Автореферат (Повышение эффективности работы рыхлительных агрегатов при разработке мерзлых грунтов активным рабочим органом с наложением на него резонансных колебаний звуковой частоты), страница 3

3).10Рисунок 3 - Схема распределения смещения по сечению магнитострикционного рабочегоорганаВозбуждаемые вибратором ультразвуковые колебания рабочего органа рыхлительноймашины снижают на порядок контактное трение рабочего органа о грунт и сцепление частицпрочного грунта, приводя его к разупрочнению под влиянием знакопеременных нагрузок. Ктому же вибрирование снижает удельные энергетические затраты на разрушение грунта Дляоптимизации процесса виброрыхления рыхлительной машины необходимо исходить изособенностей влияния характеристик грунта на параметры высокочастотного рыхлящего зуба врежиме резонанса.Таким образом, необходимо решить задачу согласования режима виброколебанийрабочего органа рыхлительной машины с массивом грунта для определения параметроврезонансного режима процесса рыхления.Во второй главе произведена оценка взаимодействия вибрационного рабочего органа сгрунтом и рассмотрена его математическая модель.Напряженное состояние в разрабатываемом массиве грунта, вызываемое приложениемнепрерывного силового воздействия, можно характеризовать реологической временной связьюпоказателя σ ( напряжения) и ε ( деформации), описываемых кривой ползучести (рис.

4), накоторой можно выделить участки, соответствующие последовательным стадиям деформациигрунта .Рисунок 4 - Изменение скорости деформирования (Vε) грунта во времени (t) при постоянномнапряжении (σ)Интенсивность изменения деформационных стадий грунта определяется не только егофизико-механическими свойствами, но и скоростью самого силового воздействия. Графики11изменения внутреннего напряжения в грунте от его деформации в зависимости от скоростиприложения силового воздействия даны на рисунке 5.Рисунок 5 – Графики зависимости внутренних напряжений грунта от его деформации приразличных скоростях нагружения ( ̇1 >̇2 > ... >̇5 )Если к рыхлящему зубу рыхлительной машины приложены высокоскоростные усилия ввиде, например, высокочастотных колебаний, то в массиве грунта возникают в основномупругие деформации, и он разрушается как хрупкое тело.На рисунке 6 изображена стержневая система, нагруженная рабочим органом в видесопротивления Z н0 . К системе приложена возбуждающая сила.Рисунок 6 – Схема нагруженной стержневой системыПродольные колебания в стержневой системе с распределенными параметрамиописываются волновым уравнением:2∂ 2Y2 ∂ Y,=C∂X 2∂t 2(1)где Y=Y(X,t) - обобщенная координата.Решение уравнения (1) имеет вид:XXY = A1 F ⋅  t −  + A2 F  t + ,CC(2)где A 1 , А 2 - постоянные интегрирования.Характер функции (2) зависит от колебаний, воздействующих источником внешнихвоздействий на систему (учитывают характер присоединенной нагрузки Z н ).Условия возникновения резонанса стержневой системы будут:12ωcL − arctg2W0 X н= πn,Rн2 + X н2 − W02(3)где n = 1, 2, 3,...

- число полуволн, укладывающихся по длине стержневой системы.Решение (3) определяет резонансную частоту ω.Концентратор – это промежуточное звено, в котором волновое сопротивлениеопределяется по формуле:W0 = W0 e ⋅ e bx ,(4)где W 0е - волновое сопротивление в сечении, связанном с нагрузкой; b - постоянная экспоненты.Для экспоненциальной стержневой системы сопротивление нагрузки запишется в виде:cos kL + iZ вх = W0 e ⋅ e beW0 e⋅ sin kLZнW0 ecos kL + i sin kLZн.(5)Собственная частота нагруженного концентратора определяется по входномусопротивлению, принимая в нем X н =0.Соотношение выражения (3) с учетом выражения (4) используется для определениярезонансной частоты магнитострикционного вибровозбудителя при его нагружении средой.Сувеличением волновогосопротивлениягрунтауменьшаетсявеличинарассогласования.

