2517
.pdf
В.С. Щербаков, Р.Ю. Сухарев
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ОРГАНОМ
ЦЕПНОГО ТРАНШЕЙНОГО ЭКСКАВАТОРА
1
Министерство образования и науки РФ
ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная
академия (СибАДИ)»
УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ОРГАНОМ ЦЕПНОГО
ТРАНШЕЙНОГО ЭКСКАВАТОРА
Монография
Омск
СибАДИ
2011
2
УДК ББК Щ 61
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. В.Н. Сорокин (ОмГТУ);
д-р техн. наук, проф. Д.И. Чернявский (ОмГТУ)
Монография одобрена редакционно-издательским советом СибАДИ.
Щербаков В.С., Сухарев Р.Ю.
Щ 61 Совершенствование системы управления рабочим органом цепного
траншейного экскаватора: монография / В.С. Щербаков, Р.Ю. Сухарев. –
Омск: СибАДИ, 2011. – 152 с.
ISBN 978-5-93204-598-5
В монографии рассмотрен сложный динамический процесс формирования траншеи цепным траншейным экскаватором. Обоснован критерий эффективности рабочего процесса цепного траншейного экскаватора. Рассмотрены предыдущие исследования. Составлена математическая модель рабочего процесса. Проведены теоретические и экспериментальные исследования, результатом которых стали инженерная методика выбора основных параметров системы управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора и программный продукт,
основанный на инженерной методике.
Монография может быть использована в учебном процессе студентов всех форм подготовки специальностей 220310, 190560.
Табл. 27. Ил. 90. Библиогр.: 106 назв.ISBN 978-5-93204-598-5 |
© |
ГОУ «СибАДИ», 2011 |
|
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................... |
5 |
1.ЦЕПНЫЕ ТРАНШЕЙНЫЕ ЭКСКАВАТОРЫ: УСТРОЙСТВО,
ПРИНЦИП РАБОТЫ, ПАРАМЕТРЫ И ТРЕБОВАНИЯ.................................. |
7 |
1.1. Назначение траншей и требования к их геометрической точности............. |
7 |
1.2. Классификация многоковшовых экскаваторов............................................. |
8 |
1.3. Обзор существующих систем управления траншейных экскаваторов...... |
14 |
1.4. Обзор предшествующих исследований траншейных экскаваторов........... |
17 |
1.5. Анализ и обоснование критериев эффективности рабочего |
|
процесса цепных траншейных экскаваторов...................................................... |
19 |
1.6. Обзор математических моделей микрорельефа .......................................... |
23 |
1.7. Обзор моделей процесса копания грунта .................................................... |
27 |
2.МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ
ТРАНШЕИ.............................................................................................................. |
37 |
2.1. Блок-схема процесса формирования траншеи ............................................ |
37 |
2.2. Обоснование расчетной схемы цепного траншейного экскаватора........... |
38 |
2.3. Уравнения геометрических связей звеньев цепного траншейного |
|
экскаватора........................................................................................................... |
42 |
2.4. Математическая модель неровностей микрорельефа ................................. |
49 |
2.5. Математическая модель гидропривода........................................................ |
52 |
2.6. Математическая модель реакции грунта на рабочий орган........................ |
63 |
2.7. Математическая модель системы управления............................................. |
67 |
2.7.1. Математическая модель датчиков вертикальной координаты |
|
и алгоритм обработки их показаний............................................................... |
67 |
2.7.2. Выбор и обоснование системы контроля глубины траншеи............... |
70 |
2.7.3. Математическая модель порогового элемента..................................... |
78 |
2.8. Обобщенная математическая модель........................................................... |
80 |
4
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................ |
84 |
3.1. Исследование математической модели в статическом режиме.................. |
84 |
3.2. Анализ математических моделей отдельных подсистем............................ |
86 |
3.2.1. Анализ математической модели базовой машины............................... |
86 |
3.2.2. Анализ математической модели рабочего органа................................ |
90 |
3.2.3. Анализ математической модели гидропривода.................................... |
93 |
3.3. Исследование математической модели в динамическом режиме .............. |
95 |
3.4. Исследование системы управления по критерию устойчивости................ |
99 |
3.5. Оптимизационный синтез системы управления рабочим органом.......... |
107 |
3.5.1. Постановка задачи оптимизации ........................................................ |
108 |
3.5.2. Аппроксимация зависимостей ............................................................ |
111 |
3.5.3. Решение задачи оптимизации ............................................................. |
122 |
3.5.4. Оптимальные значения параметров системы управления |
|
рабочим органом цепного траншейного экскаватора.................................. |
124 |
3.6.Инженерная методика выбора основных параметров системы
управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора.................. |
129 |
3.7. Программный продукт для расчета основных параметров системы |
|
управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора.................. |
131 |
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............. |
135 |
4.1. Экспериментальное определение жесткости упругих элементов |
|
ходового оборудования..................................................................................... |
135 |
4.2. Экспериментальное подтверждение правомерности уравнений |
|
геометрической связи рабочего оборудования................................................ |
137 |
4.3.Подтверждение адекватности математической модели цепного
траншейного экскаватора.................................................................................. |
139 |
Библиографический список ............................................................................... |
143 |
5
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в России быстро набирает обороты строительство трубопроводов. Это связано, прежде всего, с большим увеличением объемов добычи природного газа, нефти и,
следовательно, с увеличением потребности в трубопроводном транспорте для поставок на территории нашей страны и за ее пределами. В промышленном гражданском строительстве присутствует необходимость отрыва траншей для прокладки коммуникаций (телефонных сетей, электрических сетей, водопровода и канализации).
