Повышение производительности автогрейдера, выполняющего планировочные работы, совершенствование системы управления

Введение
Однойиз самых массовых землеройно-транспортных машин, применяемых в дорожномстроительстве является автогрейдер. На долю автогрейдера отводятсяпланировочные и профилировочные работы по возведению земляного полотна.Существующий СНиП предъявляет высокие требования к точности соблюдениягеометрических параметров земляных сооружений, в то время, как серийновыпускаемые автогрейдеры у нас в стране и за рубежом, даже оснащенные системамистабилизации рабочего органа не содержат устройств индикации предоставляющихобъективную информацию о точности соблюдения геометрических параметровдорожного полотна. Возникло серьезное противоречие между непрерывновозрастающими требованиями к производительности планировочных работ при высокойточности геометрических параметров земляного полотна и отсутствием системиндикации на серийно выпускаемых машинах. В результате этого дажеавтоматизированный автогрейдер вынужден совершать лишние проходы пообрабатываемому участку.
Решитьвозникшие противоречия позволяет система управления рабочим органомавтогрейдера, оснащенная устройствами индикации, которые предоставляютмеханику-водителю количественную информацию о геометрических параметрахземляного полотна или отклонениях от заданных параметров. Сокращение числапроходов по обрабатываемому участку повышает производительностьземлеройно-транспортной машины, а обеспечение требуемой геометрической точностисущественно сокращает расход дорогостоящих строительных материалов. Появляетсявозможность проведения планировочных работ без привлечения нивелировщиков.
Наосновании вышеизложенного тема работы, направлена на дальнейшеесовершенствование систем управления рабочим органом автогрейдера путемоснащения их устройствами индикации, является актуальной.

1.Состояние вопроса. Цель и задачи исследования
1.1Критерии эффективности планировочных работ автогрейдера
Обоснованныйанализ эффективности землеройно-транспортных машин не может быть осуществленбез выявления взаимосвязи системы показателей машины с показателями эффективностиих функционирования.
Приформировании показателей эффективности необходимо принимать во внимание, чтопоказатели должны обеспечивать
выявлениявлияния на эффективность машины всего многообразия определяющих факторовтехнических параметров, условий производства, эксплуатации и др.;
полученияобоснованных рекомендаций для выбора рациональных технических параметровмашины, совокупность которых определяет ее технико-экономическую эффективность.
Крометого, показатели должны удовлетворять следующим требованиям:
иметьтехнико-экономическую основу;
соответствоватьцели, достигаемой в результате применения оборудования;
иметьиерархическую структуру, т.е. включать частные показатели в более общие.
Установлениесвязей между отдельными критериями эффективности осуществляются на основаниианализа интегральных показателей. В качестве обобщенного интегральногопоказателя используют зависимость для расчета приведенных удельных затрат наединицу продукции.
/>,

гдеZ – приведенныезатраты;
П – эксплуатационнаяпроизводительность.
ВеличинуZ определяют всоответствии с отраслевой инструкцией:
/>,
гдеU – текущие затратыпотребителя, связанные с выполнением технологического процесса без учетаотчислений на реновацию техники;
ЗК – капитальныезатраты, связанные с созданием, производством, доставкой и монтажом техники;
P – отчисления нареновацию от капитальных затрат;
EН – нормативныйкоэффициент эффективности;
КЭ – сопутствующиекапитальные вложения потребителя на эксплуатацию техники.
Дляпоказателей эффективности характерна иерархическая структура построения, сточки зрения полноты охвата параметров, определяющих протекание процесса свключением частных показателей более низкого уровня в общие.
Показатель1‑го уровня целесообразен для оценки комплексов систем и машин, еслиизвестно, что коэффициенты удельных приведенных затрат для сравниваемыхобъектов существенно изменяются.
Показатель2‑го уровня имеет то же назначение, что показатель интегральный 1‑й,но при условии, что для нового объекта коэффициенты приведенных удельных затратна эксплуатацию и основные фонды значительно не изменяются по сравнению сэталоном. Он дает возможность оценить экономию энергетических и материальныхзатрат.
Показатели3‑го и 4‑го уровня оценивают основные группы подсистем машин иликомплексов энергетического и технического назначения. Показатель 5‑гоуровня – один из важнейших, так как все показатели более высокого уровня могутбыть установлены только при известном значении производительности. Показателиболее низкого уровня позволяют определить качество машины при неизменныхпараметрах, входящих в показатели более высокого уровня.
Таккак часть показателей, входящих в состав такого обобщенного критерия, какудельные приведенные затраты, может быть установлена весьма приблизительно,целесообразней применять более низкие по иерархическому уровню показатели.
Показательпроизводительности для автогрейдера имеет вид
 м285с.
Сравнительнаяоценка только по показателю производительности, без учета показателей,характеризующих планирующие свойства автогрейдера, не позволяют объективно ивсесторонне оценить эффективность машины. В качестве критериев, характеризующихточность обработки грунта автогрейдером, могут быть выбраны различныеограничивающие и экстремальные условия, но общим для них является то, что ониявляются вероятностными характеристиками случайных функций, описывающих рабочийпроцесс автогрейдера.
Однимиз наиболее жестких условий является равенство нулю математического ожиданияпогрешности и минимум ее дисперсии:
/>

илиэквивалентное условие – равенство математического ожидания величины параметраточности по номинальному значению и минимум дисперсии:
/>
Вряде случаев достаточно задать ограничения по дисперсии:
/>
где -допустимое значение дисперсии.
Выполнениеусловия при незначительном проигрыше в точности землеройной машины, посравнению с условиями и, может дать значительный выигрыш в других еепоказателях, например, уменьшить массу, габариты, стоимость, трудозатраты вэксплуатации и др.
Однаков ряде случаев нецелесообразно, а иногда и невозможно использовать абсолютныевеличины дисперсий для проведения сравнительных оценок точностных параметровмашин. В этом случае в качестве критерия точности в работе предлагаетсяиспользовать, так называемый, коэффициент сглаживания, равный отношениюсреднеквадратических отклонений параметра, определяемых до и после реализациирабочего процесса. В работе предложено производить оценку планирующейспособности автогрейдера двумя коэффициентами сглаживания – в продольном  ипоперечном  направлениях. Недостатком коэффициента сглаживания в поперечномнаправлении  является не совсем корректный выбор параметра, определяемого дореализации рабочего процесса, т.е. определяется отношение среднеквадратическихотклонений угла поперечного профиля до и после обработки. Тогда как наформируемый угол поперечного профиля в силу конструктивных особенностейподавляющего большинства конструкций существующих автогрейдеров, основноевлияние оказывают вертикальные премещения средней точки переднего мостаавтогрейдера.
Исходяиз этого, в данной работе вводится коэффициент передачи возмущающих воздействийот вертикальных перемещений переднего моста автогрейдера в продольном КY ипоперечном Кg направлениях.
КоэффициентКYравенотношению среднеквадратических отклонений вертикальной координаты, определяемыхпосле и до реализации рабочего процесса.
КоэффициентКg равен отношениюсреднеквадратических отклонений угла поперечного профиля после обработки исреднеквадратических отклонений вертикальной координаты до обработки.
Комплексныйпоказатель достаточно объективно характеризует эффективность рабочего процесса,но определение весовых коэффициентов вызывает существенные трудности и связаннос субъективными оценками. Поэтому более целесообразно использовать векторныйкритерий эффективности, представляющий собой набор единичных показателей,характеризующих автогрейдер с различных сторон.
Такимобразом, векторный критерий эффективности автогрейдера при выполнениипланировочных работ имеет вид:
/>,
гдеР1 – единичныйпоказатель, характеризующий планирующую способность автогрейдера в продольномнаправлений КY; Р2 — единичный показатель,характеризующий планирующую способность автогрейдера в поперечном направлении Кg; Р3 – единичныйпоказатель, характеризующий рабочую скорость автогрейдера V.
Такимобразом, задача оценки эффективности того или иного усовершенствованияавтогрейдера или оценки влияния на качество работ того или иного параметраавтогрейдера и его системы управления трансформируется в задачу определениявекторного критерия при условии, что требуемые тенденции изменения единичныхпоказателей имеют вид
Р1 ® max, Р2 ® max, Р3® max.
Кромерассмотренных, могут быть и другие критерии эффективности при решении задачобеспечения точности автогрейдера. Их выбор зависит от типа решаемых задач,вида и объема исходной информации и др.
Наоснове вышеприведенного обзора критериев эффективности можно сделать вывод, чтодля оценки эффективности целесообразно применять более низкие по иерархическомууровню показатели, в частности производительность. На показательпроизводительности большое влияние оказывает количество проходов автогрейдерапо обрабатываемому участку до достижения точности, установленной СНиПом.Особенности рабочего процесса автогрейдера, при проведении планировочных работ,позволяют при сокращении лишних проходов снизить затраты расходного материала.Таким образом перспективным направлением повышения эффективности автогрейдера,при проведении планировочных работ, является разработка новых систем управлениярабочим органом, позволяющих добиться заданной точности геометрическихпараметров земляного полотна за минимальное число проходов по обрабатываемомуучастку.

