2065

включенные в алгоритм, блок-схема которого дана на рис. 1.2, предусматривают преобразование описания объекта на эскизном этапе проектирования.

Втакой последовательности процедура "Формирование ТЗ на нижний уровень" является заключающей и предполагает разработку технического задания для проектных процедур нижеследующего иерархического уровня. Например, ТЗ на проектирование силового привода, рабочего органа, ходового оборудования автогрейдера могут появиться лишь как результат синтеза структуры автогрейдера в целом и анализа характерных для него рабочих процессов.

Ниже раскрыто содержание проектных процедур, предусмотренных блок-схемой на рис. 1.2 [107].

Создание математической модели - создание математического описания (математической модели) функционирования изделия, отражающей существенные с точки зрения проектировщика свойства.

Выбор параметров - задание диапазонов или фиксированных значений параметров изделия, знание которых необходимо для выполнения расчетов по математической модели или для организации экспериментальных исследований [107].

Анализ - выполнение любой процедуры (математический расчет, физический или машинный эксперимент на ЭВМ, обработка информации и т.д.), позволяющей получить результаты, поддающиеся оценке.

ТЗ выполнено? - оценка результатов анализа на соответствие их требованиям технического задания.

Выбор решения - выбор варианта дальнейших действий, который, по мнению проектировщика, поможет добиться соответствия результатов анализа требованиям ТЗ [107].

Взависимости от характера вариантов, выбиравшихся в предыдущих шагах, возможны либо изменение параметров, либо (если диапазон варьирования параметров исчерпан) изменение структуры проектируемого изделия, либо (если рассмотрение возможных вариантов структур не дало желаемых результатов) изменение ТЗ, сформированного на предыдущем иерархическом уровне [107].

Оформление документации - документирование всех принятых решений в случае, если результаты анализа соответствуют требованиям технического задания. Практически это означает изготовление

10

окончательного для данного иерархического уровня и для данной итерации варианта описания [107].

Формирование ТЗ на нижний уровень - разработка ТЗ на про-

ектирование частей (или свойств) объекта, принадлежащих нижеследующему иерархическому уровню.

1.3. Основные тенденции развития автогрейдеров

Достаточно большое количество научных работ посвящено решению проблемы повышения геометрической точности работ и максимального использования тягово-сцепных свойств автогрейдера.

В большинстве предшествующих работ рассматривается рабочий процесс автогрейдеров, оснащенных системами управления. Однако, в зависимости от задач исследования, различные подсистемы изучались с различной степенью детализации и глубины. Это позволяет условно разделить предшествующие исследования на несколько направлений [2,3,10,12,13,72]:

-работы, посвященные совершенствованию базовой машины, рабочего и ходового оборудования

[18,22,23,24,26,28,29,30,39,54,65,97];

-работы, направленные на повышение динамических характеристик гидроприводов рабочего органа (РО) [41];

-работы, направленные на совершенствование систем управления (СУ) РО[6,7,17,19,25,31,42,50,51,70,73,95].

Совершенствованию конструкций базовых машин посвящены работы Беляева В.В. [15,16], Калугина В.Е. [65], Колякина В.И. [68], Немировского Э.Э. [82], Поповой Е.В. [88], Привалова В.В. [89], СтепановаЭ.А. [98], Шестопалова К.К.[108], Щербакова В.С. [110] и др.

С целью повышения эффективности автогрейдеров существующие конструкции этих машин постоянно совершенствуются.

11

В настоящее время намечаются следующие тенденции развития автогрейдеров [60,62]:

повышение единичной мощности и тягово-сцепных свойств машины [53];

повышение транспортных скоростей с целью увеличения производительности [12];

широкое применение модульного принципа конструирования на базе унифицированных узлов [12, 13,68];

дальнейшее совершенствование гидропривода машин [6,7];

повышение степени автоматизации машин и оборудования в результате применения систем автоматики и микропроцессорной техники [6,7,84,88,101,110];

разработка вариантов машин, усовершенствованных для работы в специфических условиях Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири [75];

повышение универсальности машин, благодаря использованию рабочего оборудования различного назначения [12,13,99];

одновременное использование нескольких рабочих органов с целью повышения производительности труда [89];

разработка принципиально новых конструкций автогрейдеров с целью повышения производительности машин: совершенствование устройства подвеса РО, повышение удобства управления и выноса РО, совершенствование РО на основе анализа закономерностей их взаимодействия с разрабатываемым грунтом [12,13,65,68].

