Учебное пособие 2089

В результате математического моделирования установлено, что при максимальной расчётной толщине срезаемой стружки грунта в диапазоне угла захвата 45 – 85 0 сила тяги колесного движителя автогрейдера ДЗ-199 будет меняться от 23,9 до 35,1 кН, а величина буксования составит от 10,5 до 20,2 %, при этом точка приложения равнодействующих сил сопротивления перемещению и скольжению грунта перемещается на 15 % в продольном направлении и на 7,5 % в поперечном направлении, что соответственно приводит к изменению моментов соответствующих сил.

Рис. 4 - Зависимость силы тяги колесного движителя от угла захвата при различной толщине срезаемой стружки для автогрейдера ДЗ-199

При максимальном расчётном угле захвата 850 и толщине срезаемой стружки грунта в диапазоне от 0,030 до 0,048 м сила тяги колесного движителя меняется от 24,42 до 35,1 кН, а величина коэффициента буксования при этом находится в диапазоне от 11,6 до 20,2 %, что практически соответствует достаточно эффективной работе. Для среднего значения диапазона угла захвата и максимальной расчётной нагруженности по толщине срезаемой стружки сила тяги для ДЗ-199 составит 29,9 кН при буксовании 14,8 %.

Выявлено, что при проведении расчётов максимальная рекомендуемая толщина срезаемой стружки для процесса резания и перемещения грунта с изменением угла захвата основного отвала автогрейдера не должна превышать 8 % от высоты установленного отвала, иначе движитель будет функционировать в режиме, характеризующемся величинами коэффициента буксования заметно больше 20 %, что не соответствует эффективной работе.

Полученные при математическом моделировании результаты могут быть с успехом распространены на другие ЗТМ с поворотным отвалом и характеризуются хорошей сходимостью с данными исследований других авторов, при

11

этом отличие результатов по силе тяги и коэффициенту буксования не превышает 8 %.

Рис. 5 – Зависимость коэффициента буксования колесного движителя автогрейдера ДЗ–199 от угла захвата при различной толщине срезаемой стружки

Диапазону изменения угла захвата отвала 45 – 85 0 соответствует изменение боковой реакции, действующей на передние ведомые колёса автогрейдера, от 1,98 до 0,04 кН, а боковой реакции, действующей на ведущие колёса, соответственно, от 3,15 до 1,38 кН.

Рис. 6 - Зависимость между боковыми реакциями, действующими на ведущие и ведомые колёса автогрейдера, и углом захвата основного отвала ДЗ–199

12

В третьей главе предложен новый способ и алгоритм (рис. 7) автоматического управления углом захвата косопоставленного отвала автогрейдера в процессе резания и перемещения грунта по параметру, характеризующему текущую производительность.

Рис. 7 – Блок-схема алгоритма работы основного контура системы управления отвалом ЗТМ в процессе резания и перемещения грунта

13

В качестве информационных параметров в системе используются текущий объём грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ, и действительная скорость движения машины в процессе резания и перемещения грунта, произведение которых, деленное на длину отвала, дает численное выражение, характеризующее текущую производительность. Сравнивая значения, вычисленные в текущий и предшествующий момент времени, управляющий блок вырабатывает сигнал на увеличение или уменьшение угла захвата основного косопоставленного отвала. Сигнал разрешения автоматического регулирования блоку, выполняющему функции вычислителя и логического устройства, подается только при условии преобладания измеренных датчиками параметров действительной скорости и текущего объёма грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ, над опорными сигналами. Было установлено, что для работы системы автоматического управления косопоставленным отвалом автогрейдера ДЗ–199 могут использоваться следующие значения опорных сигналов: υД=0,48 м/с; V=0,3 м3.

Следует отметить, что, во-первых, обязательным условием получения наибольшей возможной производительности является проведение работы при полной подаче топлива в дизель, во-вторых, при необходимости переход на ручное управление осуществляется в любой момент времени переключением тумблера «ручное – автоматическое управление» в кабине оператора ЗТМ.

Для реализации предложенного способа и алгоритма управления отвалом ЗТМ была разработана схема обработки информации об измеряемом объёме грунта и создан новый датчик, базирующийся на оценке сдвига фаз между током и напряжением в контуре антенны, а также на измерении изменяющегося сопротивления в этом контуре (рис. 8), обладающий за счёт этого улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии антенный контур настраивается на полное согласование, то есть на выходах индикаторов сигналы рассогласования равны нулю. При изменении текущего объёма грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ, происходит изменение электрических параметров контура антенны, представляющей собой электрический линейный излучатель, приводящее к сдвигу фаз между током и напряжением на входе индикатора фазы, а также к изменению сопротивления антенны. Информационные сигналы индикаторов фазы и сопротивления антенны подаются на определяющее полное сопротивление антенны вычислительное устройство, по результирующим показаниям которого непрерывно оценивается текущий объём грунта.

