автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Совершенствование рулевого управления автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой

На правах рукописи

кг?'

Портнова Александра Андреевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОГРЕЙДЕРА С ШАРНИРНО-СОЧЛЕНЕННОЙ РАМОЙ

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2015

005563013

005563013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Научпый руководитель доктор технических наук, профессор

ЩЕРБАКОВ Виталий Сергеевич

Официальные оппоненты: АНАНИН Владимир Григорьевич,

доктор технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный архитектурно-строительный университет» (ТГАСУ), декан механико-технологического факультета, заведующий кафедрой «Строительные и дорожные машины» (г. Томск)

КУТУМОВ Алексей Анатольевич,

доктор технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ), директор Рубцовского индустриального института (РИИ) (г. Рубцовск)

Ведущая организация федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)» (г. Новосибирск)

Защита состоится «18» ноября 2015 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ВАК РФ Д 212.250.02 при федеральном государствешюм бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобилыю-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, ауд. 3124. Тел. (3812) 65-03-23, e-mail: dissovetsibadi@bk.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобилыю-дорожная академия (СибАДИ)» и на сайте академии по адресу: http://www.sibadi.org/science/studies/dissertations/15894/.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять в диссертационный совет по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5. Тел. (3812) 65-03-23, e-mail: dissovetsibadi@bk.ru.

Автореферат разослан «23» сентября 2015 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, Кузнецова доктор технических наук —ч.___ Виктория Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Маневренность автогрейдеров (АГ) — способность совершать повороты с минимальным радиусом - является одним из параметров, который определяет их конкурентоспособность на мировом рынке.

В связи с увеличением объемов строительства сокращается место для маневрирования землеройно-транспортных машин. Поэтому все чаще машинам приходится работать в стесненных условиях. Кроме основных рабочих операций АГ часто находится в транспортном режиме. Скорость АГ гаже, чем скорость автотранспортных средств. Одной из причин является наличие длинной базы, которая может составлять 4 - 7,5 м, и, как следствие, большого радиуса поворота. Задние колеса АГ при повороте двигаются по меньшему радиусу, чем передние, в результате габаритный коридор (полоса поворота) расширяется, что создает трудности при повороте. Под шириной габаритного коридора понимается ширина опорной поверхности, ограниченная проекциями на нее траекторий крайних выступающих точек АГ.

В настоящее время большинство АГ выпускаются с шарнирно-сочлененной рамой (ШСР). Однако это преимущество до настоящего времени не используется для уменьшения радиуса поворота и минимизации габаритного коридора. В большинстве серийно выпускаемых АГ управление поворотом передних колес и ШСР осуществляется разными органами управления, что исключает возможность использования складывания ШСР в транспортном режиме. До настоящего времени на АГ с ШСР не реализована возможность синхронного управления поворотом передних управляемых колес и складыванием ШСР, поэтому актуальной является задача совершенствования рулевого управления (РУ) АГ с ШСР, решение которой позволяет обеспечить движение передних и задних колес по одной колее (след в след) в транспортном режиме и существенно снизить радиус поворота на стройплощадке.

Степень разработанности темы

Работы В.Н. Архангельского, В.В. Беляева, Н.В. Беляева, И.В. Бояркиной, В.М. Гольдпггейна, В.Е. Калугина, В.И. Колякина, И.И. Матяша, Э.Э. Немировского, Е.В. Поповой, В.В. Привалова, Э.А. Степанова, Э.И. Толстопятенко, К.К. Шестопалова, B.C. Щербакова и др. ученых посвящепы совершенствованию конструкций базовых машин. Множество работ посвящено определению сил сопротивления копанию грунта автогрейдером. К.А. Артемьеву, В.И. Баловневу, Ю.А. Ветрову, В.П. Горячкицу, Н.Г. Домбровскому, А.Н. Зеленину, И.А. Недорезову и др. принадлежит большой вклад в создание основ теории резания грунтов. Вопросам гидроприводов шарнирно-сочлененных машин, в том числе автогрейдеров уделяли внимание Т.В. Алексеева, В.А. Байкалов, ЕЛО. Малиновский и др. Исследованиями, направленными на повышение динамических характеристик гидроприводов рабочего органа и РУ, занимались Н.С. Галдин, Ш.К. Мукушев, A.B. Жданов и др. Рабочим процессом землеройно-транспортных машин, оснащенных системами управления, занимались такие ученые, как В.Ф. Амельченко, М.А. Ахмеджанов, A.M. Васьковский, B.C. Дегтярев, Ю.М. Княжев, Б.Д. Кононыхин, Э.Н. Кузин, А.Н. Пиковская, В.Н. Тарасов, С.Т. Цукерман, В.Н. Ченцов, С.С. Щедровицкий, B.C. Щербаков и др. По вопросу взаимодействия колес с грунтом при повороте колесной машины проводили исследования: Ю.А. Брянский, Г.И. Гладов, В.В. Ларин, A.C. Литвинов, Е.Д. Львов, К.Ю. Машков, Ф.А. Опейко, В.А. Петрушов, В.В. Редчиц, Ю.Л. Рождественский, Г.А. Смирнов, Х.Т. Ту-раев, Я.Е. Фаробин, Д.А. Чудаков, Е.А. Чудаков и др.

Объект исследований — процесс поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.

Предмет исследований — закономерности процесса поворота автофейдера с шарнирно-сочяененной рамой.

Цель работы — повышение маневренности автогрейдера, оснащенного шарнир-но-сочлененной рамой, для обеспечения движения передних и задних колес по одной колее путем совершенствования РУ автогрейдера.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель сложной динамической системы процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.

2. Обосновать критерий эффективности процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.