1.2Анализ предшествующих исследований
1.2.1Анализ математических моделей автогрейдеров
Автогрейдерами системам управления рабочим оборудованием автогрейдеров посвященозначительное число исследований. Был разработан ряд математических моделейавтогрейдеров, снабженных автоматической системой стабилизации положениярабочего органа. Так как эти математические модели разработаны в разное время,для различных конкретных задач, они отличаются степенью детализации.
Вработах В.С. Дектярева и А.М. Васьковского рассматриваетсяавтогрейдер, снабженный электрогидравлической системой стабилизации угланаклона отвала в поперечной плоскости. Расчетная схема автогрейдера выполнена ввиде одномассовой системы на упругих опорах, математическое описаниепредставлено дифференциальным уравнением второго порядка.
Дляматематического описания автогрейдер может быть представлен механическойсистемой в виде шарнирно сочлененного многозвенника с голономными связями. Вработах В.А. Палеева, В.А. Байкалова, В.Е. Калугина и А.Ф. Бакаловапредложены обобщенные расчетные схемы автогрейдера, представленные пятизвеннойсистемой с 13-ю степенями свободы и наложенными на нее упруговязкими связями. Взависимости от конкретных задач исследований математические модели различаютсяналичием дополнительных элементов и связей. В качестве элементов расчетнойсхемы выбраны: подмоторная рама, хребтовая балка, левый и правый балансиры,передняя ось и тяговая рама с рабочим органом. Математическая модельавтогрейдера описывается системой уравнений Лагранжа второго рода. Для решениязадач исследования пространственных кинематических цепей, которыми представленавтогрейдер, используется метод переходных матриц. Суть метода состоит в том,что задаются неподвижная система координат, связанная с неподвижным звеном илизвеном, движущимся равномерно и прямолинейно, и локальные системы координат, жесткосвязанные с подвижными звеньями. В работах получены уравнения геометрическойсвязи, определяющие положение произвольной точки локальной системы отсчетаотносительно однородной, связи между контролируемыми параметрами земляногополотна и значениями обобщенных координат автогрейдера, колебаний автогрейдераи др.
Вработах В.В. Беляева, В.В. Привалова для описания перемещенийэлементов расчетной схемы была принята правая ортогональная система координат.Пространственное положение отвала характеризуют вертикальная координата егоцентральной точки и угол перекоса. Выведены уравнения кинематических связей,определяющих положение произвольных точек звеньев расчетной схемы в неподвижнойсистеме координат в любой момент времени от начала отсчета и устанавливающихсвязь между положением рабочего органа и параметрами сформированнойповерхности.
Вработе В.А. Калякина предложена математическая модель планировочной машинына базе промышленных тракторов. Проведен анализ конструкций планировочных машинна базе различных промышленных тракторов.
Вработе Б.Д. Каноныхина в соответствии с методом структурно-кинематическогообъединения типовых агрегатных подсистем были получены динамические моделиколеса, балансирной тележки, остова, структурно-кинематические связи продольногои поперечного движений. На основании динамических моделей агрегатных подсистемсинтезируется динамическая модель всей системы в целом: продольного ипоперечного движения.
1.2.2 Анализ математических моделей гидроприводов
Решениезадач анализа и синтеза гидроприводов невозможно осуществлять без ихматематических моделей, которые необходимо составлять для каждой новойгидравлической схемы. Разнообразные схемы гидроприводов представляютсовокупность соединенных между собой гидроэлементов, причем количествофункциональных элементов гидросистем невелико: насос, гидромотор, гидроцилиндр,гидролиния, дроссель, редукционный, предохранительный и обратный клапаны и др.Указанные гидроэлементы достаточно глубоко изучены и в зависимости от принятыхдопущений и поставленных задач исследования описаны с той или иной степеньюдетализации.
Вработе Бирюкова С.Т. предлагается методика составления математическихмоделей гидроприводов, базирующаяся на представлении гидроэлементов в видемногомерных динамических объектов и использующая векторно-матричную формузаписи уравнений.
Динамическиесвойства многомерных объектов полностью характеризуются их уравнениямидвижения, связывающими выходные и входные величины объектов, которыесоставляются на основе законов физики при рассмотрении процессов преобразованияи передачи информации. Линеаризованная математическая модель гидравлическогомногомерного объекта может рассматриваться как гидравлический многополюсник. Гидроприводв целом можно рассматривать как сложный ГМП, состоящий из соединенных междусобой различными способами простых ГМП.
Представлениематематических моделей гидроприводов в виде ГМП позволяет формализовать процесссоставления математических моделей и возложить его на ЭВМ. При этом, взависимости от целей и задач исследования, могут быть сформированыматематические модели двух типов: модели, которые устанавливают аналитическуювзаимосвязь между внешними воздействиями и выходными величинами безрассмотрения величин векторов, связывающих ГМП между собой, и модели,устанавливающие аналитическую взаимосвязь между векторами гидросистемы.
Вработе Бакалова А.Ф. отмечается, что для решения задач динамикигидрофицированной машины в целом, когда наибольший интерес представляетдвижение выходного звена исполнительного электрогидропривода при подаче на входуправляющего воздействия, то есть «макродинамика» гидропривода, егоматематическое описание может быть значительно упрощено. При этом не будутрассматриваться процессы, связанные с работой отдельных гидроэлементов.
Приописании электрогидропривода в качестве входного воздействия принята выходнаякоордината порогового элемента, в качестве выходной координаты – перемещениештока гидроцилиндра.
Всвоей работе Беляев В.В. предложил общую передаточную функциюгидропривода. Так как объемный гидропривод обладает такими общими свойствами,как время запаздывания и постоянная скорость перемещения штоков исполнительныхгидроцилиндров в установившемся режиме, переходные процессы разгона иторможения штока гидроцилиндра, то можно выделить следующие характерные стадиипереходного процесса:
1)чистое запаздывание tгид, в течение которогошток находится в покое после включения распределителя;
2)стадию разгона, в течение которой шток разгоняется до номинальной скорости;
3)стадию установившегося движения.
Выделеннымстадиям можно поставить в соответствие три последовательно соединенных звена –звено чистого запаздывания, апериодическое звено первого порядка иинтегрирующее звено.
Математическоеописание звена чистого запаздывания имеет вид:
Qг= Rг,

