествугацих исследований показал, что перспективным направлением развития СУ является создание мнсгоскоростного ГП и ГП с пропорциональной статической характеристикой. Применение таких СУ на новых ПМ по сравнению с серийно выпустаемой релейной односкоростнсй СУ (рис.9, кривая1) позволит увеличить планировочные характеристики машины по коэффициенту сглаяипания на 15-20Х для двухскоростного ГП (см. рис. 9, кривая 2) и на 30-40Х для пропорционального ГП (см. рис. 9, кривая 3).

Серьезньчл физическим недостатком существующих СУ является наличие времени запаздывания срабатывания системы. Установка датчика полотения РСг на переднюю ось тягача ПМЙ позволяет заблаговременно замерять возмущзкщзе воздействие и с упрелдением Т~ подавать с отрицательным знаком на СУ э глчестве задающего сигнала, корректируя сигнал задатчнка. В результате коэффициент сглаживания можт быть увеличен в среднем на 70% (см. рис. 9, при-

риетики систем управления

вал 4-для одиоскоростного ГП и кривая 5-для пропорционального ГП).

В пятой главе описаны результаты экспериментальных исследований, а также рассмотрены средства и способы реализации результатов теоретических исследований.

Результаты экспериментальных исследований подтвердили достаточную для решения поставленных в работе задач адекватность разработанных математических моделей.

Предложенная методика выбора основных конструктивных параметров ЗТМ на базе промышленных тракторов была использована при разработке и изготовлении новых планировочных машин. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований по коэффициентам сглаживания по1кзало, что их различие не превышает 12-14Х.

В ходе выполнения работы предложено несколько конструктив-, ных решений, направленных на дальнейшее совершенствован»:" ПМ и их систем управления. Одно из них признано изобретением. '

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ П ВЫВОДЫ ПО" РАБОТЕ

1. Проведенный морфологический анализ существующих и перспективных планировочных машин позволил провести декомпозицию папин, выделить основные подсистемы, влияющие на точность обработки грунта, обосновать их расчетные схемы и математические описания.

2. Предложенная методика автоматизированного составления на 5ЦВМ математических моделей различных планировочных маиин и систем управления с различными струтаурныш схемами, различными статическими и динамическими характеристиками позволила провести сравнительные исследования планировочных машин на базе прокаленных тракторов и сопоставить их точностные■характеристики с точностными характеристиками серийно выпускаемого автогрейдера.

3. Наибольшее »влияние на планировочные 'характеристики пла-нироЕочных машин на. базе промышленных тракторов оказывают ( по степени уменьшения влияния): расположение отвала в колесной базе, характеризующееся коэффициентом ¿г ; величина продольной координаты ¿5 крепления хребтовой балки планировочной

машины к раме трактора; соотношение длин неровностей микрорельефа с характерным размером машины ¿£/(¿1 )

4. Предложенное неравенство \/щ • Т"3 ^ К2-Л2 позволяет определять зону устойчивой работы систем управления планировочных машин.

5. Предложенные зависимости позволяют осуществлять выбор рациональных значений основных параметров планировочных машин на базе промышленных тракторов и их систем управления с учетом неровностей микрорельефа, обеспечивая максимальные значения коэффициентов сглаживания.

6. Для сравнительной оценки инженерных решений предложены формулы определения коэффициентов сглаживания планировочных машин на базе промышленных тракторов, предельной величины заглубления рабочего органа при подаче управляющего воздействия, длительности переходного процесса заглубления рабочего органа.

7. В результате проведенных исследований предложи ряд инженерных решений, направленных на дальнейшее совершенствование планировочных машин на базе промышленных тракторов, их гидроприводов и систем управлений. Одно из решений признано изобретением.

8. Наилучшими точностными показателями среди проанализированных, конструкций планировочных машин на базе промышленных тракторов обладает предложенная полуприцепная машина с шарнирным креплением задней оси к хребтовой балке и дополнительными рабочими органами перед задними колесами тягача.

9. Доказана преимущество алгоритма управления по предложенному комплексному управляющему параметру, сформированному по продольному и поперечному отклонениям с одновременным управлением рабочим органом двумя гидроцилиндрами.

10. ■ Использование на планировочных машинах на базе промышленных тракторов перспективных схем многоскоростных гидроприводов и гидроприводов с переменной скоростью перемещения рабочего органа повышают коэффициенты сглаживания соответственно на 20% и 40% по сравнению с планировочными машинами с серийно выпускаемыми гидроприводами.

11. Предложенная методика выбора основных параметров планировочных машин на базе промышленных тракторов внедрена на Брянском гаводе дорожных машин и использована при разработке двух мо-

дификаций машин на базе трактора Т-150К. В об"единении "Омск-агропромдорстрой" предложенная методика использована при модернизации планировочной машины на базе трастора Т-130.

основные положим диссертации отражены в следующих

работах:

1. Щербаков В. С. .Беляев В. В. , Колякин В. И. Определение необходимого числа проходов автогрейдера при планировании методом статистических испытаний // Гидропривод и системы управления строительных и дорожных машин: Сб. науч. тр. /ОМПИ. -Омск, 1988. -с. 22 -26.

2. Методы оценки точности землеройных машин непрерывного действия / В. И. Колякин.В. С. Щербаков,В.В. Беляед и др.- ¡1,1988. -

152с.-Деп. в ЦНИИТЭстроймаш 09. 09. 88, N 97-сд88:

3. Математическая модель системы "опорная поверхность-раз-рабатываемый грунт-автоматизированный грейдер / В. Л Колякин, В. С. Щербаков и др.-М. ,1988.-152с.-Деп. в ЩШТЗстроймаш 09. 09. П8-,

N 98-сд88.

4. Щербаков В. С.,Колякин В. И. ,Беляев а В.' Влияние геометрических параметров ЗТМ на процесс заглубления рабочего органа // Гидропривод и системы управления строительных и дорожных магшга: Сб. науч. тр. /ОмПИ. -Омск, 1989. -с. 62-67.

5. Колякин В. И. , Щербаков В. С. , Беляев В. В. Теоретические ис- • следования системы "опорная поверхность - разрабатываемый грунт--автоматизированний грейдер" /СибАДИ.-М. ,1990.--120с.— Деп. п ЦНИИ ТЭстроймаш 26. 01. ЭО.Иб-сдЭО.

6. Колякин В. И., Щербаков В. С., Беляев К В. Теоретические исследования автогрейдера с инвариантным рабочим органом /СибАДИ. -

,1990.-119с.-Деп. в ЦНИИТЭстроймаш 26. 01.90, N 2-сд90.

7. Колякин В. И. Выбор основных параметров планировочных ма-. шин на базе промышленных тракторов /СибАДИ.-Омск, 1991. -2с.-ПНТИ, М 40-91.

8. Колякин В. И. Система автоматизированного формирования математических моделей землеройно-транспортных машин / СибАДИ.'-Омск, 1991.-2с.-ЦНТИ.М 41-91. • •

9. А. с. ссср по заявке N 4729775/03 от 16.08. 89 (' решение

от 22.05. ЯО). Система управления рабочим органом землерой-но-транепортной машины /В. И. Нолякин, В. С.Щербаков и др.

Сдано в печать II.03.91. Формат 60x84 1/16.Бум.тал. Ц 3. Печать офсатная. Поч.л. 1,00. Уч.-кзд.л. 0,75. Тираа 100.

Заказ 277> Бесплатно,_

Кар'юлиографая Омского СШ им.С. 1.1.Кирова 0ыск-8, Сибаковская,4.