Не смотря на введенные новшества, конструкция автогрейдера, основной отличительной чертой которого является расположение РО

впределах колесной базы, существенных изменений не претерпела. Основные параметры и размеры выпускаемых в настоящее время

вРоссии автогрейдеров регламентированы ГОСТ 9420-79 [49]. К ним относятся: масса, мощность двигателя, конструктивные схемы и параметры рабочего оборудования.

Авторы, проводившие исследования автогрейдеров [68,74,98,108,110,111] в полной мере не показали влияние изменения тех или иных параметров ЗТМ на планировочные и тягово-сцепные свойства машин. Возникает необходимость исследования планировочных, тягово-сцепных характеристик автогрейдеров и потребность в создании универсальной научно-обоснованной методики по выбору рациональных конструктивных параметров автогрейдеров.

13

1.4. Обзор и анализ механизмов подвески РО автогрейдера

Основное рабочее оборудование автогрейдера включает в себя тяговую раму, механизм подвески рабочего оборудования и полноповоротный отвал. От конструкции механизма подвески рабочего оборудования зависят многие показатели автогрейдера: его технологические возможности, надёжность в эксплуатации, ремонтопригодность, металлоемкость, сложность изготовления, планирующая способность и сила резания.

Анализ существующих и перспективных кинематических схем навесного оборудования автогрейдера позволил сформировать их классификацию [65]:

1.По конструктивному признаку:

с креплением на неповоротных кронштейнах (рис. 1.3 - 1);

с одношарнирным креплением кронштейнов (рис. 1.3 - 2);

с креплением кронштейнов на обойме (рис. 1.3 - 3);

с трехшарнирным креплением кронштейнов (рис. 1.3 - 4);

с четырехшарнирным креплением кронштейнов (рис. 1.3 - 5).

2.По удобству управления при выносе РО:

с ручной установкой кронштейнов;

с установкой из кабины оператора (рис. 1.3 – 1,2,3,4,5):

а) с упором в грунт для установки кронштейнов (рис.1.3 – 2,4,5); б) с принудительным выносом РО (рис. 1.3– 1).

Количественно конструктивный признак можно охарактеризовать числом подвижных звеньев, что влияет на неуправляемые перемещения РО, а по удобству управления – быстродействием оборудования, что влияет на производительность машины.

Большинство конструкций навесного оборудования имеют 2 недостатка:

изменение угла перекоса при изменении угла захвата (схемы,

укоторых плоскость вращения поворотного круга не параллельна опорной поверхности колес);

изменение вертикальной координаты средней точки режущей кромки РО при изменении угла перекоса (все схемы, кроме изображенной на рис. 1.3,а)

14

1 - с креплением на неповоротных кронштейнах; 2 - с одношарнирным креплением кронштейнов; 3 - с креплением кронштейнов на обойме; 4 - с трехшарнирным креплением кронштейнов; 5 - с четырехшарнирным креплением кронштейнов.

На Брянском заводе дорожных машин разработана принципиально новая конструкция подвески рабочего органа без поворотного круга автогрейдера. Одновременное выдвижение (втягивание) гидроцилиндров 1, 2 (рис. 1.4) позволяет изменять угол резания отвала, выдвижение одного из них и втягивание другого - изменять угол захвата отвала. Гидроцилиндры 5 и 7 служат для подъема-опускания рабочего органа, гидроцилиндр 6 - для выноса его в сторону [97].

Такое техническое решение позволило улучшить геометрические показатели автогрейдера, его компоновку, снизить трудоемкость изготовления, повысить жесткость системы отвал - машина [97].

Таким образом, каждая из конструктивных схем преследует решение конкретной задачи.

1.5. Блок-схема рабочего процесса автогрейдера

Рабочий процесс автогрейдера рассматривается как сложная динамическая система, состоящая из подсистем, участвующих в процессе формирования профиля земляного полотна в соответствии с заданием на производство.

15

Рис. 1.4. Кинематическая схема крепления рабочего органа автогрейдера:

1,2 - гидроцилиндры изменения угла резания; 3 - хребтовая балка; 4 - тяговая рама;

5,7 - гидроцилиндры подъема-опускания отвала;

6 - гидроцилиндр выноса в сторону;

8 - универсальный шарнир; 9 - отвал.

