автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Совершенствование сменного рабочего оборудования одноковшового экскаватора для укладки труб

На правах рукописи

Комаров Евгений Дмитриевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СМЕННОГО РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА ДЛЯ УКЛАДКИ ТРУБ

Специальность 05.05.04 — «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 ЯНВ 2015

Омск-2014

005558218

005558218

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

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

РУППЕЛЬ Алексей Александрович

Официальные оппоненты: ПАВЛОВ Владимир Павлович,

доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессиональною образования «Сибирский федеральный университет», профессор кафедры «Транспортные и технологические машины» (г. Красноярск);

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

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образова-

тельное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет» (г. Иркутск).

Защита диссертации состоится 25 февраля 2014 г. в 14.00 ч. на заседании диссертационного совета ВАК РФ Д 212.250.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобилыю-дорожпая академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, ауд. 3124. Тел. (3812) 65-03-23, e-mail: dissovetsibadi@bk.ra.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» и на сайте академии по адресу:

http://sibadi.ore/science/studies/dissertations/12245/.

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 14 января 2015. Ученый секретарь

диссертационного совета, jf Кузнецова

доктор технических наук Виктория Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Экскаваторы со сменным рабочим оборудованием получили повсеместное распространение. Они используются для решения различных задач от погрузки-разгрузки грузов до строительства инженерных сеггей и сооружений. За последние 10 лет экскаваторы, датчики и исполнительные устройства, используемые с ними, были значительно усовершенствованы. За счет этого уменьшились погрешности позиционирования, обусловленные конструктивными особенностями экскаватора, как следствие, повысилась точность выполняемых работ. Это позволило экскаваторам значительно расширить спектр своего применения. В совокупности с применением современных средств автоматизации это позволяет реализо-вывать различные конструктивные решения и точные алгоритмы управления, значительно увеличивающие эффективность работ.

Одно из применений экскаваторов со сменным рабочим оборудованием —укладка трубопроводов. Существует большое количество разработок сменного рабочего оборудования для различных типов труб, все они совершенствуют процессы захвата труб и соединения с ранее уложенной трубой и обеспечивают необходимую эффективность. Устройства для позиционирования трубы в траншее проработаны недостаточно, таким образом, совершенствование процесса укладки труб экскаватором со сменным рабочим оборудованием для укладки труб является целесообразным и осуществимым путем оснащения экскаватора со сменным рабочим оборудованием устройством для центрирования труб. Предлагаемое устройство позволит значительно увеличить эффективность работы экскаватора по укладке трубопроводов за счет сокращения времени центрирования, повышения его точности и экономии энергии, затрачиваемой на центрирование.

Таким образом, совершенствование экскаватора со сменным рабочим оборудованием для укладки труб путем оснащения устройством для центрирования труб является актуальной задачей, которую необходимо выполнить, используя современные методы управления и встраиваемые системы. Исследование и выявление закономерностей процессов работы экскаватора со сменным рабочим оборудованием, оснащенным устройством центрирования, с целью выбора основных его параметров, также актуально.

Степень разработанности. Существует большое количество устройств позиционирования рабочих органов для многих строительных машин, но автоматизированные устройства для центрирования труб не разработаны. Задачи исследования процессов укладки труб осложняются тем, что существующие математические модели экскаваторов рассчитаны в первую очередь на моделирование в малых перемещениях и мало подходят для исследования в больших перемещениях при решении задач динамики.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности работ по укладке трубопроводов экскаватором со сменным рабочим оборудованием путем его оснащения устройством для центрирования труб.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить и обосновать основные критерии эффективности укладки

труб экскаватором со сменным рабочим оборудованием;

• разработать математическую модель экскаватора со сменным рабочим оборудованием, оснащенным устройством для центрирования труб;

• разработать алгоритм работы устройства для центрирования труб;

• разработать структурную схему устройства для центрирования труб;

• выявить основные закономерности процесса центрирования труб;

• разработать и внедрить инженерную методику выбора основных параметров устройства для центрирования труб.

Объектом исследования является рабочий процесс укладки труб экскаватором со сменным рабочим оборудованием, оснащенным устройством для центрирования труб.