3. Разработать методику оптимизации положения шарнира в базе автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой для обеспечения движения передних и задних колес по одной колее.

4. Выявить основные закономерности процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой для обеспечения движения передних и задних колес по одной колее.

5. Предложить технические решения рулевого управления автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.

Научная новизна диссертационной работы

Разработанная математическая модель сложной динамической системы процесса поворота АГ с ШСР позволила определить оптимальное положение шарнира в базе АГ, коэффициент пропорциональности между углами поворота передних управляемых колес и складывания ШСР, обеспечивающий движение передних и задних колес по одной колее. Выявлены закономерности, определяющие зависимость угла складывания ШСР от угла поворота передних управляемых колес и коэффициента базы автогрейдера; радиуса поворота от угла поворота передних управляемых колес и коэффициента базы АГ при условии движения передних и задних колес по одной колее. Разработанная инженерная методика расчета основных конструктивных параметров АГ с ШСР, включающая алгоритм моделирования процесса движения АГ с ШСР по круговой траектории, справедлива для широкого класса АГ с ШСР.

Теоретическая и практическая значимость работы

Применение полученных результатов при проектировании АГ с ШСР позволяет сократить время на разработку машин с ШСР, повысить маневренность АГ с ШСР в стесненных условиях. Предложенные методики и алгоритмы внедрены в ОАО «Ом-сктрансмаш», г. Омск. Разработки по технической реализации, подтвержденные 4 патентами РФ на полезные модели, зарегистрированный электронный ресурс РФ обеспечивают повышение маневренности АГ с ШСР и используются при проектировании АГ с ШСР. Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «СибАДИ» для подготовки специалистов, бакалавров и магистров по направлениям «Наземные транспортно-технологические средства» и «Наземные транспортно-технологические комплексы».

Методология и методы исследований

При выполнении диссертационной работы использовалась методология системного анализа, был принят комплексный метод исследований, который включил в себя как теоретические, так и экспериментальные исследования; математическое и физическое моделирование, регрессионный анализ. Использованы следующие программные комплексы: MATLAB (приложения Simulink, Curve Fitting); STATISTICA.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель сложной динамической системы процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой. 2. Алгоритм моделирования процесса движения АГ с ШСР по круговой траектории. 3. Результаты теоретических исследований математической модели процесса поворота АГ с ШСР. 4. Конструкции АГ с ШСР, обеспечивающие повышение маневренности и сокращение радиуса поворота АГ с ШСР. 5. Две схемы электрогидравлического РУ автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой.

Степень достоверности научных положений обеспечивается корректностью принятых допущений, адекватностью математических моделей, корректным использованием методов математического моделирования и достаточным объемом экспериментальных данных.

Апробация результатов работы

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: XII Международной научно-инновационной конференции аспирантов, студентов и молодых исследователей с элементами научной школы «Теоретические знания в практические дела», Филиал ГОУ ВПО «РосЗИТЛП» в г. Омске, Омск, 2011; XIII, XIV, XV, XVI Международных научно-инновационных конференциях аспирантов, студентов и молодых исследователей с элементами научной школы «Теоретические знания в практические дела», ФГБОУ ВПО «МГУТУ им. К.Г. Разумовского», филиал в г. Омске, 2012, 2013, 2014, 2015; Всероссийской 65-ой и международной 66-ой научно-технических конференциях «Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования — основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2011, 2012; VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2012; Межвузовских научно-практических конференциях студентов и аспирантов «Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона (ОМСКРЕСУРС - 2 -2012, ОМСКРЕСУРС - 3 - 2013)», ОмГТУ, Омск, 2012, 2013; 67-ой научно-практической конференции «Теория, методы проектирования машин и процессов в строительстве» в рамках Международного конгресса «Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2013; Международной научно-практической конференции «Инновационное лидерство строительной и транспортной отрасли глазами молодых ученых», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2014; Международной научно-практической конференции «Развитие дорожно-транспортного и строительного комплексов и освоение стратегически важных территорий Сибири и Арктики: вклад науки», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2014; Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальные и прикладные науки - основа современной инновационной системы», ФГБОУ ВПО «СибАДИ», Омск, 2015 г.

Реализация результатов работы

Методика расчета основных конструктивных параметров АГ с ШСР внедрена в ОАО «Омсктрансмаш». Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СибАДИ».

Публикации по работе

По материалам диссертационных исследований опубликованы 24 печатные работы, из них 5 статей в научно-рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК

Мгаюбрнауки РФ, 4 патента РФ на полезные модели и 1 свидетельство о регистрации электронного ресурса РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы (169 наименований) и приложений. Общий объем диссертации составляет 191 страницу основного текста, 81 рисунок, 20 таблиц, 10 приложений на 13 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования, дана краткая характеристика научно-квалификационной работы.

В первой главе рассмотрены современные тенденции развития автогрейдеров. Проведен анализ научной литературы по РУ землеройно-транспортных машин. Сформулированы объект, предмет, цель и задачи исследования. Исследованиям данной проблемы посвящены работы таких ученых, как Л.А. Антипов, В.Н. Архангельский, Ю.А. Брянский, И.В. Бояркина, Е.Ю. Малиновский, Ф.А. Опейко, В.Н. Тарасов, И.П. Трояновская, H.A. Ульянов и др.

Во второй главе изложена методика теоретических и экспериментальных исследований АГ с ШСР. Успешное решение поставленных в работе задач возможно на основе методологии системного анализа.

Приведена структура работы в виде блок-схемы, основанная на принципах системного подхода и содержащая основные этапы работы и связи между ними.