Обоснованность такого решения подтверждается следующим. Полное сопротивление антенны может быть представлено в виде:

где XA(h) - реактивная компонента входного сопротивления антенны, определение которой возможно по сдвигу фаз;

RA(h) - активная компонента входного сопротивления антенны, которая может определяться с помощью индикатора сопротивления.

14

Рис. 8 – Структурная схема измерителя текущего объёма грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ

Разработанная модель функционирования автогрейдера при резании и перемещении грунта с предложенной системой управления изменением угла захвата косопоставленного отвала в результате исследований показала, что после одного прохода разброс значений ширины получаемого полотна готовой поверхности не превышает 5 %, что является вполне допустимым и не приводит к значимому снижению производительности за счёт необходимости уменьшения ширины получаемой полосы разработки на очередных проходах.

Врезультате проведенных исследований были определены возможности

исхемы практической реализации системы управления рабочим органом ЗТМ, что позволило создать экспериментальную систему для проведения натурных испытаний.

Вчетвёртой главе изложены задачи, методика и результаты экспериментальных исследований. Все испытания проводились на автогрейдере ДЗ–199, однако основные полученные результаты исследований могут быть с успехом распространены на другие ЗТМ с поворотным отвалом.

Входе проведения экспериментальных исследований установлена адекватность математического моделирования процесса резания и перемещения

15

грунта косопоставленным отвалом автогрейдера и получены взаимосвязи между основными параметрами ЗТМ во время рабочего процесса и информационным сигналом нового датчика текущего объёма грунта, разрабатываемого косопоставленным отвалом, определена чувствительность радиоволнового датчика, которая составила величину порядка 107 Ом на 1 м3 грунта.

Предложен новый способ крепления датчика текущего объёма грунта, разрабатываемого косопоставленным отвалом, с помощью полипропиленовых труб, позволяющих при необходимости размещать провода внутри труб и, за счёт некоторой гибкости при достаточной жёсткости конструкции в целом, снизить вероятность поломки при случайных механических воздействиях.

Установлено, что при максимальной рекомендуемой нагруженности рабочего режима автогрейдера ДЗ-199 величина коэффициента буксования составила 15,4 %, при этом значение продольной силы тяги колёсного движителя равно 28,5 кН, что хорошо согласуется с результатами, полученными другими авторами.

Выявлена высокая эффективность функционирования автогрейдера с разработанной системой автоматического управления углом захвата отвала, применение которой позволяет повысить производительность на 11,2 %, снизить расход топлива на 6 % и сократить затраты времени на 10-19 %. Кроме того, снижаются психофизические нагрузки на оператора ЗТМ, что обеспечивает увеличение времени его высокопроизводительной, безошибочной работы в течении смены.

Следует отметить, что применение разработанной системы возможно на большинстве автогрейдеров совместно с системами стабилизации пространственного положения рабочего органа.

Даны рекомендации по получению максимальной эффективности производства работ на больших площадях при наличии ограниченного количества автогрейдеров, оборудованных созданной системой автоматического управления углом захвата косопоставленного отвала.

Автогрейдер ДЗ–199, оборудованный разработанной системой управления углом захвата отвала, показал высокие планирующие качества, так как менее 4 % определений просвета под рейкой составляют величину не более 10 мм, остальные до 6 мм, что обеспечит сокращение количества проходов в случае необходимости окончательного планирования.

Расхождение теоретических и экспериментальных показателей, характеризующих работу автогрейдера ДЗ–199 при резании и перемещении грунта, составило не более 5 %, что не выходит за пределы допустимой погрешности измерений и может быть объяснено неоднородностью грунта и возможными незначительными отличиями реальной машины от теоретических технических характеристик.

Экономический эффект от применения разработанной системы автоматического управления углом захвата косопоставленного отвала автогрейдера ДЗ–199 в процессе резания и перемещения грунта составляет 97912,88 рублей в год на одну машину.

16

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.Получена зависимость для определения текущего местоположения точки приложения равнодействующих сил сопротивления перемещению и скольжению грунта по отвалу, позволяющая адаптировать математическую модель автогрейдера с колёсной формулой 1х2х3 в процессе разработки грунта основным косопоставленным отвалом к рабочему процессу резания и перемеще-

ния грунта с изменением угла захвата, при этом установлено, что при изменении угла захвата в диапазоне 45-850 точка приложения равнодействующих сил сопротивления перемещению и скольжению грунта перемещается на 15 % в продольном направлении и на 7,5 % в поперечном направлении.