Предметом исследования являются закономерности, определяющие эффективность укладки труб экскаватором со сменным рабочим оборудованием, оснащенным устройством для центрирования труб. Научная новизна работы:

• разработана математическая модель экскаватора со сменным рабочим оборудованием, оснащенным устройством для центрирования труб;

• разработан алгоритм работы устройства для центрирования труб, включающий методику планирования сглаженных траекторий центрирования и методику определения положения укладываемой трубы относительно ранее уложенной;

• выявлены основные закономерности, устанавливающие связь между параметрами гидропривода экскаватора со сменным рабочим оборудованием для укладки труб и его эффективностью.

Теоретическая значимость:

использованный подход к математическому моделированию (для моделирования гидропривода не принимается допущение о несжимаемости жидкости; перемещение штоков гидроцилиндров рассчитывается математической моделью механической системы на основании значений давлений, рассчитываемых гидравлической подсистемой) может быть использован для моделирования больших перемещений любой строительной техники с гидроприводом;

> предложенный алгоритм планирования сглаженных траекторий центрирования труб учитывает все возможные варианты перемещений, включая движение без равноускоренного участка. Практическая значимость: — разработана методика центрирования труб;

—усовершенствована конструкция сменного рабочего органа одноковшового экскаватора путем оснащения устройством для центрирования труб;

—разработана инженерная методика выбора основных параметров устройства для центрирования труб сменного рабочего оборудования одноковшового экскаватора.

Внедрение результатов работы.

Инженерная методика выбора основных параметров устройства для центрирования труб сменного рабочего оборудования одноковшового экскаватора внедрена в ОАО «Омский завод транспортного машиностроения» г. Омска.

Методология и методы исследования.

В работе использованы методология системного анализа, методы математического моделирования, математического анализа, прикладной математики, управления техническими системами, модельно-ориентированного исследования и планирования эксперимента.

Положения, выносимые на защиту:

■S математическая модель экскаватора с гидроприводом со сменным рабочим оборудованием для укладки труб, оснащенным устройством для центрирования труб;

■S алгоритм работы устройства для центрирования труб;

■S структурная схема устройства для центрирования труб;

■S закономерности, характеризующие влияние параметров гидропривода на процесс центрирования труб;

•S инженерная методика выбора основных параметров устройства для центрирования труб.

Степень достоверности.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обусловлена корректным использованием уравнений движения твердого тела и уравнений течения сжимаемой гидравлической жидкости, моделированием в современном программном обеспечении (Matlab — Simulink), теоретическими исследованиями, позволившими установить работоспособность разрабатываемого устройства, а также совпадением результатов компьютерного моделирования и данных, полученных в ходе экспериментальных исследований.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и получили положительные отзывы на 63-й, 65-й и 66-й научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «СибАДИ»; V, VI, VII Всероссийских научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «СибАДИ» «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования»; XII Международной научно-инновационной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с элементами научной школы «Теоретические знания в практические дела»; Международном конгрессе «Архитектура, строительство, транспорт»; Региональной научно-технической конференции молодых ученых, студентов, аспирантов (с международным участием) «Новые технологии на транспорте в энергетике и строительстве»; на научных семинарах факультета "Нефтегазовая и строительная техника" ФГБОУ ВПО «СибАДИ».

Публикации.

По результатам работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на полезную модель и 2 свидетельства о регистрации электронного ресурса.

Структура и содержание работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав с выводами, списка использованных источников, включающего 104 наименования, и приложений на 24 страницах. Работа изложена на 179 страницах, содержит 6 таблиц и 52 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована научная проблема, обоснована актуальность, поставлены дели и задачи диссертационного исследования.

В первой главе диссертационной работы проведен краткий обзор предыдущих исследований, рассмотрены основные тенденции развития сменного рабочего оборудования экскаваторов для укладки трубопроводов, методы управления ими, методы их исследования и моделирования.