В третьей главе разработана математическая модель сложной динамической системы процесса поворота АГ с ШСР с учетом принятых допущений, состоящая из следующих подсистем: «Гидропривод», «Автогрейдер», «Рулевое управление» (рисунок 1). Гидравлическая подсистема представлена двумя блоками: «Гидропривод ШСР» и гидравлический рулевой механизм «ГРМ», включает в себя гидроруль с гидромотором обратной связи (ГМОС), гидроцилиндры (ГЦ) поворота передних управляемых колес, электрогидрораспределитель (ЭГР) и ГЦ складывания ШСР. Механическая подсистема состоит из блоков «Моторная рама (МР), балансирные тележки с задними колесами», «Хребтовая рама» (ХР), «Передние управляемые колеса». РУ представляет собой блок управления с датчиками угла поворота передних управляемых колес и угла складывания ШСР.

Для составления математической модели механической подсистемы АГ с ШСР был использован метод обобщенных координат.

Допущения, принятые при составлении расчетной схемы АГ с ШСР:

— АГ представляет собой шарнирно-сочлененный пространственный многозвенник, звенья которого представлены как абсолютно жесткие стержни;

-люфты и силы сухого трения в шарнирах отсутствуют;

— система шлономна, стационарна;

— элементы ходового оборудования имеют постоянный контакт с грунтом;

— вследствие сглаживающей способности шин, грунт представлен идеально ровным.

На рисунке 2 представлена обобщенная расчетная схема АГ с ШСР, в таблице 1 представлены обобщенные координаты АГ и их описание. Локальная система координат 01XlY{Zl жестко связана с МР, точка О, находится в центре оси качания балан-сирных тележек (БТ). Система координат 02X2Y2Z2 связана с ХР, точка 02 находится в шарнире сочленения МР и ХР. CK ОзХ}У32} связана с передними управляемыми колесами, точка Oj находится в шарнире присоединения колеса к переднему мосту на оси вращения колеса.

' Рулевое I управление

РУ АГ с ШСР ч Гидропривод ШСР

1 г

ГРМ Рулевое колесо

1

Моторная рама, балансирные ^ тележки с задними колесами I Автогрейдер

Р + у

Хребтовая а + у

рама Чу

Передние управляемые колеса

К«._о1 (*ь Уь гО (х;, у;, г,)

Ун-ь

гнО

0б(Х;+2, Уг.2, 07(Хт, Уш

4.)

Рисуиок 1 - Блок-схема процесса поворота автофейдера с шарнирно-сочлененной

рамой

Рисунок 2 — Схема расчетная пространственная поворота механической системы автогрейдера Положение элементов пространственной расчетной схемы АГ с ШСР описано пятью обобщенными координатами (]= 1, ..., 5) (таблица 1).

Таблица 1 — Обобщенные координаты расчетной схемы автогрейдера с шарнир-

Система координат г Обобщенная координата АГ Координата АГ Описание координат АГ

0 <// XI Перемещение моторной рамы вдоль оси Х0 -

42 • г, Перемещение моторной рамы вдоль оси 7.,,

Чз У Поворот моторной рамы вокруг оси У0

1 44 Р Поворот хребтовой рамы вокруг оси У,

2 45 а Поворот переднего правого колеса вокруг оси У2

Текущие значения координат х({) и г({) автогрейдера на плоскости в системе координат ОоХоУ^о.

л(г) = ^о + ]"соза>\M-dt; (1)

г(?) = г0+|зша „У^-гЙ. (2)

где а, — угол поворота колес АГ с ШСР в базовой системе координат Or)XoYo?o-

Любая точка АГ, заданная в локальной системе однородных координат O^^Z, вектором R„ представляется в неподвижной системе координат OqXqYqZ,, вектором:

Roí = Т, • Rh (3)

где T¡ матрица перехода из í-ой локальной системы координат в неподвижную:

TÍ=A,-A2-... -А, (4)

где A¡ - матрица перехода из í'-ой системы координат в i — 1 систему координат.

Матрица перехода из системы координат переднего правого колеса 03XZY3Z3 в неподвижную систему координат имеет вид:

Т3=А1-А1-Аг. (5)

Уравнение (5) используется в уравнении (3) для расчета координат вектора в неподвижной системе отсчета. При задании скорости движения управляемого колеса, угла его поворота и угла складывания ХР уравнения позволяют построить траектории движения любой точки АГ в неподвижной системе координат.

Положение шарнира в базе АГ характеризуется коэффициентом базы Кб, который равен отношению длины ХР (L¡) к длине базы (L6). База АГ состоит из L¡ — расстояния от передней оси до шарнира (длина ХР) и L2 — расстояния от шарнира до оси качания БТ:

Ьб=Ц+Ь 2. (6)

*.=f. (7)

Конструкция рулевой трапеции АГ предполагает качение шин при повороте без скольжения в поперечной плоскости. Это обуславливает взаимосвязь углов поворота внутреннего и наружного передних управляемых колес. Углы должны удовлетворять геометрии РУ Аккермана:

ctga, - ctg a¡ = bJLB, (8)

где a¡, a2 — углы поворота наружного и внутреннего колес соответственно; Ьк — ширина колеи АГ; Le -длина базы АГ.

Такое соотношение углов a¡ и а2 обеспечивается с помощью рулевой трапеции. Средний угол поворота передних колес рассчитывается по известной формуле:

а = (а, + а2)12. (9)

Математическое моделирование рулевого управления автогрейдера с шар-нирно-сочлененной рамой

Предложены два устройства РУ АГ с ШСР. На рисунке 3 представлена блок-схема РУ АГ с последовательным управлением, на которую получен патент РФ №146298. РУ имеет два контура управления: управление поворотом передних колес, управление складыванием ШСР. На рисунке 4 представлена блок-схема РУ АГ с параллельным управлением, на которую получен патент РФ №149425. На рисунке 3 датчик угла поворота Дь установленный на ХР автогрейдера, измеряет угол поворота передних управляемых колес. Датчик угла поворота Дг, установленный в шарнире сочленения МР и ХР автогрейдера измеряет угол складывания ШСР.