гдеRг, Qг – входной и выходнойсигналы звена чистого запаздывания.
Передаточнаяфункция такого звена определяется по преобразованию Лапласа, и имеет вид:
.
Свойстваапериодического звена первого порядка определяются постоянной времени tр, характеризующей егоинерционность, и коэффициентом передачи Kи.
Сучетом того, что Kи=1, передаточная функция имеет вид:
.
Передаточнаяфункция интегрирующего звена
,
гдеK – коэффициент,определяющий скорость штока гидроцилиндра в установившемся режиме.
Общуюпередаточную функцию гидропривода можно записать:
.
Анализпредшествующих исследований, посвященный математическому описанию гидропривода,позволяет сделать вывод, что элементы гидропривода достаточно хорошо изучены идля достижения поставленной в работе цели могут быть представлены в видепередаточных функций.
1.2.3 Анализ математических моделей микрорельефа грунта
Известно,что на точность планировочных работ существенно влияют параметры поверхностейгрунта, по которому автогрейдер движется в процессе работы. Для отражениявлияния микрорельефа на ЗТМ используются его математические модели. Моделимогут быть представлены детерминированными и стохастическо-детерминированнымифункциями, а также записью реального случайного профиля.
Детерминированныемодели представляют собой математическое описание неровностей рельефа в видедетерминированных функциональных зависимостей вертикальных координатповерхности от горизонтальных координат. Они менее достоверны по сравнению состохастическими и имеют ограниченные возможности. Их в основном используют приподтверждении адекватности создаваемых математических моделей, анализечастотных характеристик исследуемых машин и качественных показателей системуправления рабочим органом.
Реальныйслучайный профиль представляет собой замеренные с определенным шагомвертикальные координаты поверхности относительно принятой системы координат. Онимеет ограниченное применение и используется в основном при создании наземныхтранспортных средств.
Дляизучения ЗТМ наиболее удобно пользоваться стохастическо-детерминированноймоделью земляного полотна. При этом корреляционная функция профиля задаетсядетерминированной моделью, а по ней с использованием рекуррентных соотношенийстроится на ЭВМ псевдослучайный профиль.
Профильместности может быть условно разделен на макропрофиль, микрорельеф ишероховатость. К макропрофилю относят неровности значительной протяженности исравнительно большой амплитуды. Шероховатость – это неровности длиной до 0,5 ми малой амплитуды. Макрорельеф и шероховатость не представляет интереса с точкизрения влияния на планировочные свойства автогрейдера. Макрорельеф оказываеточень медленное влияние во времени на положение РО, а шероховатостькомпенсируется сглаживающей способностью шин.
Дляоценки влияния микрорельефа на изменения положения РО с достаточной точностьюмикрорельеф можно описывать двумя функциями микропрофиля по левой и правойколее автогрейдера, а поперечный уклон в произвольном сечении оценивать повертикальным координатам левой и правой колеи.
Внастоящее время накоплен обширный материал, описывающий статистические свойстваразличных типов грунтовых поверхностей. Математическому описанию микрорельефапосвящено много работ как у нас в стране так и за рубежом.
Анализпредшествующей литературы показал, что микропрофиль грунтовой поверхности можнопредставить случайной нормально распределенной функцией, основнойхарактеристикой которой является корреляционная функция R.
Большинствогрунтовых поверхностей, обрабатываемых автогрейдером, имеет корреляционныефункции, которые описываются выражениями:
;
,
гдеaк,bк – коэффициенты, зависящие от типа профиля;
t =l.V, где V – скорость движения;
l – расстояние,пройденное от начала отсчета;
sк2 – дисперсия статистики микропрофиля поверхности.
Длямоделирования на ЭВМ данных случайных процессов использованы рекурентныеуравнения:
для,
где;
;
;
,
гдеhд – шаг дискретности времени;
x –реализация независимых нормально распределенных чисел с параметрами матожиданиеm=0, среднеквадратичное отклонение s=1.
Для
,
где;
;
;
;
;
;
;
;
.
Возмущения,воздействующие на ходовое оборудование автогрейдера, зависят не только отпараметров обрабатываемой поверхности и рабочей скорости машины, но и отфизико-механических свойств опорной поверхности. На автогрейдер действует «сглаженное»возмущение за счёт нивелирующей способности шин и податливости грунта. Согласноработ для грунтов, обрабатываемых автогрейдером, профиль можно считатьнеизменным и учитывать только приведенную сглаживающую способность шин, за счёткоторой опорные элементы ходового оборудования взаимодействуют с микрорельефомпо площадке контакта длиной 2 Х0.
Этоведет к тому, что на автогрейдер воздействует сглаженный микропрофиль. В работепредлагается в расчетах рабочего процесса автогрейдера использовать схемуточечного контакта шин с грунтом, но в качестве микропрофиля необходимоприменять сглаженный микропрофиль. Поэтому полученные случайные процессы необходимоподвергнуть «сглаживанию»:
,
гдеk = 0,5; MC –интервал усреднения;
n=,…,;Nсг – число точек сглаженного профиля; y – ординаты несглаженногопрофиля.
Анализработ по математическому описанию микрорельефа различных грунтовых поверхностейпоказал, что статистические свойства микрорельефа достаточно хорошо изучены.Разработанный математический аппарат позволяет моделировать микрорельеф снеобходимыми статистическими свойствами, необходимыми для решения задач,поставленных в данной работе.
1.2.4 Анализ математических моделей систем управления
Припроведении планировочных работ оператор автогрейдера осуществляет управлениеположением РО, контроль параметров формируемого земляного полотна, управлениенаправлением движения и режимами работы силовой установки. Многообразие функцийоператора и высокие требования к точности земляного сооружения являются однойиз причин, не позволяющих оператору обеспечивать геометрические параметрыформируемой поверхности, требуемые СНиПом. В связи с этим появился целый рядсистем автоматического управления, частично или полностью исключающих оператораиз контура управления положением РО.
Эффективностьавтогрейдеров на планировочных и профилировочных работах в значительной степениопределяется совершенством систем управления РО.
Общимвопросам исследования систем управления землеройных машин и их математическомумоделированию посвящены работы Т.В. Алексеевой, В.Ф. Амельченко, В.И. Баловнева,Д.П. Волкова, Б.Д. Кононыхина, Ю.М. Княжева, Э.Н. Кузина,Е.Ф. Малиновского, В.Н. Тарасова, В.С. Щербакова и др.
Привсем многообразии системы управления могут быть охарактеризованы общимисвойствами:
– информационнымипараметрами систем являются вертикальные координаты какой-либо точки отвала иугловое положение отвала относительно гравитационной вертикали;
– параметрамиуправления в большинстве систем управления являются вертикальное и угловоеположение РО, обеспечиваемое исполнительными гидроцилиндрами подъема-опускания;
– всесистемы управления созданы как дополнительные устройства к существующимавтогрейдерам;
– основнойпринцип действия систем управления заключается в компенсации отклонений отвалаот заданного положения под действием внешних возмущающих воздействий.
Былипроведены работы по повышению точности планировочных работ, направленные наразработку и исследование алгоритмов управления; гидропривода; копирных ибескопирных систем управления; гидромеханических и электрогидравлических системуправления.
Анализпредшествующих исследований показал, что, в зависимости от решаемых задач ипринятых допущений, системы управления были описаны с различной степенью детализации.
Так,в большинстве работ использовался хорошо изученный датчик гравитационного типа,с допущением о том, что основным возмущающим воздействием является моментвязкого трения, возникающий при повороте корпуса датчика.
Математическаямодель датчика может быть описана дифференциальным уравнением
/>,
гдеIм – момент инерциимаятника датчика;
q – угол отклонения маятника от гравитационной вертикали;
g – угол поворота корпуса маятника;
mm – масса маятника;
lm – расстояние отточки подвеса до центра масс маятника;
Dm – коэффициентвязкого трения.
Маятникв датчике можно описать следующей передаточной функцией
/>,
где/> и />.
Этовыражение описывает отклонение маятника от гравитационной вертикали q, что являетсядинамической ошибкой датчика. При математическом описании необходимо учитыватьэту ошибку. Таким образом при математическом описании с датчика поступаетсигнал gдат равный: gдат = g — q.
Сигналдатчика, поступая на вход элемента сравнения, сравнивается с сигналомзадатчика, а выделенный сигнал рассогласования подается на блок управлениягидравлическим исполнительным элементом, который является релейным пороговымэлементом. Он описывается как безинерционное реле системой неравенств:
/>
/>
где I и R – входные выходные сигналы порогового элемента соответственно; Ro –фиксированное значение выходного сигнала, I1 и I2 –пороги срабатывания релейного элемента.
Пороговыйэлемент представляет собой звено для которого линеаризация недопустима,статическая характеристика такого звена имеет вид
/>
Недостаткомсуществующих систем автоматического управления является невозможностьвизуального контроля точности обработанной поверхности во время производствапланировочных работ. Для устранения этого недостатка необходимо в системуавтоматического управления ввести устройство индикации, учитывающее динамическиесвойства человека-оператора, который должен отслеживать по устройству индикацииточность обрабатываемой поверхности. Система управления, оснащенная устройствоминдикации позволит в ряде случаев сократить число проходов автогрейдера поодному и тому же обрабатываемому участку.
Такимобразом, целесообразно систему управления РО разбить на два контура:автоматического и полуавтоматического управления. Система будет работать вавтоматическом режиме до принятия решения человеком-оператором на основеинформации от устройства индикации.
Системаавтоматического управления положением РО в поперечной плоскости состоит изпоследовательно соединенных элементов:
– датчикаугла наклона РО;
– элементасравнения;
– пороговогоэлемента;
– исполнительногогидропривода.
В полуавтоматическомрежиме в систему управления добавляется человек-оператор. Наличиечеловека-оператора приводит к двум противоречивым результатам. С одной стороны,человек-оператор является наиболее универсальным и гибким звеном: человекспособен переработать значительно большую и поступающую по многим каналаминформацию, чем машинное звено. С другой стороны, человек уступает машине вскорости, точности выполняемых операций и в возможности длительное времясохранять заданную работоспособность.
Каквидно из работ, в системе ручного управления оператор формирует управляющийсигнал на основе анализа и обобщения информации от нескольких источников.Управляющий сигнал получается в результате проведения определенныхматематических операций над координатами, определяющими положение элементоврабочего оборудования. После того, как сформирован управляющий сигнал, операторвырабатывает решение на отклонение управляющего элемента и осуществляет этоотклонение с помощью нервно-мускульного воздействия.
Человека-оператора,как элемент в замкнутом контуре ручного управления, можно рассматривать в видепоследовательно соединенных трех функциональных звеньев: суммирующего,вычислительного и усилительного.
Суммирующеезвено по динамическим свойствам представляет собой усилительный элемент сзапаздыванием. Второе звено является специфическим вычислительным элементом ссамонастройкой. С точки зрения динамики этот элемент обладает свойствамиусилительного, инерционного и форсирующего звеньев. Инерционность обусловленанеобходимостью выработки решения и зависит от объема информации. Чем меньшепараметров обрабатываемой информации, тем меньше инерционность.
Форсирующеезвено возникает в результате создания оператором форсирующих управляющихсигналов, с помощью которых он стремится компенсировать свою инерционность.
Усилительноезвено оператора отражает нервно-мускульное воздействие на органы управления. Подинамическим свойствам это инерционное звено.
Анализпредшествующих работ, посвященных математическому описанию систем управления,показал, что для элементов систем управления РО целесообразно применитьформальное математическое описание, аппарат которого разработан в теорииавтоматического управления и успешно применяется для решения различных задач.
Длядостижения поставленной в работе цели в систему управления РО автогрейдеранеобходимо ввести устройство индикации.
1.2.5 Анализ предшествующихисследований проблемы повышения точности планировочных работ, выполняемых автогрейдером
Вдорожном строительстве огромное значение имеет качество возводимого земляногополотна. Его точностные характеристики такие как уклоны, высотные отметки,линейные размеры, ровность поверхности и др. строго регламентированы СНиПом.
Вопросуповышения точности обработки грунта посвящено ряд работ, авторы которых сразной степенью детализации рассматривали процесс планировки земляного полотнаи давали рекомендации по повышению точности.
Вработе Э.А. Степанова исследована зависимость качества планировки отконструктивных параметров автогрейдера.
Вработах В.С. Дектярева, А.М. Васьковского, А.Н. Пиковской, втрудах ВНИИстройдормаша подробно рассмотрены различные варианты математическихописаний и приведены конкретные статические и динамические характеристикиэлементов систем автоматической стабилизации – гироскопических и гравитационныхдатчиков угла наклона, релейных элементов, усилителей, электрозолотников,гидроцилиндров.
В.С. Дектяревв своей работе, проанализировав причины отклонения от заданных параметровземляного полотна, пришел к выводу, что необходимо сократить зазоры всоединениях деталей рабочего оборудования и механизмов управления и применятьавтоматические системы управления автогрейдером. В результате экспериментальныхи теоретических исследований были созданы два варианта трехпозиционных автоматическихрегулятора: с контактным измерением величины рассогласования и спотенциометрическим изменением величины рассогласования.
А.М. Васьковскийв работе, используя опыт по автоматизации землеройно-планировочных машин вотделе автоматики ВНИИСтройдормаша, исследовал рабочий процесс этих машин. Этопозволило ему определить важнейшие элементы, подлежащие автоматизации.
Сталаочевидна необходимость автоматического контроля угла поперечного наклонарабочего органа автогрейдера и автоматическая стабилизация продольного угланаклона рамы бульдозера, способная придать ему высокие сглаживающие свойства, подобныесвойствам длиннобазового планировщика. Была предложена методика проектированиясистем автоматического управления с целью определения параметров, относящихся кзадаче автоматизации.
В.А. Палеевв работе предложил применить для повышения точности планировочных работгидромеханическую систему стабилизации отвала автогрейдера в поперечнойплоскости. Рассмотрел изменение угла наклона отвала в поперечной плоскости приизменении угла захвата. Проанализировал влияние координат точки креплениясистемы стабилизации на качество планирования. Определил параметрыгидромеханической системы стабилизации.
В.А. Байкаловв работе предложил двухскоростную систему стабилизации рабочего органаавтогрейдера. Исследуя систему стабилизации, определил ее основные параметры.
А.Ф. Бакаловв работе, исследуя системы стабилизации рабочего органа автогрейдера, предложилповысить быстродействие системы применением корректирующего звена, котороеустраняет влияние демпфирования маятника датчика относительно корпуса.
В.В. Беляевв работе, проанализировав модель рабочего процесса автогрейдера при выполнениипланировочных работ, пришел к выводу, что наиболее существенное влияние наточность обработки грунта оказывают отношения геометрических параметровавтогрейдера к параметрам обрабатываемой поверхности. Было предложено с цельюповышения планирующей способности автогрейдера исключить жесткие связи междубазовой машиной и рабочим органом в поперечной вертикальной плоскости. Был предложен«инвариантный» рабочий орган с опорой на обработанную поверхность.
В.Е. Калугинв работе на основе морфологического анализа устройств подвеса тяговой рамыавтогрейдеров предложил ряд новых схем подвеса. Как наиболее эффективная былавыбрана схема на неповоротных кронштейнах. Рассматривался планировочный процесспри возведении откосов. Проведен анализ влияния зазоров в рабочем оборудованииавтогрейдеров на точность планировочных работ.
В.В. Приваловв работе, исследуя влияние обрабатываемой поверхности на точность планировочныхработ, предложил уменьшить возмущающее воздействие грунта путем применениядополнительных рабочих органов, установленных перед колесами автогрейдера.
В.И. Калякинв работе рассмотрел планировочные машины на базе промышленных тракторов. Былпредложен ряд инженерных решений совершенствования планировочных машин. Указанона перспективность схем многоскоростных гидроприводов и приводов с переменнойскоростью перемещения рабочего органа. Определено условие зоны устойчивойработы систем управления планировочных машин. С наилучшими точностнымипоказателями была признана конструкция полуприцепной машины с шарнирнымкреплением задней оси к хребтовой балке и дополнительными рабочими органамиперед задними колесами тягача.
Б.Д. Каноныхинв работе рассмотрел проблемы идентификации, автокоординирования и управленияЗТМ. Была синтезирована динамика координирования рабочих органов управляемыхЗТМ, теория лазерных координаторов и динамика систем управления рабочимиорганами ЗТМ с лазерными координаторами. В работах рассматривается новоенаправление в области строительного и дорожного машиностроения – адаптивноемашиностроение. В статье проводится анализ инвариантных систем управления процессамигрунт-машина-рабочий орган, рассматриваются оптимальные структуры управленияповышающие эффективность использования машин при производстве земляных работ.
Рассмотренныеработы в соответствии с поставленными в них целями и задачами в той или инойстепени решали проблему повышения точности земляных работ выполняемыхавтогрейдером. Однако до настоящего времени отсутствуют работы, направленные насоздание устройств индикации систем управления, что не позволяет решитьпоставленные в данной работе цели. В связи с этим необходимо провестиисследование рабочих процессов автогрейдера при выполнении планировочных работи решить научные и практические задачи, направленные на дальнейшеесовершенствование систем управления РО автогрейдера.
1.2.6 Обзор существующих теорий копания грунта
Внастоящее время существует ряд работ, описывающих различные методытеоретического определения усилий, возникающих при копании грунта землеройно-транспортнымимашинами, включающих резание грунта и перемещение грунта по отвалу и впередиего. 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.
Существующиетеории копания грунта можно условно разделить на две группы, которые отличаютсяподходами к построению теории:
1)теории, основанные преимущественно на обобщении результатов экспериментальныхисследований. Эти полуэмпирические теории более просты, но не ставят цельюобъяснение или полное описание явлений, возникающих в грунте при копании, имогут оказаться непригодными за пределами области, в которой лежат исходныеэкспериментальные данные;
2)теории, базирующиеся на основных положениях механики сплошной среды и теориипрочности.
Данныетеории позволяют определить сопротивление резанию и копанию при условии, чтоизвестны параметры РО, режим работы и параметры грунта.
Однаков реальных условиях большинство этих параметров носят случайный характер.Поэтому для создания математических моделей рабочих процессов ЗТМ, припроведении планировочных работ, силовое воздействие со стороны грунта прикопании должно оцениваться как случайная функция.
Вработе случайный процесс, изменения реакции Е грунта на отвалеавтогрейдера, предлагается представить в виде:
Е = Ет+ Еф,
где Ет – низкочастотный тренд; Еф –высокочастотная составляющая, которая изменяется по случайному законунормального распределения.
Корреляционные функции случайных флюктуаций можно представить ввиде:
/>,
гдеsф2 – дисперсия флюктуаций; aф и bф –параметры корреляционной функции.
Значения aф и bфприведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2. Значения параметров корреляционной функции для определенияфлюктуаций ЕфПредел прочности Параметр грунта, МПа
aф
bф 0 – 0,2 0,8 – 1,5 2,5 – 8 0,2 – 0,4 1,2 – 1,8 4 – 10 0,4 – 0,6 1,5 – 2,0 6 – 12 0,6 – 0,8 1,8 – 3,0 8 – 16
Коэффициентывариации флюктуации yф составляющихсопротивления копанию приведены в табл. 1.3.
Дляопределения низкочастотного тренда Етреакции грунта можно использовать различные теории копания. В работах для этойцели предложено использовать теорию копания, предложенную К.А. Артемьевыми его учениками.
Таблица 1.3. Коэффициенты вариации составляющих сопротивления копаниюПредел Составляющие сопротивления копанию прочности грунта, МПа касательная нормальная боковая 0 – 0,2 0,08 – 0,1 0,1 – 0,12 0,08 – 0,09 0,2 – 0,4 0,11 – 0,14 0,14 – 0,16 0,08 – 0,1 0,4 – 0,6 0,14 – 0,17 0,17 – 0,2 0,09 – 0,1 0,6 – 0,8 0,19 – 0,22 0,22 – 0,24 0,09 – 0,1
Горизонтальная составляющая вектора силы сопротивления копаниюгрунта ножом криволинейного профиля постоянного радиуса кривизны с остройрежущей кромкой применительно к отвалу автогрейдера выражается в виде:
Wx= .sin2j + Wпр. sin j,
где Ех, Еу –соответственно горизонтальная и вертикальная составляющая силы сопротивлениярезанию грунта при лобовом копании; Wпр –сопротивление перемещению призмы волочения; m1 –коэффициент трения грунта по металлу; j –угол захвата отвала.
При косом копании вертикальная Еуj ипоперечная Еzjсоставляющие силы резания определяются
Еуj = Еу.sinj; Ezj = Ex.cos j.
/>,
гдеgр – объемная масса грунта в призме волочения;
g –ускорение свободного падения;
b –длина отвала;
Hг– высота отвала по хорде без участка, погруженного в грунт;
rо – угол внешнего трения;
e – угол, составленный вертикалью и линией, соединяющей верхнююточку отвала с точкой его контакта с поверхностью разрабатываемого грунта,равен
/>
гдеaр – угол резания; h – толщина срезаемойстружки; Rг – радиус кривизныотвала; Ho –высота отвала по хорде.
Величина Hг определяется поформуле
/>.
ЗначенияЕхи Еу записываются в виде
/>
гдеgг – объемная масса грунта.
М1R = 1+tg ro. tg;
M2R = tg — tg ro;
/>
где b1 – угол, образуемыйподпорной стенкой с вертикалью; wг –центральный угол дуги ножа криволинейного профиля, погруженного в грунт.
wг = arccos — aр;
/>.
Автогрейдерявляется универсальной машиной и при выполнении планировочных работ емуприходится работать с грунтами различных категорий. Однако финишные, отделочныепланировочные операции автогрейдер проводит на разрыхленных грунтах, при этомтолщина снимаемого слоя не превышает 0,07 м, то есть процесс планировкиземляного полотна несколько отличается от процесса копания грунта толщинойсрезаемой стружки и прочностью грунта, а следовательно, и диапазоном измененияреакции грунта копанию, действующей на отвал.
Такимобразом, анализ показал, что проблеме определения сопротивления копанию грунтапосвящено достаточно много работ, математический аппарат определениясопротивления копанию хорошо проработан и отражает детерминированнымивыражениями зависимость сил реакции грунта на РО от физико-механических свойствгрунта, толщины стружки и параметров РО, а так же флюктуации реакций, носящихслучайный характер, и позволяет использовать их для достижения поставленных вработе целей.
1.3Цели и задачи исследования
 