Проведенный анализ показал:

• применение сменного рабочего оборудования (РО) экскаваторов целесообразно для выполнения сложных операций, в том числе и укладки трубопроводов;

• существующие математические модели экскаваторов не позволяют комплексно исследовать процессы укладки труб экскаватором со сменным рабочим оборудованием;

• основным направлением совершенствования экскаваторов является разработка точных устройств управления и их очувствление.

Во второй главе обоснован комплексный метод выполнения работы, включающий как теоретические, так и экспериментальные исследования. На основании предложенной ранее А.Н. Зенининым, В.И. Баловневым и И.П. Керовым иерархической структуры критериев эффективности строительных, дорожных и землеройных машин проведен анализ факторов, влияющих на эффективность работы экскаватора со сменным рабочим оборудованием для укладки труб. В качестве основных приняты критерии 4-го уровня - время рабочего цикла и затрачиваемая на осуществление рабочего процесса энергия.

В. работе применен системный анализ и методика модельно-ориенти-рованного проектирования, в рамках которой все исследования проводятся на основании математической модели. Предлагаемая методика позволяет охватить все фазы исследования рабочих процессов и проектирования устройств, совершенствующих рабочий процесс укладки труб экскаватором со сменным рабочим оборудованием.

В рамках парадигм объектно-ориентированного моделирования рабочий процесс машины представлен как сложная динамическая система, состоящая из отдельных подсистем, взаимосвязанных друг с другом. Математические модели подсистем образуют в совокупности динамическую модель рабочего процесса укладки труб экскаватором со сменным рабочим оборудованием.

В соответствии с поставленными в работе целью и задачами исследования, а также с учетом результатов предшествующих исследований были определены основные этапы и структура работы.

В третьей главе разработана математическая модель экскаватора со сменным рабочим оборудованием. Общая математическая модель разбита на две подсистемы: механическую и гидравлическую. Схематическое взаимодействие подсистем изображено на рисунке 1, на котором обозначены: г — вектор непотенциальных обобщенных сил, действующих по степеням свободы экскаватора; Q — вектор обобщенных координат; п — частота вращения вала гидронасосов; Иу„р — вектор управляющих сигналов для гидропривода; Р — вектор сил тяжести; — вектор сил реакции опоры.

ЬупрМ Динамическая система экскаватора п | ОД

Гидравлическая подсистема тШ Механическая подсистема

. ош 4 1 1

Рисунок 1 — Взаимодействие подсистем экскаватора со сменным рабочим оборудованием для укладки труб

Такой принцип взаимодействия был выбран для того, чтобы избежать введения дополнительного математического аппарата вычисления приведенной к штоку гидроцилиндра массы в больших перемещениях, описывая все перемещения внутри механической подсистемы. Гидравлическая подсистема выражает силу или момент, оказываемый на механическую подсистему, на основании давления в полостях гидродвигателей.

Механическая подсистема смоделирована со следующими допущениями:

• экскаватор со сменным РО для укладки труб представляет собой шарнирно-сочлененный пространственный незамкнутый многозвенник;

• элементы экскаватора представляются как абсолютно жесткие стержни;

• каждому звену экскаватора придана локальная система координат;

• связи являются голономными и стационарными;

• люфты и силы сухого трения в шарнирах отсутствуют;

• силы реакции опор представлены как упруговязкие связи.

Экскаватор со сменным рабочим оборудованием представлен шар-

нирно-сочлененным многозвенником, звеньями которого являются:

1) базовое шасси экскаватора массой т\,

2) поворотная платформа массой тг\

3) стрела экскаватора массой /из;

4) рукоять экскаватора массой /га4;

5) подвеска РО массой т%\

6) вертикальный шарнир РО массой ти6;

7) горизонтальный шарнир РО массой тт.

Принятые степени свободы и соответствующие им обобщенные координаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Принятые степени свободы и соответствующие им обобщенные координаты

№ п/п Характеристика координаты в локальной системе координат звена Обобщ. коорд. Степ, свободы

1 Перемещение центра масс базового шасси 0\ вдоль оси Ха Ф Пост.

2 Перемещение центра масс базового шасси 0\ вдоль оси Уо Ф Пост.

3 Перемещение центра масс базового шасси 0\ вдоль оси 2» Ф Пост.