В кабине оператора установлен блок управления, содержащий элемент сравнения, и усилитель электрического сигнала. В представленной схеме задатчиком для поворота передних управляемых колес является угол поворота рулевого колеса в. Автогрейдер оснащен серийным ГРУ поворотом передних управляемых колес. Угол поворота передних управляемых колес а служит информационным параметром для управления углом складывания ШСР.

Рисунок 3 - Блок-схема рулевого управления автогрейдера (последовательное управление), патент №146298

РУ АГ с параллельным управлением имеет два аналогичных контура управления, содержит датчик угла Дь установленный на рулевом валу АГ, который измеряет угол поворота рулевого колеса в (рисунок 4). Датчик угла Д2, установленный в шарнире сочленения МР и ХР автогрейдера, измеряет угол складывания ШСР /?. В кабине оператора установлен блок управления, содержащий усилитель электрического сигнала и элемент сравнения. В представленной схеме задатчиком для поворота передних управляемых колес является угол поворота рулевого колеса в. Автогрейдер оснащен серийным ГРУ поворотом передних управляемых колес.

При моделировании РУ рассматриваются следующие элементы: гидроруль с гидромотором обратной связи, ГЦ поворота передних управляемых колес, ЭГР, ГЦ складывания ШСР.

I у:!}>зи;:С11ия тпкпЧ'гум уирая^яе»:^

им (о: ;к'й.ит>.1 |

Рисунок 4 — Блок-схема рулевого управления автогрейдера (параллельное управление), патент №149425

Обобщенная математическая модель РУ АГ с ШСР составлена путем композиции известных математических моделей отдельных элементов в единую математическую модель.

На рисунках 5 и 6 представлены соответственно: структурные схемы РУ АГ с последовательным управлением и РУ АГ с параллельным управлением в обозначениях БтиНпк.

В четвертой главе обоснован критерий эффективности процесса поворота АГ с ШСР. Описаны теоретические исследования математической модели сложной динамической системы процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой, разработана инженерная методика оптимизации положения шарнира в базе автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой, обеспечивающая движение передних и задних колес по одной колее, включающая алгоритм моделирования процесса движения ав-

тогрейдера с шарнирно-сочленеиной рамой по круговой траектории, зарегистрированный в Объединенном фонде электронных ресурсов.

"Ч..- -п

f

■из

тг

Рисунок 5 - Блок-схема математической модели рулевого управления автогреидера с последовательным управлением

-з

3

Рисунок 6 - Блок-схема математической модели рулевого управления автогреидера с

параллельным управлением Основным требованием к выбору критерия эффективности являлась его информативность. Доказано, что из всех рассмотренных критериев наиболее информативным критерием является радиус поворота АГ (/?„). Согласно поставленной проблеме повышения маневренности АГ в стесненных условиях обоснованы критерий эффективности, целевая функция, заданы ограничения и граничные условия:

R min;

g{a,K6)>0; й, < а < ubi.

(10)

где R(a, Кб) —> min — целевая функция; g(a, Кв) — ограничения,. устанавливающие зависимость между переменными; lbt, üb, —

I.C 1.4

Рисунок 7 - Переходный процесс изменения угла поворота передних управляемых колес

Р

ОЛ 5.

нижний и верхний пределы независимого параметра а; 1Ь2, иЪ2 — нижний и верхний пределы независимого параметра Кб (коэффициент базы автогрейдера).

В качестве управляющих воздействий на РУ являлись угол поворота рулевого колеса — в и угловая скорость поворота рулевого колеса — в, которые позволили получить переходные (временные) характеристики а =Д/), /? =ДО-

На рисунках 7, 8 представлены переходные процессы угла поворота передних

управляемых колес и угла складывания 1ПСР в РУ с последовательным и параллельным управлением.

Оценка устойчивости РУ проведена методом фазовых траекторий. Качество переходных процессов оценивалось показателями колебательности (М), перерегулирования (а), временем переходного процесса (/„.„.) и временем

запаздывания (/,„„).

На рисунках 9 — 10 в качестве примера приведены фазовые траектории перемещения и скорости штоков исполнительных ГЦ поворота передних управляемых

°0 "Й 0.4 0.§ 0.8 ! <- и

Рисунок 8 — Переходный процесс изменения угла складывания ШСР: 1 - рулевого управления с последовательным управлением; 2 — рулевого управления с параллельным управлением

0.05

V

шт 0

-0.05,

м/с

" ':............;. .......К/ "

0

0.005

0.01

0.015

/ ,м гит

0.02

Рисунок 9 — Фазовые траектории перемещения штоков исполнительных гидроцилиндров поворота передних управляемых колес

колес и ГЦ складывания ШСР РУ с последовательным и параллельным управлением.

Анализ фазовых траекторий показал, что РУ АГ, где в качестве примера были взяты значения параметров автогрейдера ДЗ-122Б, с последовательным управлением и РУ АГ с параллельным управлением являются устойчивыми системами.

Различие РУ АГ с последовательным и параллельным управлением заключается в

\

1 г...........5..........4...........$..........с..........7..........8

а) -б)

Рисунок 10 — Фазовая траектория перемещения штоков исполнительных гидроцилиндров б) складывания шарнирно-сочлененной рамы рулевого управления с последовательным управлением; в) складывания шарнирно-сочлененной рамы рулевого управления с параллельным управлением том, что в первом случае управляющий сигнал на включение гидропривода ШСР поступает после начала поворота передних управляемых колес, а во втором случае — одновременно с углом поворота рулевого колеса. Этим объясняется сравнительно большое время запаздывания РУ А Г с последовательным управлением (рисунок 8).