2.Выявлено, что при проведении расчётов максимальная рекомендуемая толщина срезаемой стружки для процесса резания и перемещения основным косопоставленным отвалом автогрейдера с текущим изменением угла захвата не должна превышать 8 % от высоты отвала, иначе движитель будет функционировать в режиме, характеризующемся величинами коэффициента буксования заметно больше 20 %.

3.Установлено, что при максимальной расчётной толщине срезаемой стружки грунта в диапазоне угла захвата 45-850 продольная сила тяги колёсного движителя автогрейдера ДЗ–199 будет меняться от 23,9 до 35,1 кН, а величина буксования составит от 10,5 до 20,2 %. Для среднего значения диапазона угла захвата и максимальной расчётной нагруженности по толщине срезаемой стружки сила тяги составляет 29,9 кН при буксовании 14,8 %.

4.Разработаны новый способ бесконтактного измерения текущего объёма грунта, разрабатываемого отвалом ЗТМ, и новая схема обработки информации об измеряемом объёме грунта, в результате чего создан новый датчик с улучшенными эксплуатационными характеристиками, основанный на определении сдвига фаз между током и напряжением, а также изменяющегося сопротивления в контуре антенны.

5.Предложены способ, алгоритм и схемы практической реализации автоматического управления углом захвата косопоставленного отвала автогрейдера в процессе резания и перемещения грунта по параметру, характеризующему текущую производительность, что позволило создать экспериментальную систему для проведения натурных испытаний.

6.Выявлена работоспособность и высокая эффективность созданной системы автоматического управления углом захвата отвала по параметру, характеризующему текущую производительность автогрейдера, применение которой на ДЗ–199 в процессе резания и перемещения грунта позволяет повысить производительность на 11,2 %, снизить расход топлива на 6 %, сократить затраты времени на 10–19 % и получить экономический эффект в размере 97912,88 рублей в год на одну машину. При этом снижаются психофизические нагрузки на оператора ЗТМ, что обеспечивает увеличение времени его высокопроизводительной безошибочной работы.

7.Экспериментально получены взаимосвязи между основными параметрами, характеризующими функционирование автогрейдера в процессе реза-

17

ния и перемещения грунта, и информационным сигналом нового измерителя текущего объёма грунта, разрабатываемого косопоставленным отвалом, и установлено, что при максимальной нагруженности рабочего режима автогрейдера ДЗ–199 величина коэффициента буксования составила 15,4 %, а значение продольной силы тяги колёсного движителя равно 28,5 кН.

8.Выявлено, что автогрейдер ДЗ–199, оборудованный разработанной системой управления углом захвата отвала, обладает высокими планирующими качествами, так как менее 4 % определений просвета под рейкой составляют величину не более 10 мм, остальные до 6 мм, что обеспечит сокращение количества проходов при окончательном планировании.

9.Установлено, что отличие полученных результатов от данных других авторов не превышает 8 %. Расхождение теоретических и экспериментальных показателей, характеризующих работу автогрейдера ДЗ–199, составило не более 5 %, что не выходит за пределы допустимой погрешности измерений и может быть объяснено неоднородностью грунта и возможными незначительными отличиями реальной машины от теоретических технических характеристик.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1.Устинов, Ю.Ф. Повышение эффективности процесса разработки грунта косопоставленным отвалом землеройно-транспортной машины / Ю.Ф. Устинов, А.Д. Кононов, А.А. Кононов, С.А. Иванов // Изв.вузов. Строительство. — 2008. — №1. - С. 69-72. (лично автором выполнено 1,5 с.)

2.Устинов, Ю.Ф. Датчик объема грунта для системы автоматического управления отвалом землеройно-транспортной машины / Ю.Ф. Устинов, А.Д. Кононов, А.А. Кононов, С.А. Иванов // Изв.вузов. Строительство. — 2008. — №2. - С. 46-49. (лично автором выполнено 1,5 с.)

3.Устинов, Ю.Ф. Методы измерения некоторых физико-механических свойств разрабатываемого грунта при автоматическом управлении рабочими процессами землеройно-транспортных машин / Ю.Ф. Устинов, А.Д. Кононов, А.А. Кононов, С.А. Иванов // Изв.вузов. Строительство. — 2008. — №5. - С. 62-67. (лично автором выполнено 2 с.)