4 Поворот базового шасси вокруг оси Х\ Ф Вращ.

5 Поворот базового шасси вокруг оси К| 45 Вращ.

6 Поворот базового шасси вокруг оси Ъ\ Яп Вращ.

7 Поворот поворотной платформы вокруг оси Кг Ф Вращ.

8 Поворот стрелы вокруг оси Zз Я» Вращ.

9 Поворот рукояти вокруг оси <79 Вращ.

10 Поворот подвески РО вокруг оси <7 ю Вращ.

11 Поворот вертикального шарнира РО вокруг оси Х(, ЯП Вращ.

12 Поворот горизонтального шарнира РО вокруг оси У7 ЯП Вращ. |

Согласно принятым допущениям, введенным звеньям и степеням свободы составлена обобщенная расчетная схема динамической системы экскаватора, изображенная на рисунке 2.

Для описания динамики движения экскаватора использован метод Ла-гранжа—Эйлера для неконсервативных систем (с подводом внешних сил). При этом ориентация экскаватора представлена с помощью углов Эйлера, то есть описанием взаимного положения звеньев с помощью однородных координат и матриц преобразования между ними. Каждому звену придана своя ортогональная правосторонняя система координат.

Уравнение Лагранжа—Эйлера записывается в виде

дЬ\ 8Ь ,. , „ х --— г, (/ = 1,2,...,«), 1

£ Л

где Ь — функция Лагранжа (/,= Ек -Ер );

Ек— полная кинетическая энергия экскаватора; Ер — полная потенциальная энергия экскаватора; Я и Я/'— г_я обобщенная координата экскаватора и ее производная; т/ — обобщенные непотенциальные моменты/силы в ;'-м звене (включая силы со стороны гидропривода и упруговязкие силы реакции опоры).

Выразив полную потенциальную и кинетическую энергии экскаватора, уравнение (1) можно записать в виде

_"._'. п ) ) яг г п

м *=1 уч 1 <п=1 у=1

где Л — тензор инерции /-го звена;

С/у — частная производна матрицы преобразования из /-Й СК в инерци-альную по_/-й обобщенной координате; т, — масса /-го звена;

g — вектор ускорения свободного падения. При помощи уравнения (2) описана динамика экскаватора.

Рисунок 2 - Обобщенная расчетная схема динамической системы экскаватора со сменным рабочим оборудованием для укладки труб

Гидравлическая подсистема составлена с учетом следующих допущений:

• силы инерции жидкости не учитываются;

• температура и газонасыщенность постоянные;

• режим движения жидкости турбулентный;

• гидролинии абсолютно жесткие;

• угловая скорость вращения вала гидронасоса постоянная;

• утечки жидкости в гидроэлементах не учитываются.

Расчетная схема типового контура представлена на рисунке 3.

Согласно принятым допущениям в расчетной схеме используются

следующие элементы:

> гидролинии А,B,C,D и Е;

> гидрораспределитель основной - 1;

^ гидрораспределитель сливной — 2;

> предохранительный клапан — 3;

> обратный клапан - 4;

> предохранительно-подпиточные клапаны -5;

> гидронасос — 6;

> гидроцилиндр (гидромотор) - 7.

На рисунке 3 обозначено: Q — расходы через соответствующие сечения; р - давление на концах гидролиний; zynpi - сигнал, управляющий рабочим объемом гидронасоса; zynp2 - сигнал, управляющий перемещением золотника основного гидрораспределителя; zynp3 - сигнал, управляющий перемещением золотника сливного гидрораспределителя; п — частота вращения вала гидронасоса.

Математическая модель гидропривода представлена в виде математических моделей отдельных элементов. Математические модели золотников гидрораспределителей, предохранительного и обратного клапанов описываются уравнениями течения жидкости через дроссель в зависимости от его параметров и давлений в смежных с ним гидролиниях. Они рассмотрены в работах Н.С. Галдина, М.С. Корытова, М.А. Глушеца и других. Математическая модель гидроцилиндра представлена уравнениями изменяющегося, в зависимости от перемещений механических звеньев, объема полостей гидроцилиндров и уравнениями сил, действующих на механические звенья, в зависимости от давлений в полостях гидроцилиндра. При этом математическая модель расчета силы учитывает силы трения покоя, скольжения и вязкости.