Из рисунка 9 видно, что колебательность выходной величины = 0 %, из рисунка 10 а, б видно, что колебательность выходных величин равна 0%.

50 40^ 30 20 10 0

____________ л% =0,7?

« : у

____________ ~ „Ж" 1 ......* я' :

Из рисунка 9 видно, что перерегулирование выходной величины угла поворота передних управляемых колес не превышает 3,05 %, из рисунка 10 а, б видно, что перерегулирование выходных величин равно 0%.

Время переходного процесса выдвижения штоков исполнительных ГЦ поворота передних управляемых колес !,,„ к 1 с, время запаздывания - 0,1 с. Для РУ с последовательным управлением ?„„ ~ 1,2 с, время запаздывания ~ 0,3 с, для РУ с параллельным управлением ?„„ = 1 с время запаздывания ~ 0,18 с.

Таким образом, РУ с параллельным управлением АГ является более быстродействующим по сравнению с РУ с последовательным управлением АГ и обеспечивает синхронный поворот передних управляемых колес и ШСР автогрейдера.

Теоретические исследования математической модели процесса поворота АГ с ШСР позволили установить функциональные зависимости: угла складывания ШСР /? от угла поворота

передних управляемых колес а° и от коэффициента базы К6 при условии движения передних и задних колес по одной колее. В качестве примера длина базы зафиксирована и составляла 6 м (рисунок 11). Зависимость /?° =/(а°) близка к линейной. Следовательно, для каждой модели АГ необходимо обеспечивать пропорциональное управление углами поворота передних управляемых колес и ШСР.

В программном продукте МАТЬЛВ было получено уравнение регрессии, отражающее зависимость угла складывания ШСР от угла поворота передних управляемых колес и коэффициента базы при условии движения передних и задних колес по одной колее, представляющее собой полином 3-й степени, имеющий вид:

Р = Ъю + Ъю-а+Ът-К6+Ь20-а2 +ЬиаК6+Ъ02Кг6 + ^^

+ Ьж ■ а3 + Ь21 ■ а2 ■ К6 + Ь12 - а ■ К2 + Ът ■ К6, где Ь00, Ь,„, Ъоъ Ъ20, Ъп, Ь02, Ь30, Ъ2Ь Ъ12, Ь03 - коэффициенты уравнения регрессии, представленного в графическом виде для некоторых значений £6 на рисунке 12.

На рисунке 13 в качестве примера представлена графическая зависимость радиуса поворота АГ Я„ от угла поворота передних управляемых колес а° при различных коэффициентах базы К6 при условии движения передних и задних колес по одной колее, длина базы за-

5 10

Рисунок 1 1 -

15 20 25 Зависимость //' от а" и Кб, ¿в=

30 6 м

фиксирована и составляет 6 м. При увеличении Кб расширяется диапазон допустимых конструктивными размерами углов поворота передних управляемых колес.

Получено уравнение регрессии в

40

Р° 20-

рч 4,5 м

14= 5 м

•о 6 м

ч= 7м

0.5 0

Рисунок 12 - Графическое представление зависимости р = /(а, Кд) при различных ¿6

...............г........... 1

.............

С и,'

[ ^ ?

: а; о% к6'= \85............

■Т/.Т) 0,7

О 5 10 15 20 25 30 а ° 35

Рисунок 13 — Влияние Кб на зависимость R„ =/(а), ¿6 = 6 м

программном продукте МАТЬАВ, отражающее зависимость радиуса поворота АГ от угла поворота передних управляемых колес и коэффициента базы АГ, представляющее собой полином 3-й степени:

= 600 + ¿>10 •« + ¿or Кб + h-0 ■ в2 + h 1 •а ■ Кб + ¿02 • Кб + Ьзо ■ t3 +

+¿2!-а2 Кб +^2 а-к1 +¿03-К.1,

Рисунок 14 — Графическое представление зависимости =/2 (а, Кб) при различных ¿6

где b00, b,g, bou b20, Ъи, b„2, Ьзо, b2¡, b¡2, Ьоз ~ коэффициенты уравнения регрессии, представленного в качестве примера в графическом виде для некоторых значений L6 на рисунке 14.

Разработанная инженерная методика оптимизации положения шарнира в базе АГ' с ШСР позволяет определить оптимальное значение коэффициента базы АГ при заданных

геометрических размерах АГ, углы поворота передних управляемых колес и углы складывания ШСР при условии, чтобы передние и задние колеса АГ двигались по одной колее, минимальный радиус поворота АГ.

В качестве примера приведены результаты оптимизации, которые представляют собой область минимальных значений целевой функции (рисунок 15). В таблицу 2 внесены результаты оптимизации — минимальные значения функции радиуса поворота АГ с

L. = 4.5 м

-5м

г,« 20

Область минимума функции

Рисунок 15 - Результат оптимизации зависимости радиуса поворота автогрейдера Я„ от угла поворота передних управляемых колес а и коэффициента базы Кб

ШСР и значения аргументов а", Кб, которые их обеспечивают.

Таблица 2 — Значения функции /?„„„ при различных Ьб и значения аргументов а° и Кб, обеспечивающих ._

и, м а ° Кг, Дпт> м

4,5 30,18 0,87 5,61

5 29,54 0,89 6,26

6 29,00 0,9 6,98

7 30,01 0,89 7,87

По полученным результатам можно сделать вывод о том, что шарнир необходимо располагать ближе к задней оси А Г, минимальный радиус поворота АГ с ШСР будет обеспечиваться практически при одном и том же значении не зависимо от

длины базы АГ. Использован метод последовательного квадратичного программирования, отличающийся довольно высокой быстротой сходимости и простотой применения.

