123660 (Повышение производительности автогрейдера, выполняющего планировочные работы, совершенствование системы управления), страница 3

В полуавтоматическом режиме в систему управления добавляется человек-оператор. Наличие человека-оператора приводит к двум противоречивым результатам. С одной стороны, человек-оператор является наиболее универсальным и гибким звеном: человек способен переработать значительно большую и поступающую по многим каналам информацию, чем машинное звено. С другой стороны, человек уступает машине в скорости, точности выполняемых операций и в возможности длительное время сохранять заданную работоспособность.

Как видно из работ, в системе ручного управления оператор формирует управляющий сигнал на основе анализа и обобщения информации от нескольких источников. Управляющий сигнал получается в результате проведения определенных математических операций над координатами, определяющими положение элементов рабочего оборудования. После того, как сформирован управляющий сигнал, оператор вырабатывает решение на отклонение управляющего элемента и осуществляет это отклонение с помощью нервно-мускульного воздействия.

Человека-оператора, как элемент в замкнутом контуре ручного управления, можно рассматривать в виде последовательно соединенных трех функциональных звеньев: суммирующего, вычислительного и усилительного.

Суммирующее звено по динамическим свойствам представляет собой усилительный элемент с запаздыванием. Второе звено является специфическим вычислительным элементом с самонастройкой. С точки зрения динамики этот элемент обладает свойствами усилительного, инерционного и форсирующего звеньев. Инерционность обусловлена необходимостью выработки решения и зависит от объема информации. Чем меньше параметров обрабатываемой информации, тем меньше инерционность.

Форсирующее звено возникает в результате создания оператором форсирующих управляющих сигналов, с помощью которых он стремится компенсировать свою инерционность.

Усилительное звено оператора отражает нервно-мускульное воздействие на органы управления. По динамическим свойствам это инерционное звено.

Анализ предшествующих работ, посвященных математическому описанию систем управления, показал, что для элементов систем управления РО целесообразно применить формальное математическое описание, аппарат которого разработан в теории автоматического управления и успешно применяется для решения различных задач.

Для достижения поставленной в работе цели в систему управления РО автогрейдера необходимо ввести устройство индикации.

1.2.5 Анализ предшествующих исследований проблемы повышения точности планировочных работ, выполняемых автогрейдером

В дорожном строительстве огромное значение имеет качество возводимого земляного полотна. Его точностные характеристики такие как уклоны, высотные отметки, линейные размеры, ровность поверхности и др. строго регламентированы СНиПом.

Вопросу повышения точности обработки грунта посвящено ряд работ, авторы которых с разной степенью детализации рассматривали процесс планировки земляного полотна и давали рекомендации по повышению точности.

В работе Э.А. Степанова исследована зависимость качества планировки от конструктивных параметров автогрейдера.

В работах В.С. Дектярева, А.М. Васьковского, А.Н. Пиковской, в трудах ВНИИстройдормаша подробно рассмотрены различные варианты математических описаний и приведены конкретные статические и динамические характеристики элементов систем автоматической стабилизации – гироскопических и гравитационных датчиков угла наклона, релейных элементов, усилителей, электрозолотников, гидроцилиндров.

В.С. Дектярев в своей работе, проанализировав причины отклонения от заданных параметров земляного полотна, пришел к выводу, что необходимо сократить зазоры в соединениях деталей рабочего оборудования и механизмов управления и применять автоматические системы управления автогрейдером. В результате экспериментальных и теоретических исследований были созданы два варианта трехпозиционных автоматических регулятора: с контактным измерением величины рассогласования и с потенциометрическим изменением величины рассогласования.

А.М. Васьковский в работе, используя опыт по автоматизации землеройно-планировочных машин в отделе автоматики ВНИИСтройдормаша, исследовал рабочий процесс этих машин. Это позволило ему определить важнейшие элементы, подлежащие автоматизации.

Стала очевидна необходимость автоматического контроля угла поперечного наклона рабочего органа автогрейдера и автоматическая стабилизация продольного угла наклона рамы бульдозера, способная придать ему высокие сглаживающие свойства, подобные свойствам длиннобазового планировщика. Была предложена методика проектирования систем автоматического управления с целью определения параметров, относящихся к задаче автоматизации.

В.А. Палеев в работе предложил применить для повышения точности планировочных работ гидромеханическую систему стабилизации отвала автогрейдера в поперечной плоскости. Рассмотрел изменение угла наклона отвала в поперечной плоскости при изменении угла захвата. Проанализировал влияние координат точки крепления системы стабилизации на качество планирования. Определил параметры гидромеханической системы стабилизации.

В.А. Байкалов в работе предложил двухскоростную систему стабилизации рабочего органа автогрейдера. Исследуя систему стабилизации, определил ее основные параметры.

А.Ф. Бакалов в работе, исследуя системы стабилизации рабочего органа автогрейдера, предложил повысить быстродействие системы применением корректирующего звена, которое устраняет влияние демпфирования маятника датчика относительно корпуса.