Анализлитературы, посвященной проблемам повышения эффективности автогрейдеров припроведении планировочных работ, позволил сделать вывод, что в соответствии споставленными в различных работах задачами автогрейдер, как объект управления,математически описан достаточно часто. Коренного изменения конструкции автогрейдеровв ближайшее время не ожидается. Наиболее перспективной является схемаавтогрейдера с шарнирно сочлененной рамой. Эффективность систем автоматическогоуправления рабочим органом путем улучшения элементной базы существенно повыситьне возможно. Необходима разработка новых алгоритмов функционирования системавтоматического управления. На наш взгляд, повышение эффективности системавтоматического управления автогрейдера, при производстве планировочных работ,может быть повышена путем применения такого алгоритма работы системы, которыйпозволяет повысить производительность планировочных работ в целом, но требуетприменения запоминающих устройств и устройств индикации.
Цельданной работы – повышение производительности автогрейдера, выполняющегопланировочные работы. Поставленная цель достигается путем применения системыстабилизации отвала, включающей запоминающее устройство и устройство индикации,позволяющей в процессе производства планировочных работ человеку-операторувизуально по устройству индикации следить за геометрическими параметрамиформируемого земляного полотна и при достижении заданной точности, требуемойСНиПом, предотвратить лишние проходы по обработанному участку.
Длядостижения поставленной цели необходимо провести исследования, в процессекоторых решить следующие задачи:
– обосноватьосновные пути совершенствования системы управления рабочим органомавтогрейдера, выполняющего планировочные работы;
– разработатьматематическое описание автогрейдера, выполняющего планировочные работы;
– выявитьосновные закономерности рабочего процесса и обосновать технические решения,позволяющие повысить производительность планировочных работ;
– разработатьи внедрить систему стабилизации отвала с устройством индикации.

2.Методика исследований
2.1Общая методика исследований
 
Системныйподход является общепринятым направлением методологии, определяющим ориентациюнаучных исследований и занимает ведущее место в научном познании. В связи сэтим в данной работе системный подход использовался в качестве общей методикиисследований.
Системныйподход характеризуется следующими основными признаками: целостностью,иерархаичностью, структурностью, множественностью описаний, взаимозависимостьюсистемы и среды.
Сутьсистемного подхода состоит в том, что автогрейдер рассматривается как система,состоящая из ограниченного множества элементов, объединенных в единое целоесвязями. Группы элементов, объединенных одним функционально завершеннымпреобразованием, будут являться подсистемами. Целостность автогрейдера, каксистемы, заключается в том, что его свойства не могут быть поняты и оценены беззнания свойств его подсистем. Иерархаичность и структурность автогрейдера, каксистемы, характеризуется тем, что каждая его подсистема может рассматриваться всвою очередь как система с возможностью ее описания с помощью сети связей.Множество моделей, которыми может быть описан автогрейдер по различнымаспектам, является одним из основных принципов системного подхода. Принципвзаимозависимости определяет рассмотрение свойств автогрейдера во взаимосвязи сокружающей средой.
Выделенныеподсистемы автогрейдера целесообразно формализовать, то есть абстрактнопредставить некоторой математической моделью их функционирования. При этом подматематической моделью понимается совокупность математических объектов и связеймежду ними, отражающих важнейшие свойства изучаемого объекта и позволяющихполучить новую, ранее неизвестную информацию об объекте.
Используяметод математического моделирования, который является важной методологическойосновой, можно решать поставленные задачи и обеспечить повышение темпов поискановых решений при минимуме материальных затрат. Математическое моделированиецелесообразно использовать на всех этапах системного анализа путем моделированиявсей системы автогрейдера и отдельных его частей, таких, как системауправления, гидропривод, микрорельеф и др.
Таккак системный анализ предусматривает комплексный подход в решении задач, важнойчастью работы, наряду с разработкой математической модели и проведением наоснове ее теоретических исследований, является натурный эксперимент на реальномобъекте, основными задачами которого являются подтверждение адекватностиматематической модели объекту, а следовательно, и правомерности полученныхтеоретических выводов, и проверка правильности предлагаемых технических решенийв производственных условиях.
Врешении поставленных в работе задач методом системного анализа можно выделитьследующие основные этапы:
1)синтез структурной схемы рабочего процесса автоматизированного автогрейдера напланировочных работах;
2)теоретические исследования элементов структурной схемы с целью выявлениязакономерностей их влияния на процесс планировки и связей между ними;
3)введение при необходимости новых элементов или устранение «вредных» элементов исвязей, отрицательно влияющих на качество планировочных работ. Формированиетехнических решений, позволяющих реализовать новую схему рабочего процессаавтогрейдера;
4)теоретическое и экспериментальное изучение и оценка функционирования новойсистемы, корректировка при необходимости разработанных технических решений;
5)оценка результатов исследований.
2.2Методика теоретических исследований
 
Математическоемоделирование составляет основу теоретических исследований работы, при этомисследуемый объект заменяется его математической моделью, которая отражает сдостаточной степенью точности исследуемые свойства объекта. Наиболеераспространенным способом представления математической модели является системакаких-либо уравнений, выбор которых соответствует уровню принятойматематической модели с необходимыми для ее решения данными – начальными,граничными условиями, численными значениями коэффициентов. Наиболеерациональный, а часто и единственный реальный путь решения системы уравнений –это расчеты на ЭВМ численным методом.
Такоеисследование называется вычислительным экспериментом. Вычислительныйэксперимент обладает рядом преимуществ по сравнению с натуральным:вычислительный эксперимент, как правило, намного дешевле, легче и быстреереализуем; допускает вмешательство извне на любой стадии; позволяетмоделировать условия эксперимента, которые зачастую вообще невозможновоспроизвести в реальных условиях, и выполнять эксперименты на критическихрежимах, воспроизведение которых в условиях натурного экспериментазатруднительно, дорого, а порой и небезопасно.