Для управления движением АГ с тем условием, чтобы передние и задние колеса проходили по одной колее, был разработан алгоритм ведения АГ по круговой траектории, зарегистрированный в ИНИПИ РАО ОФЭР-НиО (рисунок 16). Алгоритм моделирования движения АГ по круговой траектории предназначен для определения траектории движения АГ, оснащенного ШСР. Моделирование производилось на основе требований, предъявляемых к радиусу поворота АГ, габаритному коридору.

Алгоритм позволяет получить траекторию АГ с заданными углами поворота передних управляемых колес а° и углами складывания ШСР с тем условием, чтобы габаритный коридор движения АГ был минимальным, то есть передние и задние колеса АГ проходили по одной колее, и рассчитать радиус поворота АГ с ШСР /?„.

На рисунке 17 показаны примеры полученных круговых траекторий АГ с ШСР.

В пятой главе подтверждена адекватность математической модели процесса поворота АГ с ШСР, приведены экспериментальные исследования на физической модели с учетом коэффициента подобия и на АГ с ШСР марки А — 120. Проведена проверка адекватности математической модели АГ с ШСР. Предложены технические решения по реализации конструкции АГ с ШСР.

На рисунке 18 приведена масштабная физическая модель и схема для определения радиуса поворота АГ.

По результатам эксперимента на масштабной физической модели выявлены следующие зависимости: зависимость угла складывания ШСР от угла поворота пе-

да 6

Рисунок 16—Блок-схема алгоритма моделирования процесса движения автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой по круговой траектории при обеспечении минимального габаритного коридора

редних управляемых колес я°; зависимость радиуса поворота автогрейдера /?„ от угла поворота передних управляемых колес а".

(МП....... д\1

Хм

а)

Х.м

б)

Рисунок 17 — Круговые траектории автогрейдера с ШСР при а) Ьб = 4,5м; Кт,„ = 5,6 м;

б) Ьб= 7 м; ЯтЫ = 7,87 м

Ч.

а)

б)

Рисунок 18 — а) Физическая модель автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой; б) определение радиуса поворота автогрейдера Установлено, что углу а" соответствует определенный угол при движении передних и задних колес по одной колее, следовательно, радиус поворота АГ И„ можно рассматривать в зависимости от а°. На рисунке 19 показаны экспериментальные и теоретические зависимости [1° = /(а°) и Я„ =((а°). Ниже представлены уравнения регрессии, аппроксимирующие данные зависимости.

/?= 1,99о°. (13)

Коэффициент детерминации при этом = 0,96; что говорит о высокой объясняющей способности полученного уравнения регрессии. Коэффициент при а° является коэффициентом пропорциональности к, который обеспечивает движение передних и задних колес по одной колее. Можно сказать, что для АГ с ШСР среднего класса с колесной формулой 1x2x3 угол складывания ШСР должен быть почти в два раза больше угла поворота передних управляемых колес.

134 79

*„ = ™-0,76. (14)

а

Коэффициент детерминации при этом: Я2 = 0,99. Это свидетельствует о том, что уравнение (14) достаточно точно описывает зависимость экспериментального значения радиуса поворота АГ Я„ от угла поворота передних управляемых колес а°.

Рисунок 19 — а) Экспериментальная и теоретическая зависимость =/(а°). б) Экспериментальная и теоретическая зависимость Н„ =/(а°)

В качестве экспериментального образца был выбран АГ с ШСР марки А-120 (рисунок 20). АГ совершал развороты на следующих поверхностях: асфальтобетон, супесь.

Получены графики зависимостей угла поворота передних управляемых колес на асфальтобетоне и супеси при условии движения передних и задних колес АГ по одной колее.

Аппроксимируется зависимость = / («°) на асфальтобетонном покрытии следующим уравнением с коэффициентом детерминации Я" = 0,99:

/Г =2,01 а'. (15) На супесчаном покрытии зависимость = / (а°) выглядит следующим образом:

/Г =1,97 а. (16) Коэффициент детерминации составляет 0,99.

Зависимость /?„ = / (я°) для асфальтобетона аппроксимирована уравнением с коэффициентом детерминации Я2 = 0,99: Н7 2

0,919. (17)

а

На супеси зависимость /?„ =/ (а°) выглядит следующим образом с коэффициентом детермина-Рисунок 20 — Автогоейдео А-120 ции /<■-' = о 99:

(18)

На рисунке 21 представлены зависимости угла складывания ШСР от угла поворота передних управляемых колес на различных поверхностях и теоретическая зависимость угла складывания ШСР от угла поворота передних управляемых колес для данной типоразмерной группы АГ с ШСР.

Важно отметить, что различные поверхности практически не влияют на пропорциональное отношение между углами поворота передних управляемых колес и углами складывания ШСР.

На рисунке 22 представлены зависимости радиуса поворота АГ с ШСР от угла поворота передних управляемых колес на различных поверхностях (асфальтобетон, супесь).

45 -4/

20 15 10 5 ■+ 0

Проведенные экспериментальные исследования позволили подтвердить адекватность математической модели процесса поворота АГ с ШСР. Расхождение результатов экспериментальных и теоретических исследований не превышает 8,4%. Это подтверждает адекватность математических моделей и корректность принятых допущений.

На основе анализа патентной и технической литературы, проведенных теоретических и экспериментальных иссле-

' асфальтобетон

■■•>-теоретические исследования

20

25

0 5 10 15

Рисунок 21 — Экспериментальная зависимость ¡}" =/(а°) и ее аппроксимация при движении автогрейдера, результаты теоретических исследований автогрейдера

дований были разработаны технические решения, которые могут подлежать технической реализации. Одним из предложенных решений является патент на полезную модель № 133541. Автогрейдер снабжен тягой, один конец которой шарнирно соединен с одной стороной МР, а второй конец шарнирно соединен с противоположной стороной одноосного пово-

I 1

\......\ "..............г......................

