123660 (Повышение производительности автогрейдера, выполняющего планировочные работы, совершенствование системы управления)

_{Введение}

Одной из самых массовых землеройно-транспортных машин, применяемых в дорожном строительстве является автогрейдер. На долю автогрейдера отводятся планировочные и профилировочные работы по возведению земляного полотна. Существующий СНиП предъявляет высокие требования к точности соблюдения геометрических параметров земляных сооружений, в то время, как серийно выпускаемые автогрейдеры у нас в стране и за рубежом, даже оснащенные системами стабилизации рабочего органа не содержат устройств индикации предоставляющих объективную информацию о точности соблюдения геометрических параметров дорожного полотна. Возникло серьезное противоречие между непрерывно возрастающими требованиями к производительности планировочных работ при высокой точности геометрических параметров земляного полотна и отсутствием систем индикации на серийно выпускаемых машинах. В результате этого даже автоматизированный автогрейдер вынужден совершать лишние проходы по обрабатываемому участку.

Решить возникшие противоречия позволяет система управления рабочим органом автогрейдера, оснащенная устройствами индикации, которые предоставляют механику-водителю количественную информацию о геометрических параметрах земляного полотна или отклонениях от заданных параметров. Сокращение числа проходов по обрабатываемому участку повышает производительность землеройно-транспортной машины, а обеспечение требуемой геометрической точности существенно сокращает расход дорогостоящих строительных материалов. Появляется возможность проведения планировочных работ без привлечения нивелировщиков.

На основании вышеизложенного тема работы, направлена на дальнейшее совершенствование систем управления рабочим органом автогрейдера путем оснащения их устройствами индикации, является актуальной.

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования

1.1 Критерии эффективности планировочных работ автогрейдера

Обоснованный анализ эффективности землеройно-транспортных машин не может быть осуществлен без выявления взаимосвязи системы показателей машины с показателями эффективности их функционирования.

При формировании показателей эффективности необходимо принимать во внимание, что показатели должны обеспечивать

выявления влияния на эффективность машины всего многообразия определяющих факторов технических параметров, условий производства, эксплуатации и др.;

получения обоснованных рекомендаций для выбора рациональных технических параметров машины, совокупность которых определяет ее технико-экономическую эффективность.

Кроме того, показатели должны удовлетворять следующим требованиям:

иметь технико-экономическую основу;

соответствовать цели, достигаемой в результате применения оборудования;

иметь иерархическую структуру, т.е. включать частные показатели в более общие.

Установление связей между отдельными критериями эффективности осуществляются на основании анализа интегральных показателей. В качестве обобщенного интегрального показателя используют зависимость для расчета приведенных удельных затрат на единицу продукции.

,

где Z – приведенные затраты;

П – эксплуатационная производительность.

Величину Z определяют в соответствии с отраслевой инструкцией:

,

где U – текущие затраты потребителя, связанные с выполнением технологического процесса без учета отчислений на реновацию техники;

З_К – капитальные затраты, связанные с созданием, производством, доставкой и монтажом техники;

P – отчисления на реновацию от капитальных затрат;

E_Н – нормативный коэффициент эффективности;

К_Э – сопутствующие капитальные вложения потребителя на эксплуатацию техники.

Для показателей эффективности характерна иерархическая структура построения, с точки зрения полноты охвата параметров, определяющих протекание процесса с включением частных показателей более низкого уровня в общие.

Показатель 1‑го уровня целесообразен для оценки комплексов систем и машин, если известно, что коэффициенты удельных приведенных затрат для сравниваемых объектов существенно изменяются.

Показатель 2‑го уровня имеет то же назначение, что показатель интегральный 1‑й, но при условии, что для нового объекта коэффициенты приведенных удельных затрат на эксплуатацию и основные фонды значительно не изменяются по сравнению с эталоном. Он дает возможность оценить экономию энергетических и материальных затрат.

Показатели 3‑го и 4‑го уровня оценивают основные группы подсистем машин или комплексов энергетического и технического назначения. Показатель 5‑го уровня – один из важнейших, так как все показатели более высокого уровня могут быть установлены только при известном значении производительности. Показатели более низкого уровня позволяют определить качество машины при неизменных параметрах, входящих в показатели более высокого уровня.

Так как часть показателей, входящих в состав такого обобщенного критерия, как удельные приведенные затраты, может быть установлена весьма приблизительно, целесообразней применять более низкие по иерархическому уровню показатели.