Наиболее эффективными машинами по отрыву траншей являются траншейные экскаваторы непрерывного действия. Данные машины позволяют производить работы в короткие сроки и с большой производительностью, так как практически исключают доделочные работы.
В настоящее время траншейные экскаваторы или, как их еще именуют, баровые машины, традиционно выпускаются несколькими российскими заводами. Рабочий орган имеет несколько названий:
цепной, траншейный экскаватор, траншеекопатель, баровый агрегат,
грунторез. В целом модельный ряд не нов и однообразен. Все агрегаты генетически происходят от ЭТЦ-165 и навешиваются на колесный или гусеничный трактор. По типоразмеру они занимают среднее положение. Ни компактных машин, способных работать в стесненных условиях, ни мощных, тяжелых машин отечественная индустрия пока не предлагает. Для нужд инженерных войск
6
производятся роторные траншеекопатели на базе артиллерийских тягачей, но экономическая эффективность боевых машин в гражданском строительстве представляется более чем сомнительной.
Привод цепных траншеекопателей – механический. Мощность отбирается от коробки передач. Для синхронизации движения рабочего органа и трактора устанавливается гидроходоуменьшитель.
Подъем и опускание стрелы агрегата осуществляются гидроцилиндром. Гидравлическая жидкость подается отдельным шестеренным насосом из общей рабочей гидросистемы.
Траншейные экскаваторы одновременно ведут резку грунта, его выемку из траншеи и уборку. Подобные машины изготавливаются и для малых объемов работ, таких как неглубокая прокладка коммуникаций, и для крупных – прокладка трубопроводов большого диаметра глубоко под землей. Преимущество в работе специализированных траншейных экскаваторов заключается в быстрой, чистой и стабильной прокладке траншеи, высоком качестве,
снижении трудовых затрат, возможности повторного использования вынутого грунта для засыпки траншеи и общей экономической эффективности.
Достоинства специализированной машины становятся более наглядными в сравнении с другими методами прокладки траншеи.
Так, одноковшовые экскаваторы не дают четкой, ровной и одинаковой глубины, а комки вынутого грунта порой нельзя использовать для обратной засыпки. Производительность одноковшовых экскаваторов намного ниже из-за дискретности рабочего процесса (набор грунта в ковш, выемка грунта из траншеи,
7
освобождение грунта из ковша, возврат ковша в траншею,
перестановка экскаватора), траншейный же экскаватор выполняет выемку грунта непрерывно, передвигаясь самостоятельно со скоростью, задаваемой рабочим органом.
Траншейный экскаватор способен работать в тяжелых условиях и практически по всем видам грунтов без привлечения дополнительных машин: по мерзлым грунтам, илу, глине, известняку, ракушечнику,
большинству скальных пород, бетону и асфальтобетону. Струйная очистка траншеи вызывает появление неровностей дна траншеи, что влечет за собой увеличение трудовых затрат в последующих работах.
Грунт после струйной очистки зачастую невозможно использовать для обратной засыпки.
Производство траншейных экскаваторов началось уже достаточно давно и сегодня строителям предлагается широкий выбор машин самых разных типоразмеров: как специализированных, так и в качестве сменного оборудования для универсальных машин.
Основными потребителями являются строители магистральных газо-
и нефтепроводов и линий связи.
На российском рынке представлена продукция отечественных заводов, а также ряда западных машиностроительных компаний.
Для повышения точности отрыва и производительности необходимо применять современные автоматизированные системы управления рабочим органом.
Обзор современных экскаваторов показал, что в настоящее время имеется очень мало машин, оснащенных современными автоматизированными системами. В связи с этим в настоящее время
8
актуальным является вопрос создания современных автоматизированных систем управления для траншейных экскаваторов и инженерных методик для расчета их основных параметров.
9
1. ЦЕПНЫЕ ТРАНШЕЙНЫЕ ЭКСКАВАТОРЫ: УСТРОЙСТВО,
ПРИНЦИП РАБОТЫ, ПАРАМЕТРЫ И ТРЕБОВАНИЯ
1.1. Назначение траншей и требования к их геометрической точности
Траншеи обычно являются временными выемками. После укладки в них трубопроводов, кабелей и т.п. траншеи засыпаются,
поэтому к их профилю и устойчивости стенок не предъявляют, как правило, столь жестких требований, как к канавам и каналам /29, 42, 48, 95/.
Следует отметить, что траншеи и каналы роют часто одноковшовыми экскаваторами, оборудованными драглайнами или обратными лопатами. Однако при этом выемки получаются с неровными стенками и дном. Поперечное сечение выемки имеет значительно большие размеры, чем это требуется по условиям производства работ. Перед укладкой в них труб, кабелей и др.
затрачивается большое количество ручного труда на выполнение зачистных работ.
Ниже приведены регламентируемые в СНиП показатели по геометрической точности траншей, канав и каналов различного назначения /72, 73, 74, 75, 76, 78/:
отклонения продольного уклона водоотводных канав от проектного значения 0,0005;
отклонения параметров дренажа от проектных не должны превышать:
1)отметка устья коллектора или дрены 0,03 м;
2)отметка дна траншеи для труб приведена в табл. 1.1;
10