2.4Структура работы
Всоответствии с целью для решения поставленных задач была сформирована структураработы, включающая выполнение следующих основных этапов:
1.1.Анализ критериев эффективности автогрейдера при производстве планировочных работ.
1.2.Анализ предшествующих исследований проблемы повышения точности планировочныхработ, выполняемых автогрейдером.
1.3.Анализ математических моделей автогрейдеров.
1.4.Анализ математических моделей гидропривода.
1.5.Анализ математических моделей грунта.
1.6.Анализ математических моделей системы управления.
1.7.Формирование требований к системе управления.
2.1.Обоснование расчетных схем и составление математических моделей подсистемавтогрейдера, микрорельефа грунта, человека-оператора.
2.2.Обоснование методов исследования на математических моделях.
2.3.Формирование обобщенной структурной схемы автоматизированного автогрейдера.
2.4.Составление алгоритмов и программ расчета на ЭВМ.
2.5.Оценка адекватности математических моделей.
2.6.Обоснование и выбор численных значений коэффициентов математических моделей играничных значений диапазонов варьируемых параметров.
3.1.Выбор и обоснование критериев оценки эффективности технологического процессапланировочных работ.
3.2.Выбор и обоснование информационных параметров.
3.3.Анализ значимости параметров на эффективность технологического процессапланировочных работ.
3.4.Анализ параметров на ЭВМ.
3.5.Синтез алгоритмов работы перспективных систем управления.
3.6.Формирование структурной схемы системы управления.
3.7.Разработка инженерных решений.
/>
Рис. 2.1.Структура работы
4.1.Экспериментальное исследование автогрейдера в производственных условиях.
4.2.Внедрение инженерных решений.

3.Математическое описание автогрейдера
3.1Математическая модель микрорельефа грунтовой поверхности
Анализрабочего процесса автогрейдера при планировочных работах показал, что одним изфакторов, определяющих точность обработки грунта, является микрорельефобрабатываемой грунтовой поверхности, неровности которой являются одним изисточников вертикальных и угловых перемещений автогрейдера при движении исвязанного с ними РО. Таким образом, составление математической моделимикрорельефа является важным этапом в разработке обобщенной математическоймодели рабочего процесса автогрейдера. Это позволит установить основныезакономерности движения автогрейдера по опорной поверхности, соответствующейреальной, выявить характер влияния на точность обработки грунта параметровобрабатываемого микрорельефа.
Вработе использовались для моделирования микрорельефа левой и правой колеикорреляционные функции двух типов, определяемые выражениями и.
Дляреализации моделей микрорельефа обрабатываемой грунтовой поверхности на ЭВМиспользовались моделирующие алгоритмы, которые определяются выражениями.
Наосновании указанных выражений составлена программа SOIL реализации микрорельефана ЭВМ. Блок-схема программы приведена на рис. 3.1. В программеиспользуется стандартная функция RANDOM языка программирования Turbo Pascal6.0, позволяющая вычислять псевдослучайные числа, нормально распределенные винтервале.

/>

Рис. 3.1.Блок-схема программы SOIL, реализующей микропрофиль
Нарис. 3. 2,3. 3,3.5 в качестве примера приведены фрагменты реализациимикрорельефа с корреляционными функциями для левой колеи R = 29,16. 10-4.e-0,77ItI, для правой колеи R = 29,16. 10-4. e-0,77ItI cos 1,35 t.
Реализованныймикрорельеф сглажен по пятну контакта равному 0,15 м.
На рис. 3.4 представлена реализация колебаний условнойсредней точки переднего моста при движении автогрейдера по данныммикрорельефам.
На основе приведенной выше математической модели можносмоделировать микрорельеф грунта с заданными характеристиками.
/>
Рис. 3.2.Фрагмент реализации микрорельефа по левой колее
/>
Рис. 3.3.Фрагмент реализации микрорельефа по правой колее
/>
Рис. 3.4. Координатаусловной средней точки переднего моста автогрейдера

/>
Рис. 3.5.Фрагмент реализации микрорельефа грунта
3.2Математическая модель автогрейдера
Автогрейдер,оснащенный системой автоматического управления рабочим органом, грунт имикрорельеф обрабатываемой поверхности представляют в совокупности сложнуюдинамическую систему. Оптимизацию параметров этой системы удобней вести наматематических моделях.
Решениепоставленных в работе задач требует составления уравнений геометрических связейавтогрейдера, рассмотрения перемещения РО в пространстве под действиемразличных факторов, определения динамических характеристик объекта при различныхвозмущающих и управляющих воздействиях.
Анализконструкций автогрейдеров и математических моделей предшествующих исследованийпозволил составить расчетную схему.
Присоставлении расчетной схемы были приняты следующие допущения:
– автогрейдерявляется пространственным шарнирно сочлененным многозвенником;
– конструктивныеэлементы автогрейдера абсолютно жесткие;
– элементыходового оборудования имеют постоянный контакт с грунтом при длине пятнаконтакта вдоль направления движения 0,15 м;
– люфтыв шарнирных сочленениях автогрейдера отсутствуют;
– отвалпостоянно заглублен в обрабатываемый грунт;
– рассматриваютсямалые перемещения элементов расчетной схемы;
– впроцессе копания перестановка элементов рабочего оборудования не производится,углы перелома основной рамы, выноса тяговой рамы и поворота отвала не меняются;
– углыперелома основной рамы и выноса тяговой рамы изменяются от 0 до 20 градусов;
/>
Рис. 3.6. Расчетная схема автогрейдера
– уплотнениегрунта колесами пренебрежимо мало;
– динамическимиколебаниями рабочего оборудования пренебрегаем;
– автогрейдердвижется прямолинейно с постоянной скоростью.
Элементамирасчетной схемы выбраны основные узлы автогрейдера: хребтовая балка,подмоторная рама, левый балансир, правый балансир, передняя ось, тяговая рама иповоротный круг с РО.
Элементырасчетной схемы выбраны в соответствии с наметившимися тенденциями дальнейшегосовершенствования конструкций автогрейдеров. Это относится, в частности, косновной раме, которая представлена в виде шарнирно сочлененных подмоторнойрамы и хребтовой балки. Благодаря этому, обобщенная расчетная схема отражаетнаиболее существенные признаки реальных и перспективных конструкцийавтогрейдеров.
Дляописания положения элементов расчетной схемы в пространстве принята праваяортогональная система координат OXYZ. Ось OX совпадает с направлением движения автогрейдера, ось OY направлена вертикальновверх.
Наэлементы расчетной схемы наложены ограничивающие связи.
Придвижении автогрейдера, при выполнении планировочных работ элементы расчетнойсхемы имеют следующие степени свободы.
Таблица 3.1. Степенисвободы элементов расчетной схемы автогрейдера при выполнении планировочныхработ№ п/п Название элемента расчетной схемы Степени свободы элемента 1 Балансир правый Y, поворот вокруг оси OZ 2 Балансир левый Y, поворот вокруг оси OZ 3 Рама подмоторная Y, поворот вокруг осей OX, OZ 4 Хребтовая балка Y, поворот вокруг осей OX, OZ 5 Передняя ось Y, поворот вокруг оси OX 6 Тяговая рама Y, поворот вокруг осей OX, OZ 7 Поворотный круг с РО Y, поворот вокруг осей OX, OZ
Положениехребтовой балки определяется координатами по OX, ОY и углом a1, образованным вплоскости, OXZ осью OX и осью хребтовойбалки, положение тяговой рамы определяется углом b1, образованным вплоскости OXZ осью OX и осью тяговой рамы,угол j характеризует положение РО и образуется в плоскости OXZ осью OX и режущей кромкой РО.
Дляопределения положения произвольных точек звеньев расчетной схемы в любой моментвремени от начала отсчета и установления связи между положением РО ипараметрами сформированной поверхности были получены уравнения.
Положениев пространстве РО целесообразно определять по координате его центральной точкиy и углу перекоса g’ в момент времени t:
/>,
где yП, yЛ – вертикальные координаты правойи левой крайних точек режущей кромки отвала в момент времени t; LОТ –ширина отвала автогрейдера.
Дляположения отвала, изображенного на рис. 3.6, поперечный профильобрабатываемого земляного полотна, соответствующий центральной точке отвала, сформированлишь на половине пройденного пути, расположенной справа от точки А. С другой стороныотвала профиль в момент времени t пока не сформирован, так как отвал еще не дошел до этого места.Таким образом, в момент времени t угол поперечного профиля верен для точки отвала С, максимальноприближенной к задним колесам.
Тогдаyпр = y;
/> при j£ 90О
/> при j> 90О,

где yпр – вертикальная координата профиля под центром отвала в моментвремени.
/>,
где V – рабочая скорость автогрейдера. Из расчетной схемы видно, что
/>;
/>;
/>;
/>,
где y1П, y2П, y3П, y1Л, y2Л, y3Л – соответственновертикальные координаты грунта в условных точках контакта первых, вторых итретьих правых и левых колес автогрейдера;
yПБ, yЛБ – условныевертикальные координаты правого и левого балансиров; y1 и y2 – условныевертикальные координаты центра передней и задней осей.
Таккак оси балансиров жестко связаны с подмоторной рамой автогрейдера, то уголповорота автогрейдера вокруг оси OX можно выразить:

/>,
где L2 – ширина колеи автогрейдера.
Аугол поворота вокруг оси OZ:
/>,
где L1 – проекция на ось OX расстояния между y1 и y2.
Изрис. 3.7 видно, что
y = y’ –Dy’,
где y’ – условная вертикальная координата точки пересечения прямой DE и плоскости,перпендикулярной оси OX и проходящей через точку А; Dy’ – приращение вертикальной координаты точки y’, обусловленноеперекосом автогрейдера вокруг оси OX на угол :
/>,
где />;
/>;
/>;
/>,

где L3 = LT cos ;
LT – длина тяговойрамы;
LХР – длина хребтовойбалки.
Вертикальныекоординаты правой и левой крайних точек режущей кромки отвала yП, yЛ будут равны:
yП = y + Dy1 + Dy2 = y+ Dy;
/>
Рис. 3.7. Расчетная схема автогрейдера
yЛ = y – Dy1 – Dy2 = y — Dy,
где Dy1 – приращениевертикальной координаты точки y, обусловленное перекосом автогрейдера вокруг оси OX на угол ;
Dy2 – приращениевертикальной координаты точки y, обусловленное перекосом автогрейдера вокруг оси OZ на угол b;
Dy = Dy1 + Dy2.
/>.