Математическая модель гидролинии представлена уравнением неразрывности течения жидкости и уравнением потерь. Подобные математические модели гидролинии и гидроцилиндра рассмотрены в работах Д.Н. Попова и Anthony Alvin (Италия). Представленная расчетная схема и уравнения элементов гидравлической подсистемы позволили полностью описать

динамику гидравлической подсистемы и рассчитать обобщенные непотенциальные силы, действующие на механическую подсистему. На основании введенных степеней свободы и точек крепления гидроцилиндров, используя значения непотенциальных сил со стороны гидропривода, рассчитаны непотенциальные силы т„ действующие по степеням свободы, с помощью которых решается уравнение (1) относительно единственной неизвестной обобщенной координаты д,, тем самым определяется уравнение движения экскаватора.

А Уф: A V6fk

рабочим оборудованием для укладки труб

Выведенные уравнения были решены на ПК с помощью программного комплекса Matlab. Для моделирования механической подсистемы был использован программный продукт SimMechanics Second Generation, а для моделирования гидравлической подсистемы — программный продукт

81тНус1гаиНся. Для численного решения дифференциальных уравнений механической и гидравлической подсистем был использован решатель ос1е231 (одношаговый неявный метод трапеции 2-го порядка).

Для подтверждения адекватности математической модели были проведены экспериментальные исследования одноковшового экскаватора со сменным рабочим оборудованием в полевых условиях и гидропривода экскаватора на экспериментальном стенде. Сравнительный анализ показал, что относительная погрешность математической модели составляет менее 9,3 %. На основании полученных данных был сделан вывод об адекватности составленной математической модели, которая использована в дальнейших теоретических исследованиях.

В четвертой главе рассмотрен процесс совершенствования экскаватора со сменным рабочим оборудованием путем его оснащения устройством для центрирования труб. Решены следующие задачи: очувствления, обратная кинематическая, планирования сглаженной траектории движения и управления движением экскаватора.

В первую очередь решается задача очувствления. Согласно теоремам стереометрии однозначно задать положение цилиндрической поверхности, которой является уложенная ранее труба, можно с помощью координат четырех точек поверхности цилиндра и его радиуса. С целью определения положения этих точек на поверхности были использованы 4 лазерных дальномера, расположенные над захватом ранее уложенной трубы, попарно друг напротив друга, для упрощения дальнейших вычислений. Описанная схема крепления изображена на рисунке 4. Датчики угла наклона, установленные в шарнирах экскаватора, были использованы для получения информации о его текущей конфигурации. На этот способ определения положения ранее уложенной трубы был получен патент РФ на полезную модель "Устройство для центрирования труб" № 139564.

? А

Н

Рисунок 4 — Схема крепления датчиков: I - захват для укладываемой трубы; 2 — укладываемая труба; 3 — захват для ранее уложенной трубы; 4 — ранее уложенная труба; 5 — механизм крепления к экскаватору; 6 - гидроцилиндр состыковки труб; 7,8 — пары лазерных дальномеров

Далее, на основании полученной информации о положении ранее уложенной трубы, необходимо вычислить конфигурацию экскаватора при которой ось укладываемой трубы совпадет с осью ранее уложенной трубы, то есть будет осуществлено центрирование труб. Для этого решена обратная кинематическая задача. Исходными данными для решения этой задачи являются показания датчиков дальномеров. Иными словами, задачу можно переформулировать так: найти целевую конфигурацию экскаватора, в которой обеспечивается соосность укладываемой и ранее уложенной труб на основании показаний датчиков дальномеров. Для решения этой задачи были введены дополнительные СК, связанные с дальномерами, и с помощью матриц перехода получены координаты точек ранее уложенной трубы в СК, связанной с горизонтальным шарниром. После чего составлено уравнение цилиндрической поверхности и уравнения, задающие эллиптическое сечение цилиндрической поверхности трубы плоскостью O7X7Y7Z7.