Показатель производительности для автогрейдера имеет вид

м²85с.

Сравнительная оценка только по показателю производительности, без учета показателей, характеризующих планирующие свойства автогрейдера, не позволяют объективно и всесторонне оценить эффективность машины. В качестве критериев, характеризующих точность обработки грунта автогрейдером, могут быть выбраны различные ограничивающие и экстремальные условия, но общим для них является то, что они являются вероятностными характеристиками случайных функций, описывающих рабочий процесс автогрейдера.

Одним из наиболее жестких условий является равенство нулю математического ожидания погрешности и минимум ее дисперсии:

или эквивалентное условие – равенство математического ожидания величины параметра точности по номинальному значению и минимум дисперсии:

В ряде случаев достаточно задать ограничения по дисперсии:

где -допустимое значение дисперсии.

Выполнение условия при незначительном проигрыше в точности землеройной машины, по сравнению с условиями и, может дать значительный выигрыш в других ее показателях, например, уменьшить массу, габариты, стоимость, трудозатраты в эксплуатации и др.

Однако в ряде случаев нецелесообразно, а иногда и невозможно использовать абсолютные величины дисперсий для проведения сравнительных оценок точностных параметров машин. В этом случае в качестве критерия точности в работе предлагается использовать, так называемый, коэффициент сглаживания, равный отношению среднеквадратических отклонений параметра, определяемых до и после реализации рабочего процесса. В работе предложено производить оценку планирующей способности автогрейдера двумя коэффициентами сглаживания – в продольном и поперечном направлениях. Недостатком коэффициента сглаживания в поперечном направлении является не совсем корректный выбор параметра, определяемого до реализации рабочего процесса, т.е. определяется отношение среднеквадратических отклонений угла поперечного профиля до и после обработки. Тогда как на формируемый угол поперечного профиля в силу конструктивных особенностей подавляющего большинства конструкций существующих автогрейдеров, основное влияние оказывают вертикальные премещения средней точки переднего моста автогрейдера.

Исходя из этого, в данной работе вводится коэффициент передачи возмущающих воздействий от вертикальных перемещений переднего моста автогрейдера в продольном К_Y и поперечном К направлениях.

Коэффициент К_Y равен отношению среднеквадратических отклонений вертикальной координаты, определяемых после и до реализации рабочего процесса.

Коэффициент К равен отношению среднеквадратических отклонений угла поперечного профиля после обработки и среднеквадратических отклонений вертикальной координаты до обработки.

Комплексный показатель достаточно объективно характеризует эффективность рабочего процесса, но определение весовых коэффициентов вызывает существенные трудности и связанно с субъективными оценками. Поэтому более целесообразно использовать векторный критерий эффективности, представляющий собой набор единичных показателей, характеризующих автогрейдер с различных сторон.

Таким образом, векторный критерий эффективности автогрейдера при выполнении планировочных работ имеет вид:

,

где Р₁ – единичный показатель, характеризующий планирующую способность автогрейдера в продольном направлений К_Y; Р₂ - единичный показатель, характеризующий планирующую способность автогрейдера в поперечном направлении К; Р₃ – единичный показатель, характеризующий рабочую скорость автогрейдера V.

Таким образом, задача оценки эффективности того или иного усовершенствования автогрейдера или оценки влияния на качество работ того или иного параметра автогрейдера и его системы управления трансформируется в задачу определения векторного критерия при условии, что требуемые тенденции изменения единичных показателей имеют вид

Р₁ max, Р₂ max, Р₃ max.

Кроме рассмотренных, могут быть и другие критерии эффективности при решении задач обеспечения точности автогрейдера. Их выбор зависит от типа решаемых задач, вида и объема исходной информации и др.

На основе вышеприведенного обзора критериев эффективности можно сделать вывод, что для оценки эффективности целесообразно применять более низкие по иерархическому уровню показатели, в частности производительность. На показатель производительности большое влияние оказывает количество проходов автогрейдера по обрабатываемому участку до достижения точности, установленной СНиПом. Особенности рабочего процесса автогрейдера, при проведении планировочных работ, позволяют при сокращении лишних проходов снизить затраты расходного материала. Таким образом перспективным направлением повышения эффективности автогрейдера, при проведении планировочных работ, является разработка новых систем управления рабочим органом, позволяющих добиться заданной точности геометрических параметров земляного полотна за минимальное число проходов по обрабатываемому участку.