В.В. Беляев в работе, проанализировав модель рабочего процесса автогрейдера при выполнении планировочных работ, пришел к выводу, что наиболее существенное влияние на точность обработки грунта оказывают отношения геометрических параметров автогрейдера к параметрам обрабатываемой поверхности. Было предложено с целью повышения планирующей способности автогрейдера исключить жесткие связи между базовой машиной и рабочим органом в поперечной вертикальной плоскости. Был предложен «инвариантный» рабочий орган с опорой на обработанную поверхность.

В.Е. Калугин в работе на основе морфологического анализа устройств подвеса тяговой рамы автогрейдеров предложил ряд новых схем подвеса. Как наиболее эффективная была выбрана схема на неповоротных кронштейнах. Рассматривался планировочный процесс при возведении откосов. Проведен анализ влияния зазоров в рабочем оборудовании автогрейдеров на точность планировочных работ.

В.В. Привалов в работе, исследуя влияние обрабатываемой поверхности на точность планировочных работ, предложил уменьшить возмущающее воздействие грунта путем применения дополнительных рабочих органов, установленных перед колесами автогрейдера.

В.И. Калякин в работе рассмотрел планировочные машины на базе промышленных тракторов. Был предложен ряд инженерных решений совершенствования планировочных машин. Указано на перспективность схем многоскоростных гидроприводов и приводов с переменной скоростью перемещения рабочего органа. Определено условие зоны устойчивой работы систем управления планировочных машин. С наилучшими точностными показателями была признана конструкция полуприцепной машины с шарнирным креплением задней оси к хребтовой балке и дополнительными рабочими органами перед задними колесами тягача.

Б.Д. Каноныхин в работе рассмотрел проблемы идентификации, автокоординирования и управления ЗТМ. Была синтезирована динамика координирования рабочих органов управляемых ЗТМ, теория лазерных координаторов и динамика систем управления рабочими органами ЗТМ с лазерными координаторами. В работах рассматривается новое направление в области строительного и дорожного машиностроения – адаптивное машиностроение. В статье проводится анализ инвариантных систем управления процессами грунт-машина-рабочий орган, рассматриваются оптимальные структуры управления повышающие эффективность использования машин при производстве земляных работ.

Рассмотренные работы в соответствии с поставленными в них целями и задачами в той или иной степени решали проблему повышения точности земляных работ выполняемых автогрейдером. Однако до настоящего времени отсутствуют работы, направленные на создание устройств индикации систем управления, что не позволяет решить поставленные в данной работе цели. В связи с этим необходимо провести исследование рабочих процессов автогрейдера при выполнении планировочных работ и решить научные и практические задачи, направленные на дальнейшее совершенствование систем управления РО автогрейдера.

1.2.6 Обзор существующих теорий копания грунта

В настоящее время существует ряд работ, описывающих различные методы теоретического определения усилий, возникающих при копании грунта землеройно-транспортными машинами, включающих резание грунта и перемещение грунта по отвалу и впереди его. Огромный вклад в создание основ теории резания грунтов принадлежит В.П. Горячкину, Н.Г. Домбровскому, А.Н. Зеленину, Ю.А. Ветрову, К.А. Артемьеву, В.И. Баловневу и др.

Существующие теории копания грунта можно условно разделить на две группы, которые отличаются подходами к построению теории:

1) теории, основанные преимущественно на обобщении результатов экспериментальных исследований. Эти полуэмпирические теории более просты, но не ставят целью объяснение или полное описание явлений, возникающих в грунте при копании, и могут оказаться непригодными за пределами области, в которой лежат исходные экспериментальные данные;

2) теории, базирующиеся на основных положениях механики сплошной среды и теории прочности.

Данные теории позволяют определить сопротивление резанию и копанию при условии, что известны параметры РО, режим работы и параметры грунта.

Однако в реальных условиях большинство этих параметров носят случайный характер. Поэтому для создания математических моделей рабочих процессов ЗТМ, при проведении планировочных работ, силовое воздействие со стороны грунта при копании должно оцениваться как случайная функция.

В работе случайный процесс, изменения реакции Е грунта на отвале автогрейдера, предлагается представить в виде:

Е = Е_т + Е_ф,

где Е_т – низкочастотный тренд; Е_ф – высокочастотная составляющая, которая изменяется по случайному закону нормального распределения.

Корреляционные функции случайных флюктуаций можно представить в виде:

,

где _ф² – дисперсия флюктуаций; _ф и _ф – параметры корреляционной функции.

Значения _ф и _ф приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Значения параметров корреляционной функции для определения флюктуаций Е_ф

Коэффициенты вариации флюктуации _ф составляющих сопротивления копанию приведены в табл. 1.3.

Для определения низкочастотного тренда Е_т реакции грунта можно использовать различные теории копания. В работах для этой цели предложено использовать теорию копания, предложенную К.А. Артемьевым и его учениками.

Таблица 1.3. Коэффициенты вариации составляющих сопротивления копанию

Горизонтальная составляющая вектора силы сопротивления копанию грунта ножом криволинейного профиля постоянного радиуса кривизны с острой режущей кромкой применительно к отвалу автогрейдера выражается в виде:

W_x = . sin² + W_пр. sin ,

где Е_х, Е_у – соответственно горизонтальная и вертикальная составляющая силы сопротивления резанию грунта при лобовом копании; W_пр – сопротивление перемещению призмы волочения; ₁ – коэффициент трения грунта по металлу; – угол захвата отвала.