• \ч : ;

; 1

гсфальтоГетон

- георетЕгческие 1!СС.1еЛОВДК11£

0

5 10 15 20 я ' 25

Рисунок 22 — Экспериментальная зависимость Н„ /(а°) и ее аппроксимация при движении автогрейдера, результаты теоретических исследований автогрейдера

ротного моста (рисунок 23). Вторым предложенным решением является патент на полезную модель № 149803. Автогрейдер содержит тягу и рычаги. Конструкция разработана таким образом, что угол поворота ХР относительно МР приводит к углу поворота передних управляемых колес в ту же сторону с угловым коэффициентом передачи к (рисунок 24).

Годовой экономический эффект от внедрения РУ АГ с ШСР составил более 50 тыс. руб, среднегодовая производительность возросла на 8,5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ : - - Основные выводы по работе:

............ 1. Разработанная матемагиче-

. екая модель сложной динамической

системы процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной .' рамой, содержащая подсистемы: ав-

тогрейдер, гидропривод поворота пе-Рисунок 23-Автогрейдер с шарнирно- редних управляемых колес, гидро-

сочлененной рамой и поворотным мостом при прив0д складывания шарнирно-выполнешш разворота (пат. № 133541)

сочлененной рамы, рулевое управление, позволила определить оптимальное положение шарнира в базе автогрейдера, коэффициент пропорциональности между углами поворота передних управляемых колес и складывания шарнирно-сочлененной рамы, обеспечивающий движение передних и задних колес по одной колее. Подтверждена адекватность математической модели процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой, расхождение результатов экспериментальных и теоретических исследований не превышает 8,4 %.

2. В качестве критерия эффективности процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой обоснован радиус поворота.

3. Разработана инженерная методика оптимизации положения шарнира в базе автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой, обеспечивающая движение передних и задних колес по одной колее, включающая алгоритм моделирования процесса движения автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой по круговой траектории, зарегистрированный в Объединенном фонде электронных ресурсов. Методика справедлива для широкого класса автогрейдеров с шарнирно-сочлененной рамой, внедрена в ОАО «Омский завод транспортного машиностроения» и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СибАДИ» для подготовки специалистов, бакалавров и магистров по направлениям «Наземные транспортно-технологические средства» и «Наземные транспортно-технологические комплексы».

4. Выявлены основные закономерности процесса поворота автогрейдера с шар-нирно-сочлененной рамой, оснащенных рулевым управлением, устанавливающие зависимость угла складывания шарнирно-сочлененной рамы от угла поворота передних управляемых колес и коэффициента базы автогрейдера; радиуса поворота от угла поворота передних управляемых колес и коэффициента базы автогрейдера при условии движения передних и задних колес по одной колее, представленные в графическом виде и в виде уравнений регрессии.

5. Предложены технические решения двух конструкций автогрейдеров с шарнирно-сочлененной рамой и двух электрогидравлических рулевых управлений, новизна которых подтверждена четырьмя патентами на полезные модели РФ.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Портнова, A.A. Зависимость между углами поворота передних управляемых колес и шарнирно-сочлененной рамы автогрейдера / A.A. Портнова // Омский научный вестник. - Омск: ОмГТУ, 2013. - Вып. 3 (123). - С. 157 - 159.

2. Портнова, A.A. Обоснование критерия эффективности маневренности автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой. /A.A. Портнова // Вестник СибАДИ. -Омск: СибАДИ, 2014. - Вып. 4 (38). - С. 34 - 38.

3. Портнова, A.A. Результаты теоретических исследований математической модели автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой / A.A. Портнова, B.C. Щербаков, C.B. Котькин // Омский научный вестник. - Омск: ОмГТУ, 2014. - Вып. 2 (130). - С. 118-121.

у

Рисунок 24 - Автогрейдер с шарнирно-сочлененной рамой при выполнении разворота (пат. № 149803)

4. Портнова, A.A. Результаты экспериментальных исследований зависимостей угла поворота шарнирно-сочлененной рамы и радиуса поворота автогрейдера от угла поворота передних управляемых колес /A.A. Портнова // Вестник ИрГТУ. — Иркутск: ИрГТУ, 2014. - Вып. 3(86). - С. 50 - 55.

5. Портнова, A.A. Результаты экспериментальных исследований физической модели автогрейдера / A.A. Портнова, Е.Д. Комаров // Вестник СибАДИ. — Омск: Си-6АДИ, 2013.-Вып. 6 (34).-С. 87-91.

Патенты и свидетельства:

6. Пат. 133541 Российская Федерация, МПК E02F3/76. Автогрейдер [Текст] / Щербаков B.C., Жданов A.B., Портнова A.A.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СибАДИ».-№2013121216/03; заявл. 07.05.2013; опубл. 20.10.2013.

7. Пат. 146298 Российская Федерация, МПК B62D5/28. Система рулевого управления автогрейдером [Текст] / Щербаков В.С, Портнова A.A.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СибАДИ». - №2014120323/11; заявл. 20.05.2014; опубл. 10.10.2014.

8. Пат. 149425 Российская Федерация, МПК B62D5/28. Рулевое управление автогрейдером [Текст] / Щербаков B.C., Портнова A.A.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СибАДИ». -№2014136635/11; заявл. 09.09.2014; опубл. 10.01.2015.

9. Пат. 149803 Российская Федерация, МПК E02F3/76. Автогрейдер [Текст] / Щербаков B.C., Портнова A.A.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СибАДИ». -№2014120272/03; заявл. 20.05.2014; опубл. 20.01.2015.