Втакой динамической системе взаимодействуют базовая машина (автогрейдер), грунт и СУ положением РО, в свою очередь состоящие из подсистем, влияющих на точность выполнения проектных геометрических параметров земляного полотна с заданной производительностью.

На рис. 1.5 представлена блок-схема динамической системы планировочного процесса. Данная блок-схема включает в себя 3 основных блока: исходные данные, моделирование рабочего процесса автогрейдера, результаты работы.

Вкачестве исходных данных системы рассматриваются основные свойства грунта, влияющие на планирующие и тягово-сцепные характеристики автогрейдера (микрорельеф, длина волны неровности, плотность, влажность грунта, коэффициент сопротивления копанию)

изадание на производство земляных работ (производительность и проектные геометрические размеры).

16

17

Результаты работы оценивались векторным критерием эффективности:

где Ky ,K - коэффициенты сглаживания в продольной и поперечной

плоскостях, m – масса автогрейдера.

Автогрейдер представлен подсистемами: рама, ходовое оборудование, навесное оборудование, СУ, гидропривод РО и сам отвал.

Грунт воздействует на базовую машину через микрорельеф на ходовое оборудование и реакцией разрабатываемого грунта на РО автогрейдера.

Подсистема ходового оборудования, воспринимая возмущающие воздействия со стороны грунта, в свою очередь, воздействует на раму базовой машины. Далее воздействие передается на РО через навесное оборудование. РО, изменяет свое положение в пространстве – заглубляется или выглубляется.

Управление РО осуществляется СУ с помощью гидропривода по двум параметрам: продольному и поперечному уклонам профиля земляного полотна, формируемыми положением отвала автогрейдера.

Подсистемы соединены между собой векторными связями, отражающими прохождение информации от блока к блоку.

Вектор требуемых геометрических параметров земляного сооружения (P1 ) задается проектной документацией.

Реальные геометрические параметры (P3 ) снимаются с обработанного грунта и являются выходными координатами сложной динамической системы.

В реальных процессах формирования земляной поверхности

P3 P1 .

Подсистема ходового оборудования воспринимает возмущающие воздействия от грунта ( P4 ,P5 ). В свою очередь подсистема ходового оборудования является источником воздействия ( P6 ) на раму автогрейдера.

Подсистема рамы приводит к перемещениям навесного оборудования ( P7 ). Подсистема навесного оборудования своими воздействиями ( P8 ) изменяет положение РО относительно машины.

18

СУ получает информацию от датчиков положения отвала (P9 ),

сравнивает ее с проектными параметрами (P1 ), по определенному алгоритму обрабатывает ее и формирует управляющие воздействия на гидропривод РО (P10 ). Подсистема гидропривода РО реализует

управляющие воздействия ( P11), перемещает элементы навесного

оборудования, компенсируя неуправляемые перемещения ( P7 ) со стороны рамы машины.

Подсистема РО, двигаясь вместе с ЗТМ, осуществляет копание грунта, реакция которого ( P12 ) влияет на положение РО в пространстве. Изменяя свое положение (вертикальную координату, угол наклона РО в поперечной плоскости, угол захвата РО, угол резания), РО в разрабатываемом грунте формирует земляную поверхность с фактическими геометрическими параметрами ( P3 ).

Процессам взаимодействия отдельных подсистем друг с другом посвящено достаточно много исследований, анализ которых позволяет сделать вывод о возможности их использования при решении поставленной в работе проблемы.

1.6. Анализ исследований по теории копания грунтов

Выбор модели процесса взаимодействия РО с разрабатываемым грунтом базируется на следующих предпосылках: обеспечение требуемой точности геометрических параметров земляного сооружения происходит на завершающих проходах ЗТМ по обрабатываемому участку, грунт при этом, как правило, разрыхлен, а толщина срезаемой стружки грунта не более 0,07 м. Сопротивление копанию зависит от физико-механических свойств грунта, толщины стружки, параметров РО [63,64,110].

Теории копания можно разделить на группы [4,9,35,36]:

теории, базирующиеся на результатах экспериментальных исследований (В.П.Горячкин, А.Н.Зеленин, Ю.А.Ветров, а также зарубежные авторы: И.Ратье, Т.Кюн, Р.Шилд и др.);

теории, основанные на положениях механики сплошной среды и теории прочности (К.А.Артемьев, В.И.Баловнев и др.).

Данные теории позволяют определить сопротивление резанию и копанию при условии, что известны параметры РО, режим работы и параметры грунта [101].

19