Применение высокочастотных резонансных вибровозбудителей наиболееэффективно на мерзлых грунтах (рис. 7). При этом резонансная частота рыхлящего органа сприсоединенным грунтом, в зависимости от его волнового сопротивления, растет сначалаинтенсивно, а затем изменяется плавно.8Резонансная частота (кГц)7654321002,533,544,555,5Волновое сопротивление (МПа с/м)66,57Рисунок 7 - График зависимости резонансной частоты системы нагруженного рабочего органаот волнового сопротивления грунтаРассмотрение рабочего органа рыхлителя как объекта управления подразумевает полныйсинтез его структуры.

Рыхлитель как объект управления является частью функциональнойструктуры процесса рыхления (рис. 8).13Рисунок 8 - Функциональная схема процесса рыхления:ЗТМ – рыхлительная машина; МС – магнитостриктор; ИМ МС – исполнительныймеханизм магнитостриктора; АО – автоматический оптимизаторУравнение взаимосвязи усилия перемещения рыхлительной машины массой m за счеттягового усилия землеройно-транспортной машины F T и противодействующего усилиясопротивления F C :dVm = FT − FC ,dtгде V - скорость перемещения рыхлительной машины; = − .(6)На магнитострикционный рабочий орган (МС) рыхлительной машины (ЗТМ) подается отисполнительного механизма магнитостриктора (ИМ МС) регулируемый по частоте сигнал(мощность вибрирования N), частота которого изменяется в зависимости от изменения усилиярыхления в соответствии со статической характеристикой изменения потребляемой мощностимагнитостриктора (рис.

9). Автоматический оптимизатор (АО), изменяя частоту f , возвращаетее к резонансному значению, обеспечивая тем самым при максимальной эффективностипроцесса разработки грунта минимальный расход мощности на рыхление.Рисунок 9 - Характеристика изменения потребляемой мощности магнитострикционногорабочего органа от изменения частотыПри соблюдении постоянных параметров резонансных колебаний показателиизлучаемой волны в грунт остаются равными своему максимальному значению при условиинеравенства сопротивлений рыхлящего органа и массы нагрузки.14В третьей главе рассмотрены особенности разработки системы оптимизациипроцессами рыхления мерзлых грунтов.Оптимизация управления отдельными агрегатами (или стадиями технологическогопроцесса) может быть реализована системами оптимизации (САО), осуществляющими впроцессе работы с помощью экстремальных регуляторов поиск оптимальных управляющихвоздействий.Объект управления определяется структурной схемой, состоящей из последовательносоединенных безынерционного звена с экстремальной характеристикой и линейного звена,которые учитывают информацию об объекте.

(рис. 10).Рисунок 10 - Структурная схема экстремальной системы1 — исполнительное устройство ( = 1 ); 2— линейная часть объекта (̇ + = 2 );̇3 — нелинейная часть объекта (У = - К 3 х2); 4 - экстремальный регулятор ( = = ̇ )Здесь u, β, у, х — координаты, характеризующие процесс в экстремальной системе; β ̇, y ̇,x ̇ — скорости изменения координат во времени; Т, K 1 , K 2 К 3 - постоянные коэффициенты,влияющие на переходный процесс в системе.Входная величина объекта х приближенно аппроксимируется синусоидой.

Основаниемдля такого приближения являются фильтрующие свойства звена, имеющего комплексныйкоэффициент передачи. Поэтому при прохождении сигнала u через данное звено высшиегармоники будут затухать быстрее по сравнению с низшими.Поэтому входной сигнал объекта изменяется по синусоидальному закону: = 0 ,(7)где – частота колебаний, которая пока неизвестна;0 – амплитуда колебаний, также неизвестна.Графическое изображение колебаний на входе и на выходе объекта приведено нарисунке 11.Рисунок 11 - Колебания на входе и на выходе объекта15Входные колебания объекта можно записать в виде: = 0 .Выходная величина объекта соответствует вектору: =(0 )22(8) 2 − 2 .(9)Выходной сигнал нелинейного звена изменяет свой знак на противоположный толькотогда, когда начинает возрастать входная величина 2 после прохождения своего минимума,который является оптимумом.

Полагаем, что изменение знака величины 1 происходит лишьтогда, когда значение 2 увеличится на величину σ по сравнению со своим минимальнымзначением.Полученная система уравнений второго порядка позволяет изобразить ее движение нафазовой плоскости в виде изменения начального положения (движения) М 0 изображающейточки М 1, (рис. 12) . Полагаем, что знак входного сигнала 1 положителен.Рисунок 12 - График фазовых траекторий на плоскостиВ результате траектория движения изображающей точки приближается к предельномуциклу, когда система входит в режим установившихся колебаний вокруг точки экстремума,который характеризуется равенством координат точек в начале и конце цикла.В основу разработки системы оптимизации рабочих режимов рыхлителя смагнитострикционным рабочим органом положены принципы и особенности формированиясистем экстремального регулирования.