Решая эти уравнения матричным способом, найдено положение ранее уложенной трубы относительно укладываемой. После чего, учитывая зафиксированную обобщенную координату подвеса рабочего оборудования и конструктивные особенности экскаватора, не позволяющие обобщенной координате рукояти принимать положительные значения, решена однозначно обратная задача кинематики по поиску целевой конфигурации экскаватора со сменным рабочим оборудованием.

С целью решения задачи планирования сглаженной траектории было принято решение описывать ее с помощью алгоритма, приведенного в работе Herrera I., Sidobre D. On-line trajectory planning of robot manipulator's end effector in Cartesian space using quaternions и в работах C.B. Котькина, внеся поправки в некоторые участки движения. На рисунке 5 изображен общий случай планирования сглаженных траекторий предложенным способом, она включает в себя три типа участков, каждый из которых описывается своим уравнением:

— с постоянным рывком Т/.

— постоянным ускорением Та:

(3)

Л0 = о,

v(t) = u0±a^t,

(5)

— постоянной скоростью 7*„:

7(0 = 0,

а(0 = 0, "(0 = 4™,

Каждый участок характеризуется временем Т, при этом возможны пропуски некоторых участков, в зависимости от начальных условий, таких как максимальные ускорение атах, скорость итах, рывок Ли* и дистанция Б. Учет и уточнение всех возможных ситуаций — отличие проведенных исследование от предшествующих.

На основании проведенных исследований был синтезирован алгоритм работы устройства для центрирования труб, который был зарегистрирован в ОФЕРНИО как "Алгоритм работы устройства центрирования" №19589 от 28 октября 2013 года.

На основании предложенного метода очувствления экскаватора, методик решения обратной кинематической задачи и сглаживания траекторий было синтезировано устройство центрирования. Его структурная схема

изображена на рисунке 6. Для реализации подобного устройства центрирования на экскаваторе со сменным РО для укладки труб необходимо учитывать его особенности. Во-первых, использование гидропривода неизбежно влечет за собой большое динамическое запаздывание при реализации программной траектории. Во-вторых, изменение конфигурации экскаватора влечет за собой значительную нестационарность нагрузки. Обе эти особенности можно учесть, используя робастную систему контурного управления.

Предложенная структура устройства для центрирования и алгоритм его работы были реализованы в программном продукте Matlab. После чего для подтверждения работоспособности была произведена апробация устройства центрирования для всей области допустимых значений обобщенных координат с шагом в один градус. Для каждой точки исследовалось построение всех возможных траекторий, после чего анализировалось, достигалась ли соосность труб. Смоделированное устройство центрирования показало свою работоспособность во всех исследуемых точках, на основании чего был сделан вывод о работоспособности во всей зоне допустимых значений.

В пятой главе проведены теоретические исследования процесса центрирования, которые проводились с помощью синтезированной в главе 3 математической модели в программном комплексе Matlab. Была использована разработанная методика параллельного вычисления математических моделей на современных многоядерных компьютерах.

С помощью дифференциального метода теории точности было определено влияние погрешности датчиков на вычисление реального положения рабочего оборудования. Был сделан вывод: сумма всех исследованных погрешностей, при использовании датчиков с относительной погрешностью ± 0,5°, лежит в пределах до 0,005 м, что позволит выполнять работы по центрированию труб.

С целью выявления влияния параметров гидропривода на время центрирования были проанализированы дифференциальные уравнения математической модели и сделан вывод, что при составлении уравнения регрессии целесообразно выбрать форму в виде полного квадратного полинома:

п п п п

у=ъ0+2>Л+ТТ KW*■ (б)

J=1 j=1 J=1

Для оценки коэффициентов уравнения регрессии был выбран ортогональный центрально-композиционный план, содержащий: ядро ПФЭ2", звездные точки, расположенные на координатных осях на расстоянии ±а от центра эксперимента, и опыты в центре эксперимента.