1.2 Анализ предшествующих исследований

1.2.1 Анализ математических моделей автогрейдеров

Автогрейдерам и системам управления рабочим оборудованием автогрейдеров посвящено значительное число исследований. Был разработан ряд математических моделей автогрейдеров, снабженных автоматической системой стабилизации положения рабочего органа. Так как эти математические модели разработаны в разное время, для различных конкретных задач, они отличаются степенью детализации.

В работах В.С. Дектярева и А.М. Васьковского рассматривается автогрейдер, снабженный электрогидравлической системой стабилизации угла наклона отвала в поперечной плоскости. Расчетная схема автогрейдера выполнена в виде одномассовой системы на упругих опорах, математическое описание представлено дифференциальным уравнением второго порядка.

Для математического описания автогрейдер может быть представлен механической системой в виде шарнирно сочлененного многозвенника с голономными связями. В работах В.А. Палеева, В.А. Байкалова, В.Е. Калугина и А.Ф. Бакалова предложены обобщенные расчетные схемы автогрейдера, представленные пятизвенной системой с 13-ю степенями свободы и наложенными на нее упруговязкими связями. В зависимости от конкретных задач исследований математические модели различаются наличием дополнительных элементов и связей. В качестве элементов расчетной схемы выбраны: подмоторная рама, хребтовая балка, левый и правый балансиры, передняя ось и тяговая рама с рабочим органом. Математическая модель автогрейдера описывается системой уравнений Лагранжа второго рода. Для решения задач исследования пространственных кинематических цепей, которыми представлен автогрейдер, используется метод переходных матриц. Суть метода состоит в том, что задаются неподвижная система координат, связанная с неподвижным звеном или звеном, движущимся равномерно и прямолинейно, и локальные системы координат, жестко связанные с подвижными звеньями. В работах получены уравнения геометрической связи, определяющие положение произвольной точки локальной системы отсчета относительно однородной, связи между контролируемыми параметрами земляного полотна и значениями обобщенных координат автогрейдера, колебаний автогрейдера и др.

В работах В.В. Беляева, В.В. Привалова для описания перемещений элементов расчетной схемы была принята правая ортогональная система координат. Пространственное положение отвала характеризуют вертикальная координата его центральной точки и угол перекоса. Выведены уравнения кинематических связей, определяющих положение произвольных точек звеньев расчетной схемы в неподвижной системе координат в любой момент времени от начала отсчета и устанавливающих связь между положением рабочего органа и параметрами сформированной поверхности.

В работе В.А. Калякина предложена математическая модель планировочной машины на базе промышленных тракторов. Проведен анализ конструкций планировочных машин на базе различных промышленных тракторов.

В работе Б.Д. Каноныхина в соответствии с методом структурно-кинематического объединения типовых агрегатных подсистем были получены динамические модели колеса, балансирной тележки, остова, структурно-кинематические связи продольного и поперечного движений. На основании динамических моделей агрегатных подсистем синтезируется динамическая модель всей системы в целом: продольного и поперечного движения.

1.2.2 Анализ математических моделей гидроприводов

Решение задач анализа и синтеза гидроприводов невозможно осуществлять без их математических моделей, которые необходимо составлять для каждой новой гидравлической схемы. Разнообразные схемы гидроприводов представляют совокупность соединенных между собой гидроэлементов, причем количество функциональных элементов гидросистем невелико: насос, гидромотор, гидроцилиндр, гидролиния, дроссель, редукционный, предохранительный и обратный клапаны и др. Указанные гидроэлементы достаточно глубоко изучены и в зависимости от принятых допущений и поставленных задач исследования описаны с той или иной степенью детализации.

В работе Бирюкова С.Т. предлагается методика составления математических моделей гидроприводов, базирующаяся на представлении гидроэлементов в виде многомерных динамических объектов и использующая векторно-матричную форму записи уравнений.

Динамические свойства многомерных объектов полностью характеризуются их уравнениями движения, связывающими выходные и входные величины объектов, которые составляются на основе законов физики при рассмотрении процессов преобразования и передачи информации. Линеаризованная математическая модель гидравлического многомерного объекта может рассматриваться как гидравлический многополюсник. Гидропривод в целом можно рассматривать как сложный ГМП, состоящий из соединенных между собой различными способами простых ГМП.