10. Электронный ресурс. «Алгоритм процесса моделирования движения автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой по круговой траектории / A.A. Портнова,

B.C. Щербаков, C.B. Котькин»: свидетельство о регистрации электронного ресурса ОФЭРНиО № 19979 / A.A. Портнова, B.C. Щербаков, C.B. Котькин. Инв. номер ВНТИЦ№ 0102450320345; заявл. 14.02.2014; опубл. 05.03.2014, 1 с.

Статьи в материалах конференций и других изданиях:

11. Портнова, A.A. Анализ развития гидравлических рулевых механизмов / A.A. Портнова // Сборник научных трудов / сост. В.А. Глушец. — Омск: ОИВТ филиал ФБОУ ВПО НГАВТ. - Вып. 10.-2012. С. - 148 - 151.

12. Портнова, A.A. Анализ тенденций развития гидравлических рулевых механизмов / A.A. Портнова // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: матер. VII Все-рос. науч.-практ. конф. (с межд. участием). — Омск: СибАДИ, 2012г. — Книга2. — С. 64-68.

13. Портнова, A.A. Зависимость угла поворота передних колес автогрейдера от хода штока гидроцилиндра поворота /A.A. Портнова // Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона (Омскресурс - 3 - 2013): матер. III Межвуз. науч. конф. студ. и аспир. / отв. ред. Т.П, Ковтун, A.A. Начвина. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. —

C. 204-206.

14. Портнова, A.A. Задача минимизации радиуса поворота автогрейдера с шар-нирно-сочлененной рамой / A.A. Портнова // «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» [Текст]: Сборник научных трудов 4-ой Междунар. науч.-практ. конф. / ред-кол.: Горохов A.A. (отв. Ред.); В 3-х томах. — Курск: ЮЗГУ, 2014. — Том 2. -С. 97-99.

15. Портнова, A.A. Математическая модель гидропривода устройства поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой / A.A. Портнова // Развитие дорожно-транспортного и строительного комплексов и освоение стратегически важных территорий Сибири и Арктики: вклад науки: матер. Междунар. науч.-практ. конф. [Электрон-

ный ресурс]. — Электрон, дан. — Омск: СибАДИ, 2014. - Кн. 2. Режим доступа: http://bek.sibadi.org/fulltexl/EPD993.pdf, С. 109 - 114.

16. Портнова, A.A. Математическое описание автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой / A.A. Портнова // Теоретические знания в практические дела: сборник матер, конф. — Омск: МГУТУ имени К.Г. Разумовского филиал в г. Омске — 2014,- 4 2.-С. 232-235.

17. Портнова, A.A. Некоторые положения теории качения пневматического колеса / A.A. Портнова // Сборник научных трудов: вып. 11 / Сост. В.В. Калекин. — Омск: ОИВТ (филиал) ФБОУ ВПО НГАВТ, 2013. - С. 124- 128.

18. Портнова, A.A. Обоснование необходимости автоматизации проектирования гидрорулевого управления автогрейдера, оснащенного шарнирно-сочлененной рамой / A.A. Портнова // Межвузовский сборник научных трудов молодых ученых, аспирантов и студентов. - Омск: СибАДИ, 2012. - Вып. 9. - С. 223 - 227.

19. Портнова, A.A. Обоснование расчетной схемы гидравлического рулевого управления автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой / A.A. Портнова, A.B. Жданов // Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования — основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России: матер. Межд. 66-й науч.-практ. конф. — Омск: СибАДИ, 2012. - Кн. 1. - С. 391 - 395.

20. Портнова, A.A. Обоснование расчетной схемы поворота автогрейдера с шар-нирно-сочлененной рамой / A.A. Портнова // Научные труды молодых ученых, аспирантов и студентов: матер, науч.-практ. конф., посвященной Дню российской науки — Омск: СибАДИ, 2013. - Вып. 10. - С. 214 -218.

21. Портнова, A.A. Результаты экспериментальных исследований процесса поворота автогрейдера с шарнирно-сочлененной рамой / A.A. Портнова // Сборник трудов Междунар. науч.-практ. конф. «Современные научные исследования: актуальные проблемы и тенденцию): Сост. С.Г. Головченко. — Омск: ОИВТ (филиал) ФГБОУ ВО «НГАВТ», 2014, С. 147-152.

22. Портнова, A.A. Системы рулевого управления автогрейдеров / A.A. Портнова // Теоретические знания в практические дела: сборник матер, конф. — Омск: МГУТУ имени К.Г. Разумовского филиал в г. Омске — 2012. — Ч 2. — С. 391 — 394.

23. Портнова, A.A. Системы рулевого управления строительных и дорожных машин / A.A. Портнова // Природные и интеллектуальные ресурсы Омского региона (Ом-скресурс - 2 - 2012): матер. II Межвуз. науч. конф. студ. и аспир. / отв. ред. Т.П, Ковтун, A.A. Начвина. - Омск: изд-во ОмГТУ, 2012. - С. 201 -203.

24. Портнова, A.A. Способы решения проблемы управляемости дорожных машин / A.A. Портнова, С.Д. Игнатов // Архитектура Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации: матер. Международного конгресса. — Омск: СибАДИ, 2013. — Кн. 1 — С. 51 -57.

Портнова Александра Андреевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОГРЕЙДЕРА С ШАРНИРНО-СОЧЛЕНЕННОЙ РАМОЙ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано к печати 16.09.2015 Формат 60x90 1/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. п. л. 1,4 Тираж 150 Заказ № 150

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии ИПЦ «СибАДИ» г. Омск, пр. Мира, 5