Уравнение регрессии зависимости времени центрирования от остальных факторов представлено формулой

t = 6,54 + 2,91 • da - 291,93 • d - 0,0029 ■ Dp + 711,04 • dn ■ d -0,51 • da ■ Dp -- 0,39 • d ■ Dp + 318,54 • dl + 4585,6 • d2 + 0,00023 • D\. (7)

а«»

Блок решения

обратной кинематической

задачи и фориироиания целевых значений обобщенных координат

Блок планирования траектории

Робасткшй регулятор

Робеет ный регулятор

Кяр»

-Ч".« г-

Робасткый регулятор

±

ДУ

рукояти

л/

стрелы

Д»

к траверсы

траеерсы

757—

траверсы

Рисунок 6 - Структурная схема устройства центрирования

Уравнение регрессии для зависимости, затрачиваемой на осуществление энергии со стороны двигателя, будет иметь вид Е = 15180,24 + 668868, б 1 • </„ + 4401456,1 • с1 - 506,26 ■ I - 0,001 • + 72696,17 -т?--1326,34 -йр- 503 7 • - Ор - 68435,23 • с1 ■ £>р +9,769 ■ 10^ ■ Ртм ■ Ор - 863,23 • т? • £>р + +18,21- О*. ' (8)

Коэффициенты детерминации для выведенных уравнений составляют 0,9863 и 0,9576 соответственно. Графики выведенных зависимостей (7), (8) представлены на рисунках 7 и 8 соответственно. Анализ выведенных зависимостей показал, что на критерии эффективности строительного экскаватора наибольшее влияние оказывают максимальный рабочий объем гидронасоса и диаметр рабочих полостей гидроцилиндров.

Рисунок 7 - Графики зависимостей вре- Рисунок 8 - Графики зависимостей энер-

мени центрирования от площади штока и гии. затрачиваемой на центрирование со

максимального рабочего объема гидрона- стороны двигателя, от площади штока и

coca для различных значений длины гид- максимального рабочего объема гидрона-

ролиний, номинального давления и мак- соса Для различных значений длины гид-

симапьной площади золотника ролиний, номинального давления и мак-

В шестой главе была предложена инженерная методика поиска основных параметров устройства для центрирования, представленная на рисунке 9 и поясняемая рисунком 10. Алгоритм методики был зарегистрирован в ОФЕРНИО как "Алгоритм проектирования устройства для центрирования труб" №19590 от 28 октября 2013.

Также был проведен анализ эффективности использования устройства для центрирования. Прогнозируемое время центрирования значительно сократилось. За счет этого прогнозируемая эффективность использования экскаватора со сменным рабочим оборудованием для укладки труб в среднем увеличилась на 30 %.

Лрм 1-й м. й. «3.Í55 32 Ш*,

симальной площади золотника

СЕЭ

Рисунок 9 — Блок-схема алгоритма выбора оптимальных параметров устройства для центрирования

Рисунок 10 — Расчетная схема установки датчиков-дальномеров

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы:

1. Выявленные основные критерии эффективности работы экскаватора со сменным рабочим оборудованием для укладки трубопроводов, к которым относятся время центрирования трубы и затрачиваемая на процесс центрирования энергия, позволили проанализировать эффективность работы экскаватора.

2. Разработана и реализована в современном программном обеспечении МаНаЬ математическая модель в больших перемещениях, доказана ее адекватность, что позволило апробировать работу устройства центрирования и провести вычислительный эксперимент по определению закономерностей процесса центрирования экскаватором со сменным рабочим оборудованием.

3. Предложенные алгоритмы работы и структурная схема устройства для центрирования труб, методика планирования квазипрямолинейных траекторий центрирования позволили синтезировать устройство для центрирования труб экскаватором со сменным рабочим оборудованием.

4. Выведенные уравнения" регрессии зависимости выбранных основных критериев — времени центрирования и затрачиваемой на центрирование энергии — от параметров гидропривода экскаватора позволили провести анализ влияния параметров гидропривода на эффективность процесса центрирования. В результате анализа было установлено, что основными значимыми параметрами являются максимальные рабочие объемы гидронасосов и площади полостей гидроцилиндров.

5. Разработанная и внедренная инженерная методика выбора основных параметров устройства для центрирования труб позволила увеличить эффективность процесса проектирования этого устройства.