Подставивв, получим:
/>;
/>.
Подставивв, получим:
/>.
Придвижении автогрейдер колесами балансирной тележки обычно движется пообработанному грунту. Поэтому определим вертикальные координаты задних колес.
/>
/>;
;
;

tП = 93838383.
Вработе использовалась двухконтурная ССО. Структурная схема двухконтурной ССОпредставлена на рис. 3.13. Схема состоит из контура автоматического А иполуавтоматического В управления. В отличие от большинства серийных систем в схемувведено устройство индикации УИ, позволяющеечеловеку-оператору в процессе работы контролировать геометрические параметрыобработанного грунта и в случае достижения достаточной точности отключатьавтоматический контур.
На рис. 3.13 показаны: 1 – датчик угла; 2 – элементсравнения; 3 – пороговый элемент; 4 – электрогидравлический привод.
/>
Рис. 3.13.Структурная схема ССО
Насхеме человек-оператор представлен в виде блока, выполняющего функции, близкиек безинерционному реле, так как в задачи данной работы не входит исследованиеособенностей человека как звена систем управления, этой проблеме посвящен рядработ представленных в разд. 1.2.
3.5Обобщенная математическая модель автоматизированного автогрейдера
Поставленныев работе задачи требуют разработки обобщенной динамической структурной схемыавтоматизированного автогрейдера. Разработанная структурная схема представленана рис. 3.14, где 1 – блок, имитирующий передний мост автогрейдера; 2 и 3 –блоки, имитирующие соответственно правый и левый балансир; 4 – блок системыССО; 5 – блок, имитирующий реакцию грунта при копании.
Особенностиобобщенной динамической структурной схемы автоматизированного автогрейдерасостоят в следующем. В процессе проведения планировочных работ автогрейдерпроизводит копание и перемещение грунта. При этом на автогрейдер действуетреакция грунта копанию и перемещению, которая имеет случайный характер, а такжезависит от величины срезаемой стружки. Таким образом в обобщенной структурнойсхеме необходима связь блоков, формирующих реакцию грунта и вертикальнуюкоординату средней точки отвала у. Используя характерный для систем типа «Профиль»способ управляющего воздействия на РО при изменении угла перекоса РО g,структурная схема изменяет вертикальную координату средней точки отвала у.
Обозначения на схеме соответствуют принятым в разд. 3.3–3.5.

/>
Рис. 3.14. Обобщеннаядинамическая структурная схема автоматизированного автогрейдера
Вработе использовалась статистическая модель микрорельефа грунта по которомудвижется автогрейдер. Эта модель позволила разработать алгоритм и программуцифровой реализации на ЭВМ с использованием рекурентных уравненийпсевдослучайного профиля.
Наоснове предложенной расчетной схемы и принятых допущений разработана математическаямодель автогрейдера, позволившая выявить функциональные зависимости егоосновных параметров.
Принятаяв работе математическая модель реакции грунта на РО включает в себя компонентывектора реакции грунта и стохастические составляющие, представленные корреляционнымифункциями.
Математическаямодель системы управления автогрейдера отражает динамические свойствамаятникового датчика, блока управления и исполнительного гидропривода.
Разработаннаяобобщенная структурная схема автоматизированного автогрейдера отражает наиболееобщие свойства существующих и перспективных конструкций автогрейдеров и ихсистем управления. Она позволяет на ее основе решать задачи анализа и синтезасистем управления автогрейдером.

4. Выявлениеосновных закономерностей системы управления РО автогрейдера
Исследованияпроводились на математических моделях микрорельефа грунта, автогрейдера,системы управления рабочим органом. Для реализации численных значенийвертикальных координат анализируемого микрорельефа с заданными параметрамикорреляционной функции использовалась программа SOIL, блок-схема которойпредставлена на рис. 3.1. Входными параметрами этой программы являютсякоэффициенты затухания aк и периодичности bккорреляционной функции, среднеквадратичное отклонение sмикрорельефа моделируемого грунта, шаг h дискретностивремени, интервал усреднения МС ичисло точек N сглаженного профиля, а выходными параметрами вертикальныекоординаты микрорельефа грунта по правой и левой колее движения автогрейдера.Для описания автогрейдера использовалась программа GRADER реализующаяобобщенную динамическую модель автоматизированного автогрейдера структурнаясхема которой, представлена на рис. 3.14. Она включает в себя уравнениягеометрической связи автогрейдера с учетом динамических колебаний,сопротивление копанию и модель системы стабилизации РО. Выходными параметрамиявляются вертикальные координаты центральной точки режущей кромки РО y,крайних точек режущей кромки РО yП и yЛ, что фактическиявляется вертикальными координатами формируемого микрорельефа. Статистическаяобработка данных проводилась с помощью подпрограммы SKO, вычисляющейсреднеквадратичное отклонение данных от заданного значения.
Размерыавтогрейдера принимались фиксированными и соответствующими табл. 4.1.

Таблица 4.1. Численные значенияпараметров автогрейдера при экспериментах№ п/п Параметр Численные значения Единицы измерения 1
L2 2.45 м 2
Lxp 4.95 м 3
Lp 1.85 м 4
L4 1.85 м 5
Lт 3.34 м 6
Lот 4.80 м
4.1Погрешности показаний датчика системы стабилизации отвалаавтогрейдера в поперечной плоскости от места установки датчика и угла захватарабочего органа
Основнымисточником информации ССО автогрейдера в поперечной плоскости являетсямаятниковый датчик, установленный на автогрейдере. В большинстве серийновыпускаемых ССО маятниковый датчик устанавливается на тяговой раме или отвалеавтогрейдера. Известны исследования, в которых с различных позиций, взависимости от поставленных в работе задач, проанализированы места установкимаятниковых датчиков, их статические и динамические погрешности, доказананеобходимость коррекции показаний датчика, установленного на отвале, взависимости от положения тяговой рамы и угла захвата РО. Однако, впредшествующих исследованиях отсутствует анализ величины погрешностимаятникового датчика в зависимости от места его установки и не показаны путидостижения более достоверной оперативной информации о фактическом поперечномуклоне формируемого земляного полотна.
Длярешения поставленных в работе задач на основе предложенной математическоймодели автогрейдера были проведены исследования погрешности показаниймаятникового датчика, зависящие от места установки датчика и угла захвата РО.Исследования проводились на математической модели автогрейдера, в которой былаотключена ССО. Под правое переднее колесо автогрейдера с вертикальнойкоординатой Y1п подавалось единичноеступенчатое воздействие, равное 0,1 м. РО не вынесен в сторону. РОформирует профиль по всей колее. «Реальным профилем» в момент времени t считался уклон gреал поперечного сечениясформированного полотна, проходящего через точку, максимально приближенную кзадним колесам автогрейдера.
/>
Рис. 4.1. Поперечный угол наклона gреал «реального» профиля
На рис. 4.2–4.16 в качестве примераприведены переходные процессы перемещения характерных точек автогрейдера таких,как средняя точка отвала Y и крайние точки отвала Yл и Yп, а также уголпоперечного уклона сформированного земляного полотна и показания «идеального»датчика при различных углах захвата РО j, в различных местах установки датчика. При этом скоростьавтогрейдера была фиксирована и составляла V=1 м 53,691818 с.
На рис. 4. 18,4.19 в качествепримера приведены функциональные зависимости, построенные для численныхзначений корреляционных функций, приведенных в табл. 4.2.
Таблица 4.2. Численные значенияпараметров корреляционных функций микрорельефа№ Анализируемый Численные значения п/п параметр
aк, с-1
bк, с-1
sк, 10-2 м 1
aк 0,05–1,00 1,35 5,0 2
bк 0,77 0,1–2,0 5,0 3
sк 0,77 1,35 1–20
Из рис. 4.18 видно, что для принятыхинтервалов параметров коэффициент KY практически не зависит отчисленных значений параметров апроксимирующей корреляционной функциимикропрофиля.
/>
Рис. 4.18.Зависимости KY от параметров корреляционных функциймикропрофиля sк, aк и bк.
/>
Рис. 4.19.Зависимости Kg от параметровкорреляционных функций микропрофиля: 1 – то sк; 2 –от aк; 3 – от bк.

Коэффициент Kg также практически не зависит от численных значений sк. На рис. 4. 19,2 в качестве примера представленазависимость Kg от aк. Функциональная зависимость Kg от коэффициента bк представлена на рис. 4. 19,3, она имеет вид линииблизкой к прямой и отражает прямопропорциональную зависимость.
Исходя из выше сказанного можно сделатьвывод, что планирующие свойства автогрейдера в продольной плоскости не зависятот параметров корреляционных функций, описывающих микрорельеф обрабатываемойповерхности. В поперечной плоскости планирующие свойства автогрейдера при j ¹ 90° существенно зависят от коэффициентов aк и bк. Причем, с ихувеличением Kg увеличивается при прочихравных условиях. Это объясняется тем, что при j ¹ 90°вертикальное перемещение режущей кромки отвала формирует «косую ступень» вобрабатываемом грунте, которая в свою очередь при наезде на нее задних колесприводит к перекосу автогрейдера.
4.3Влияние угла захвата РОавтогрейдера на планировочные свойства
Планировочные свойства автогрейдера в данной работе оценивалиськоэффициентами передачи в поперечной Кg ипродольной КY плоскостях.
Был проведен машинный эксперимент для определения зависимостикоэффициента Kg от угла захвата j. Был смоделированпроцесс наезда передних колес автогрейдера на ступень различной высоты, приэтом sY соответственно равен высоте ступени. Анализ результатовмашинного эксперимента показал, что коэффициент передачи Кg придетерминированном воздействии не зависит от величины единичной ступени иопределяется только углом захвата j.

/>
Рис. 4.20 Зависимость Kg от угла захвата j.
На рис. 4.20 в качестве примера представлен графикзависимости Kg от угла захвата j, при наезде наступень высотой 0.1 м.
Анализ полученной зависимости показал, что при увеличении углазахвата j величина влияния перемещений передних колес на поперечный уголсформированного грунта уменьшается и при значениях угла близких к 90oстремится к нулю. Таким образом при j=90oавтогрейдер в поперечной плоскости является устойчивой системой.
В работе было также проанализировано влияние угла захвата j накоэффициент KY. На рис. 4.21 представленазависимость коэффициента KY от угла захвата j.
/>
Рис. 4.21.Зависимость планирующих свойств автогрейдера, определяемых коэффициентом KY, от угла захвата j

Каквидно из функциональной зависимости, угол захвата jпрактическине влияет на планировочные свойства автогрейдера в продольной плоскости.
4.4Анализ влияния основныхпараметров ССО и гидропривода на планировочные свойства автогрейдера
Анализвлияния параметров ССО и гидропривода на планировочные свойства автогрейдера впродольной плоскости достаточно подробно рассмотрен в работе. В данной работецелесообразно провести исследования влияния параметров ССО и гидропривода напланировочные свойства автогрейдера в поперечной плоскости. В качестве основныхпараметров ССО и гидропривода принимались tгид –запаздывание в гидросистеме, сек; A2 — ширина зоны нечувствительности системы, рад; w – скорость измененияугла перекоса отвала, сек-1.
При анализе использовалась математическая модель автогрейдера,которая приведена в гл. 3. При решении задач анализа варьируемые параметрыисследовались в широком диапазоне, соответствующем существующим и перспективныммоделям машин. В качестве примера представлены графические зависимости длячисленных значений параметров, приведенных в табл. 4.3.
Таблица 4.3. Значения варьируемых параметров Варьируемые параметры
tгид, сек
А2 рад
w, сек-1 Значения параметров
0,1;
0,2;
0,3
0,0005;
0,003;
0,007 0…0,1
Вкачестве исходного принимался профиль, описываемый по правой и левой колеедвижения корреляционными функциями:

/>
Критериемкачества планировочной характеристики автогрейдера принимался коэффициентпередачи вертикальных возмущений обрабатываемого грунта на поперечный уклонформируемого профиля Кg.
Используяэтот коэффициент, было установлено, что наилучшие планировочные свойстваавтогрейдера при Кg®0.
Блок-схемаалгоритма анализа влияния скорости изменения углаперекоса отвала w на планировочные свойства автогрейдера представлена на рис. 4.22,где GRADE – программа реализующая обобщенную динамическую структурную схемуавтогрейдера, представленную на рис. 3.14.
/>
Рис. 4.22. Блок-схема алгоритма анализа влияния скорости w на Кg.
Графики зависимости Кg от w дляразличных значений запаздывания и ширины зоны нечувствительности приведены нарис. 4.23–4.25. Анализ графиков показал, что между исследуемымипараметрами ССО существует взаимозависимость. При выполнении неравенства /> наблюдается возрастаниезначений коэффициента передачи Кg, характеризующеенеустойчивый режим работы ССО. В этом случае наблюдается, так называемое, «перерегулирование»системы. Анализ графиков на рис. 4.23–4.25 показывает, что минимальныезначения коэффициента передачи Кgполучается на границе ширины зоны нечувствительности для малых значений tгид, тоесть, при /> и смещаются к равенству /> для больших величинзапаздывания tгид, то есть, стремятсяк середине ширины зоны нечувствительности.
/>
Рис. 4.23.Зависимость Кg от w при tгид = 0,1 сек: 1– при А2= 0,007 рад; 2 – при А2 = 0,003 рад; 3 – при А2 = 0,0005 рад.
/>
Рис. 4.24.Зависимость Кg от w при tгид = 0,2 сек: 1– при А2= 0,007 рад; 2 – при А2 = 0,003 рад; 3 – при А2 = 0,0005 рад.

/>
Рис. 4.25.Зависимость Кg от w при tгид = 0,3 сек: 1– при А2= 0,007 рад; 2 – при А2 = 0,003 рад; 3 – при А2 = 0,0005 рад.
Таким образом,
,
где k1 » 2 при tгид = 0,1 сек; k1 » 1 при tгид ³ 0,2 сек.
Величина запаздывания tгидобусловлена характеристиками гидропривода и поэтому является определяющейвеличиной для выбора остальных параметров ССО и гидропривода. Ширина зонынечувствительности А2 накладывает ограничения на рабочиескорости изменения угла перекоса отвала.
Повышение скорости изменения угла перекоса отвала ведет кулучшению планировочных характеристик, однако увеличение А2уменьшает точность обработанного грунта. Поэтому нахождение рациональнойвеличины ширины зоны нечувствительности А2,связанной с максимальной скоростью изменения угла перекоса отвала, представляетпрактический интерес.
Был проведен машинный эксперимент для нахождения минимальныхзначений коэффициента передачи Кg приварьировании скорости изменения угла перекоса отвала и ширины зоны нечувствительности.В качестве примера на рис. 4.27–4.29 представлены графические зависимостидля варьируемых параметров, численные значения которых приведены в табл. 4.4. Блок-схема алгоритмаанализа влияния ширины зоны нечувствительности А2 накоэффициент Kg и w представленана рис. 4.26.
Таблица 4.4. Значения варьируемых параметров Варьируемые параметры
А2, рад
DА2, рад
w, сек-1
t гид, сек Значения параметров 0…0,01 0,0001 0…0,1 0,1; 0,2; 0,3
Для каждого значения ширины зоны нечувствительности А2 при различномвремени запаздывания tгид находилосьминимальное значение коэффициента передачи Кgmin иопределялось рациональное значение скорости изменения угла перекоса отвала w.Анализ графиков на рис. 4.27–4.29 показывает, что для ширины зонынечувствительности имеет место определенное максимальное значение, вышекоторого применение системы автоматического управления нецелесообразно.
/>
Рис. 4.26.Блок-схема алгоритма анализа влияния ширины зоны нечувствительности А2 накоэффициент Kg и w/>

/>
Рис. 4.27. Зависимости коэффициента Кgmin искорости изменения угла перекоса отвала w от ширины зоны нечувствительностиА2 призапаздывании гидропривода tгид = 0,1 сек: 1 – скорость w; 2 –коэффициентКgmin
Анализ рис. 4.27–4.29 показал, что существуют интервалырациональных значений скорости изменения угла перекоса отвала w.Этот анализ подтверждает выражение.
Для определения  при различных значениях среднеквадратичногоотклонения вертикальных координат исходного микрорельефа был проведен машинныйэксперимент. В качестве примера на рис. 4. 31,4.32 представленыграфические зависимости для варьируемых параметров, численные значения которыхпредставлены в табл. 4.5.
Блок-схемаалгоритма анализа зависимости коэффициента Kgи ширины зонынечувствительности А2 от sисх представлена на рис. 4.30.
Таблица 4.5. Значения варьируемых параметров Варьируемые параметры
sисх, м
А2 рад
DА2  рад
w, сек-1
tгид, сек Значения параметров
0,0324;
0,0463;
0,0602 0…0,013 0,0001 0…0,1 0,1

Для каждого значения sисх и А2 былопроварьировано значениеw и определеныминимальные значения Кg.
Результаты эксперимента представлены на рис. 4. 31,4.32.Анализ графиков подтверждает правомерность выражения.
/>
Рис. 4.30. Блок-схема алгоритма анализа зависимости коэффициентаKgи ширины зонынечувствительности А2 от sисх
Анализ графиков позволил сделать вывод, что рациональное значениеширины зоны нечувствительности  зависит от sисх. Этазависимость имеет линейный характер и может быть представлена в виде:
,
где k2 –коэффициент, зависящий от геометрических размеров автогрейдера.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Для ССО в поперечной плоскости зона устойчивой работыопределяется выражением, где k1 = –коэффициент, зависящий от tгид.
2. Для ССО в поперечной плоскости для получения наименьшегозначения коэффициента передачи в поперечной плоскости Кgвыявлены зависимости между запаздыванием в гидросистеме tгид,шириной зоны нечувствительности системы А2,скоростью изменения угла перекоса отвала w и величинойсреднеквадратичного отклонения исходного профиля sисх.
/>
Рис. 4.31. Зависимости коэффициента Кg отширины зоны нечувствительности А2: 1 –при sисх1 = 0,0324 м; 2 –при sисх2 = 0,0463 м; 3 –при sисх3 = 0,0602 м.
/>
Рис. 4.32. Зависимость ширины зонынечувствительности А2 от sисх.