В качестве самонастраивающейся системыиспользована система экстремального регулирования, которая позволяет обеспечитьэффективный режим рыхления на резонансной частоте магнитострикционного рабочего органапри минимуме расхода энергии.Контур системы оптимизации с экстремальным регулятором связывает мощность N,приложенную к магнитострикционному рабочему органу, и частоту управляющего сигнала.СЭР работает по принципу запоминания экстремума. Так как в СЭР рабочего органа рыхлителяотсутствует элемент, физические свойства которого определяли бы экстремальную зависимостьмежду входной и выходной величинами, то кривая с экстремумом должна формироватьсяискусственным способом – перемножением напряжения и тока для получения мощности,поступающей на магнитостриктор.В четвертой главе описана разработанная система оптимизации режима рыхлениягрунта с использованием виброрыхлителя.Экспериментальные исследования позволили установить, что глубина «плавания»наконечника рыхлителя составляет 0,6…0,8 от максимально достижимой глубины рыхленияразрабатываемого грунта, что составляет основу для расчета реального усилия рыхлениягрунтов и выбора рациональных режимов работы рыхлительных агрегатов.16Рисунок 13 - Грунтовая прорезь после прохода рыхлителяНа рисунке 13 изображена полученная в результате экспериментальных исследованийгрунтовая прорезь после прохода рыхлителя (участок расчищенной грунтовой прорези свидимыми зонами сжатия и развала мерзлого грунта).Особенности процессов рыхления показывают, что использование резонансного режимавибровозбуждения виброрыхлителя наиболее эффективно на глубине «плавания» наконечникарыхлителя.Рациональную глубину рыхления мерзлого грунта можно определить по величинеминимума энергоемкости процесса.

Минимальная энергоёмкость процесса рыхления имаксимальная производительность будут достигаться при работе машины на глубине«плавания» наконечника, которая может быть не только достигнута, но и зафиксирована поминимуму мощности экстремальной характеристики за счет использования экстремальнойсистемы регулирования, поддерживающей резонансный режим рыхления.Основная задача исследований рабочего процесса виброрыхления состоит в разработкемероприятий по повышению эффективности высокочастотного рабочего органа.Учитывая экстремальный характер изменения статической характеристики мощности P,потребляемой виброрыхлителем при его нагружении, от частоты источника питаниямагнитострикционного вибровозбудителя (рис. 9), наиболее рационально в качестве такойсистемы использовать систему экстремального регулирования (рис. 8).Однако изменение свойств грунта изменяет положение статической характеристики(рис.

9).Функциональная схема экстремальной системы управления процессом виброрыхленияприведена на рисунке 14.17Рисунок 14 - Функциональная схема СЭР процессом виброрыхления:ИМ МС – источник мощности; МС – магнитострикционный вибровозбудитель с рыхлящимзубом; УГ – генератор мощности; ВН – выпрямитель напряжения; ИU, ИI – измерителинапряжения и тока; Ф1, Ф2 – формирователи сигналов, ПУ – перемножающее устройство; БЭР– экстремальный регулятор; ПД – программируемый делитель; ТГ – генератор тактовыхимпульсовСлучайные изменения силы сопротивления грунта при рыхленииFМСвлияют наизменение тока i в обмотке магнитостриктора.

Структурно это означает включение контураобратной связи i1 = f ( FМС ) (рис. 14).ИМ МС вибросистемы рыхлителя 1 является источником мощности генератора 2,генерирующего импульсы напряжения U с частотой, определяемой величиной тока, зависящейот изменении мощности, идущей на создание усилия резания грунта.Электрические импульсы попадают после формирователей (Ф1) и (Ф2) в ПУ 7, а дальшев экстремальный регулятор (БЭР) 8, который осуществляет поисковые движения к экстремумустатической характеристики магнитострикционного вибровозбудителя с рыхлящим зубом засчет изменения его частоты вибраций, пока эта частота не станет резонансной.