4.Патент № 2348016, РФ. Высокочастотный измеритель уровня. Ю.Ф. Устинов, Ю.В. Авдеев, А.Д. Кононов, А.А. Кононов, С.А. Иванов. – заявл. 8.06.2007. опубл. 27.02.2009, бюл. 6. – 5 с. (лично автором выполнено 2 с.)

5.Устинов, Ю.Ф. Имитационное моделирование работы автогрейдера при планировании грунта с системой автоматического управления отвалом / Ю.Ф. Устинов, А.А. Кононов, С.А. Иванов // Отраслевой фонд алгоритмов и программ, свидетельство № 6400, дата регистрации 16 июня 2006. Извещение о государственной регистрации № 50200600976 дата регистрации 19 июня 2006. – 5с. (лично автором выполнено 3 с.)

6.Устинов, Ю.Ф. Управление процессом планирования грунта основным отвалом автогрейдера / Ю.Ф. Устинов, В.А. Жулай, А.Д. Кононов, А.А. Кононов, С.А. Иванов, А.А. Тютерев // Отраслевой фонд алгоритмов и программ,

18

свидетельство № 9994, дата регистрации 12 февраля 2008. Извещение о государственной регистрации № 50200800393 дата регистрации 14 февраля 2008. – 5с. (лично автором выполнено 2 с.)

7.Авдеев, Ю.В. К вопросу измерения объема грунта разрабатываемого основным отвалом автогрейдера / Ю.В. Авдеев, А.А. Кононов, С.А. Иванов // Сборник статей к XV Международной научно-технической конференции «Информационная среда ВУЗа». – Иваново, 2008. - С. 389-391. (лично автором выполнено 1 с.)

8.Жулай, В.А. Экспериментальные исследования ударных нагрузок в прямозубых зубчатых колёсах / В.А. Жулай, В.И. Енин, Хамдан Раед, С.А. Иванов

//Труды 7-ой международной научно – практической конференции «Высокие технологии в экологии». - Воронеж, 2004. – С. 94-98. (лично автором выполне-

но 0,5 с.)

9.Василенко, А.В. Некоторые результаты теоретических и экспериментальных исследований работы автогрейдера при планировании грунта / А.В.Василенко, Ю.В.Авдеев, В.И. Енин, А.А.Кононов, С.А.Иванов // Межвузовский сборник научных трудов: Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления. – Воронеж: ВГЛТА, 2008. – С. 51–56. ( лично автором выполнено 2,5 с.)

10.Кононов, А.А. Информационные технологии моделирования рабочего процесса автогрейдера при планировании грунта / А.А. Кононов, С.А. Иванов,

А.А. Тютерев // Материалы II международной научно – технической конференции “ Информационные технологии в науке, образовании и производстве”. Орел: – ОрёлГТУ, 2006. – С. 77-80. (лично автором выполнено 2 с.)

11.Авдеев, Ю.В. К вопросу применения современных радиоволновых измерителей объёма грунта для системы автоматического управления основным отвалом автогрейдера / Ю.В.Авдеев, А.А. Кононов, С.А. Иванов // Сборник статей к Международной научно-технической конференции «Измерения в современном мире». – С.Петербург, 2007.- С. 3-4. (лично автором выполнено 1 с.)

12.Василенко, А.В. Аналитическое исследование работы автогрейдера при планировании грунта основным отвалом / А.В. Василенко, В.И. Енин, А.А. Кононов, С.А. Иванов // Межвузовский сборник научных трудов: Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления. – Воронеж: ВГЛТА, 2007. – С. 28–33. ( лично автором выполнено 3 с.)

13.Иванов, С.А. Система автоматического управления основным отвалом автогрейдера / С.А. Иванов // Доклады международной научно-практической конференции "Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития". - Томск, ТГУСУР, 2007. - Ч.2 - С. 32-34.

14.Василенко, А.В. К вопросу об автоматизации разработки грунта основным отвалом автогрейдера / А.В. Василенко, В.И. Енин, А.А. Кононов, С.А. Иванов // Межвузовский сборник научных трудов: Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления. – Воронеж: ВГЛТА, 2006. – С. 182–184. ( лично автором выполнено 1 с.).

19

Иванов Сергей Александрович

Повышение эффективности работы автогрейдера за счёт совершенствования системы управления отвалом

автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 18. 04. 2012 г.

Формат 60х84 1/16.

Бумага писчая. Оперативный способ печати.

Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 167 (р)

__________________________________________

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной и учебно-методической литературы

Воронежского ГАСУ 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84.

20