4.5 Обоснование структуры и алгоритмов функционированияперспективной ССО
 
Полнуюинформацию о положении РО в пространстве можно получить, зная шесть параметров:
x – координату точки РОпо оси OX;
y – координату точки РОпо оси OY;
z – координату точки РОпо оси OZ;
j – угол захвата РО;
g – угол поперечного наклона РО;
ap — угол резания.
Проанализировав процесс работы автогрейдера для ССО, можновыделить группу параметров, в наибольшей степени влияющих на точностьформируемой поверхности грунта.
При формировании земляного полотна точность стабилизации РОявляется, по сути дела, точностью геометрических параметров формируемогоземляного полотна. Учитывая СНиП, становится ясно, что важнейшими параметрами,определяющими точность земляного полотна, являются вертикальная координата y ипоперечный уклон g, однако, возможноконтролировать точность также по вертикальным координатам двух точек РО. ССОнеобходимо контролировать или вертикальную координату какой либо точки РО ипоперечный уклон РО или вертикальные координаты двух точек РО.
Учитывая, что ССО в основном используются при планировочных ипрофилировочных работах, когда силы резания грунта не оказывают существенноговлияния на точность обработки, углом резания можно в данном случае пренебречь.
В зависимости от угла выноса тяговой рамы b1 иугла перелома основной рамы a1,меняется координата РО по оси ОZ, а также уголзахвата РО j. Если не предстоитиспользование ССО при формировании и обработки откосов, значения a1 и b1 можнопринять фиксированными, а изменение угла захвата РО j икоординаты РО по оси OZ от этих углов не учитывать.
Для определения места на обрабатываемом участке, на которомпроизошло отклонение положения РО от заданного значения, необходимо такжерасполагать координатой какой-либо точки отвала на плоскости, то естькоординатой z и х. При формировании земляного полотна дороги, когда не ставитсязадача обеспечения ведения машины по заданному курсу и автогрейдер двигается посформированному земляному полотну, достаточно располагать координатой по оси ОХ,или, иными словами, определять пройденный путь.
Учитывая выводы, сделанные в п. 4.3, для эффективной работыССО необходимо знание угла захвата РО j.
Исходя из вышесказанного, можно выделить следующую группупараметров, характеризующих положение РО для ССО:
y –вертикальная координата центра режущей кромки РО;
g – поперечный угол наклона режущей кромки РО;
x –координата по оси ОХ от точки отсчета до центра режущей кромки РО;
j – угол захвата РО.
В разделе 4.4. было показано, что динамические свойствагидропривода оказывают существенное влияние на качество обработки грунта.Важнейшими параметрами, которые необходимо учитывать при синтезе ССО, являются:время запаздывания гидропривода tгид искорость перемещения штока гидроцилиндра w. Оба эти параметраоказывают значительное влияние на выбор ширины зоны нечувствительности ССО.
Параметры гидропривода могут изменяться в зависимости оттемпературы окружающей среды, температуры и кавитации рабочей жидкости, износаэлементов гидропривода и др. Учитывая это обстоятельство, в перспективных ССОцелесообразно предусмотреть возможность периодического измерения параметровгидропривода и корректировки параметров ССО.
Особенностьконструкции автогрейдера состоит в том, что колеса заднего моста воспринимаютвсе неровности, сформированные отвалом, что в свою очередь приводит кперемещению автогрейдера, а вместе с ним и к изменению пространственногоположения РО.
СуществующиеССО не обеспечивают своевременного формирования управляющих воздействий,направленных на стабилизацию пространственного положения отвала. Вперспективных ССО это можно обеспечить за счет формирования упреждающегоуправляющего воздействия. Для этого целесообразно обеспечить «запоминание»вертикальных координат неровностей микрорельефа, сформированного отвалом, и сучетом времени транспортного запаздывания наезда задними колесами на этинеровности, динамических характеристик гидропривода, угла захвата РО,создающего «косую» ступень, формировать упреждающие воздействия на гидропривод.При первом проходе по обрабатываемому участку перспективная ССО, обладающаяпамятью, может обеспечить компенсацию возмущающего воздействия со сторонымикрорельефа на задние колеса автогрейдера.
Припоследующих проходах автогрейдера по обрабатываемому участку информация омикрорельефе, заложенная в память перспективной ССО, может быть использована идля компенсации возмущающих воздействий со стороны микрорельефа на передниеколеса автогрейдера.
ПерспективнаяССО должна предоставлять механику-водителю не только оперативную информацию огеометрических параметрах формируемого земляного полотна в конкретный моментвремени в конкретной точке трассы, но и статистическую оценку всего обрабатываемогоучастка, а также определять участки, на которых необходимо провестидополнительную обработку.
Этовозможно реализовать в перспективных ССО за счет создания блоков индикацииоперативной информации, а также обеспечения вывода на индикацию статистическиххарактеристик микрорельефа как на всем обрабатываемом участке, так и наотдельных участках трассы.
Располагаятакой ССО, автогрейдер может выполнять функции профилирографа, автоматическогонивелира или, иными словами, автоматического устройства, обеспечивающегоизмерение и регистрацию геометрических параметров дорожного полотна.
4.6 Варианты перспективных ССО
Общимитребованиями к перспективным ССО является: необходимость предоставлениямеханику-водителю как оперативной, так и статистической информации обобрабатываемом участке, а также формирование упреждающих воздействий на РО наоснове накопленной информации о геометрических параметрах земляного полотна.
Техническиэто может быть реализовано в настоящее время за счет введения в ССО блоков индикации,блоков оперативной памяти и специальных алгоритмов обработки информации.
Однимиз вариантов перспективных ССО может служить система, обеспечивающаястабилизацию продольного и поперечного профиля формируемого грунта.
ТакаяССО должна располагать, как минимум, четырьмя информационными параметрами:двумя вертикальными координатами разных точек РО yл и уп иливертикальной координатой точки РО у и поперечным угломнаклона режущей кромки РО g; углом захвата РО j;пройденным путем от точки отсчета x.
Для расчетной схемы, представленной на рис. 4.33, одним изалгоритмов функционирования такой системы может служить алгоритм,представленный на рис. 4.34, где для формирования управляющеговоздействия, необходимо произвести ряд вычислений:
определить расстояние между точками РО по оси ОХ
хро= L2 ctg j;
вычислить расстояние по левой колее от РО до передних колесбалансирной тележки:
хл= L1 — Lт — — хро2;
определить путь, который проходит автогрейдер за время задержкигидропривода:
хгид= tгид V;
Динамическиехарактеристики машин для использования в математических моделях определялисьпутем обработки осциллограмм переходных процессов, полученных при подачеединичных ступенчатых воздействий на элементы ходового оборудования.
Таблица 5.1. Численные значенияпараметров автогрейдера при экспериментах№ п/п Параметр Численные значения Единицы измерения 1
L2 2.45 м 2
Lxp 4.95 м 3
Lp 1.85 м 4
L4 1.85 м 5
Lт 3.34 м 6
Lот 4.80 м
Нарис. 5.2 в качестве примера приведены переходные процессы, записанные наавтогрейдере ДЗ‑122А при сбрасывании правого переднего колеса балансирнойтележки, предварительно поднятого на 0,04 м, что находится в пределахупругости пневматиков.
Полученныеиз осциллограмм переходного процесса периоды и параметры затухания подставлялисьв математическую модель. Величины коэффициентов Т3 и Т4передаточных функций автогрейдера составляют Т3 =0,063 и Т4=0,16.
5.3 Оценка адекватности математических моделей
Важнейшимусловием правомерности выводов, полученных при исследовании на математическоймодели, является ее способность отображать с необходимой точностьюхарактеристики исследуемого процесса или объекта при изменении его параметров ивнешних воздействий, то есть адекватность математической модели исследуемомуобъекту или явлению.
Адекватностьподтверждается сравнением результатов, полученных расчетным путем с помощьюматематической модели, с экспериментальными данными, расхождение между которымидля решения поставленных в работе задач не должно превышать 10–18.
Желательнапоэлементная проверка адекватности отдельных элементов и подсистем, на которыеможет быть разбита сложная динамическая система.
5.3.1 Оценка адекватностиматематической модели микрорельефа
Какбыло указано в п. 1.2.3. в настоящее время накоплен обширный материал,описывающий статистические свойства различных типов грунтовых поверхностей. Приоценке адекватности математической модели микрорельефа целесообразно произвестивыбор корреляционной функции, описывающей микрорельеф, а затем провестисравнение параметров aк,bк,sк корреляционнойфункции полученной математической реализации с соответствующими параметрамиреального микрорельефа.
Нарис. 5.3 представлен алгоритм подтверждения адекватности математическоймодели микрорельефа грунта, а в табл. 5.2 – результаты сравнения статистическихпараметров реального и смоделированного микрорельефа.
Таблица5.2. Статистические параметры микрорельефаПараметр Реальный микрорельеф Смоделированный микрорельеф расхождения
aк, с‑1 0,77 0,836 8,6
bк, с‑1 1,35 1,477 9,4
sк, м 0,022 0,024 8,8
Изтабл. 5.2 видно, что расхождения по коэффициенту затухания aк, коэффициентупериодичности bк и среднеквадратическому отклонению sк не превышает10.
5.3.2 Оценка адекватностиматематической модели автогрейдера
Адекватность статической модели автогрейдера, реализуемой на ЭВМпо программе GRADER в соответствии с алгоритмом, структурная схема которогоприведена на рис. 3.9, оценивалась по вертикальному перемещению правойкрайней точки режущей кромки отвала yп при подаче детерминированноговоздействия под элементы ходового оборудования.

/>
Рис. 5.4. Вертикальное перемещение крайней правой точкирежущей кромки отвала при подъеме правого переднего колеса балансирной тележки:1 – теоретическая; 2 – экспериментальная зависимость
На рис. 5.4 в качестве примера приведен график вертикальногоперемещения правой крайней точки режущей кромки отвала yп при подъеме правогопереднего колеса балансирной тележки автогрейдера. При расчете геометрическиепараметры автогрейдера принимались соответствующими автогрейдеру ДЗ‑122А.Угол захвата отвала j=60o. Высота подъема изменялась от 0 до 0.1 м.Анализ расчетной зависимости показал, что она достаточно близко совпадает сэкспериментальной, полученной в результате натурных испытаний. Относительная ошибкасоответствия математической модели ее оригиналу не превышает 4.
Адекватность динамического математического описания автогрейдерабыла оценена сравнительным анализом поперечных угловых колебаний тяговой рамы.Угол наклона тяговой рамы является важной координатой, определяющей поперечныйуклон дорожного полотна. На риc.5.5 приведены переходные процессы углапоперечного наклона тяговой рамы, где 1 – расчетный переходный процесс,полученный при решении численным методом системы уравнений указанной в разд. 3,для исходных данных соответствующих автогрейдеру ДЗ‑122А при j=60o; 2 –переходный процесс, полученный экспериментальным путем при освобождении правогопереднего колеса балансирной тележки, предварительно приподнятого на 0.04 м.Анализ переходных процессов показал, что они имеют сложную динамическую природуи, как указано в работе, могут быть аппроксимированны выражением
/>,
где gо – начальнаяордината; To – период колебаний; – коэффициент затухания аппроксимирующей кривой.
Достигнутая сходимость теоретических и экспериментальныхпереходных процессов достаточна для решения поставленных в работе задач.
/>
Рис. 5.5. Фрагмент переходного процесса колебаний тяговойрамы автогрейдера: 1 – теоретическая; 2 – экспериментальная зависимость
5.4Описание ССО в поперечной плоскости с устройством индикации
Припроведении планировочных работ человек, работающий даже на автоматизированномавтогрейдере с использованием серийных систем управления, руководствуется своимглазомером для контроля достижения заданных геометрических параметров земляногосооружения. Для более точного контроля необходима работа нивелировщиков. Такимобразом количество проходов автогрейдера по обрабатываемому участку дажеавтоматизированного автогрейдера определяется квалификацией обслуживающегоперсонала и является субъективной оценкой. Возникла необходимость разработкисистемы управления РО автогрейдера, дающей оперативную информацию о качествепланировочных работ, в процессе их проведения. Это позволит исключитьнеобоснованные повторные проходы автогрейдера по обрабатываемому участку, чтоповысит производительность планировочных работ.
Наоснове изложенных в п.п. 4.1–4.4 исследований и предложенных алгоритмовработы ССО разработана система предназначенная для стабилизации РО автогрейдерав поперечной плоскости с использованием устройства индикации. Разработанысистемы с различными типами УИ, в виде стрелочных и шкальных индикаторов. УИпредставляет человеку-оператору оперативную информацию о величине отклоненияпоперечного уклона РО от заданного значения.
Системавключает в себя блок управления, датчик поперечного уклона, вспомогательноегидрооборудование.
Системаиспользует датчик поперечного уклона и вспомогательное гидрооборудование,устанавливаемые на серийных автогрейдерах.
Блокуправления представлен на рис. 4.37 и устанавливается в кабинеавтогрейдера. Он может иметь УИ двух типов. Значение заданного уклонаустанавливается задающим потенциометром, выведенным на лицевую панель, и привыполнении планировочных работ его можно регулировать.
Разработанныесистемы были испытаны и получили внедрение в производственных условиях. Системасо стрелочной индикацией внедрена в ТОО «Касли-дорремстрой» г. КаслиЧелябинской области, а система со шкальной индикацией в АО «Омскагропромдорстрой»г. Омск. При испытаниях было достигнуто повышение производительности на 15–20%за счет исключения ненужных повторных проходов по обрабатываемому участку.
5.5Описание ССО в поперечной плоскости и с устройством индикации
Припроведении планировочных работ человек, работающий даже на автоматизированномавтогрейдере с использованием серийных систем управления, руководствуется своимглазомером для контроля достижения заданных геометрических параметров земляногосооружения. Для более точного контроля необходима работа нивелировщиков. Такимобразом количество проходов автогрейдера по обрабатываемому участку дажеавтоматизированного автогрейдера определяется квалификацией обслуживающегоперсонала и является субъективной оценкой. Возникла необходимость разработкисистемы управления РО автогрейдера, дающей оперативную информацию о качествепланировочных работ, в процессе их проведения. Это позволит исключитьнеобоснованные повторные проходы автогрейдера по обрабатываемому участку, чтоповысит производительность планировочных работ.
Наоснове изложенных в п.п. 4.1–4.4 исследований и предложенных алгоритмовработы ССО разработана система предназначенная для стабилизации РО автогрейдерав поперечной плоскости с использованием устройства индикации. Разработанысистемы с различными типами УИ, в виде стрелочных и шкальных индикаторов. УИпредставляет человеку-оператору оперативную информацию о величине отклоненияпоперечного уклона РО от заданного значения.
Системавключает в себя блок управления, датчик поперечного уклона, вспомогательноегидрооборудование.
Системаиспользует датчик поперечного уклона и вспомогательное гидрооборудование,устанавливаемые на серийных автогрейдерах.
Блокуправления представлен на рис. 4.37 и устанавливается в кабине автогрейдера.Он может иметь УИ двух типов. Значение заданного уклона устанавливаетсязадающим потенциометром, выведенным на лицевую панель, и при выполнениипланировочных работ его можно регулировать.
Повышениепроизводительности планировочных работ при применении предложенной ССО и УИожидается около 15–20%.