6. Оснащение экскаватора со сменным рабочим оборудованием для укладки труб синтезированным устройством для центрирования позволило сократить время центрирования и повысить эффективность работ по укладке труб на 30 %.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Комаров, Е.Д. Определение коэффициента сервиса в произвольной точке пространства / Е.Д. Комаров, С.Н. Паркова // Омский научный вестник.

-2012.-№3(113).-С. 158-162.

2. Комаров, Е.Д. Моделирование гидроцилиндров в программном продукте Matlab SimMehcanics / Е.Д. Комаров, A.A. Руппель // Вестник Академии военных наук. - 2011. - № 2(35) спецвыпуск. - С. 168-173.

3. Комаров, Е.Д. Метод установки дальномеров на сменное рабочее оборудование экскаватора для укладки труб / Е.Д. Комаров, A.A. Руппель //

Вестник СибАДИ.-2014.-№3(37).-С. 12-17.

4. Комаров, Е.Д. Математическое моделирование динамических систем одноковшового экскаватора с гидроприводом в Matlab / Е.Д. Комаров, Д А. Щеховцова // Омский научный вестник. - 2014. - № 3(133). - С. 147-152.

Свидетельства о регистрации электронных ресурсов и патенты:

5. Комаров, Е.Д. Устройство для центрирования труб : патент на полезную модель № RU 139564 / Е.Д. Комаров, A.A. Руппель: СибАДИ. -№ 2013147108/06 ; заявл. 22.10.2013; опубл. 20.04.2014, Бюл. №11.

6. Алгоритм проектирования устройства для центрирования труб : свид. 19590 от 28.10.2013, per. ИНИПИ РАО ОФЭРНиО / Е.Д. Комаров, A.A. Руппель; организация-разработчик ФГБОУ ВПО "СибАДИ".

7. Алгоритм работы устройства для центрирования труб : свид. 19589 от 28.10.2013, per. ИНИПИ РАО ОФЭРНиО / Е.Д. Комаров, A.A. Руппель; организация-разработчик ФГБОУ ВПО "СибАДИ".

Статьи в других печатных изданиях:

8. Комаров, Е.Д. Математическое моделирования сложных технических систем с помощью Simulink / Е.Д. Комаров, A.A. Руппель // Автоматиками программная инженерия. - Новосибирск : НГТУ, 2013. -

9. Комаров, Е.Д. Моделирование строительного манипулятора для укладки труб в Matlab / Е.Д. Комаров, A.A. Руппель // Материалы Всероссийской 63-й научно-технической конференции (с международным участием) - Омск : СибАДИ, 2009. - Кн. 3. - С. 99-102.

Ю.Комаров, Е.Д. Моделирование строительного манипулятора в программном продукте Matlab SimMechanics Secod Generation / Е.Д. Комаров, A.A. Руппель // Материалы Всероссийской 66-й научно-технической конференции (с международным участием). - Омск : СибАДИ, 2012. - Кн. 1. -С. 398-402.

11. Комаров, Е.Д. Выбор и обоснование расчетной схемы манипулятора для укладки труб / Е.Д. Комаров // Материалы V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Омск : СибАДИ, 2010.-Кн. 2.-С. 260-263.

12. Комаров, Е.Д. Визуализация алгоритма управления строительным манипулятором для укладки труб / Е.Д. Комаров // Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Омск : СибАДИ, 2011. - Кн. 2. - С. 72-75.

13. Комаров, Е.Д. Определение уравнений рабочей зоны N-звенного манипулятора / Е.Д. Комаров // Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Омск : СибАДИ, 2012. -С. 37-40. 3

14. Комаров, Е.Д. Проведение стендовых испытаний гидропривода с объемным регулированием / Е.Д. Комаров, A.C. Сагандыков // Материалы III межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. - Омск : ОмГТУ, 2013.-С. 179-182.

КОМАРОВ ЕВГЕНИЙ ДМИТРИЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СМЕННОГО РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА ДЛЯ УКЛАДКИ ТРУБ АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано к печати 25.12.2014 Формат 60x90 1/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. п. л. 1,3 Тираж 150 Заказ №341

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