CC BY
34
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2018, №2, Том 10 / 2018, No 2, Vol 10 https://esj.today/issue-2-2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/65 SAVN218.pdf Статья поступила в редакцию 01.03.2018; опубликована 23.04.2018 Ссылка для цитирования этой статьи:
Илюхин А.В., Марсов В.И., Джабраилов Х.А., Чантиева М.Э. Особенности процессов разработки грунтов землеройно-транспортными машинами // Вестник Евразийской науки, 2018 №2, https://esj.today/PDF/65SAVN218.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Iliukhin A.V., Marsov V.I., Dzhabrailov Kh.A., Chantieva M.E. (2018). Features of soil development processes by digging and transporting machines. The Eurasian Scientific Journal, [online] 2(10). Available at: https ://esj. today/PDF/65SAVN218.pdf (in Russian)
УДК 625.7 ГРНТИ 67.17.15
Илюхин Андрей Владимирович
ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет», Москва, Россия
Заведующий кафедрой Доктор технических наук, профессор E-mail: aviluhin@mail.ru РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=3 31654
Марсов Вадим Израилевич
ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет», Москва, Россия
Профессор кафедры Доктор технических наук E-mail: madiapp@bk.ru
Джабраилов Хизар Абубакарович
ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет», Москва, Россия
Заведующий лабораторией E-mail: hizarmuslim@mail.ru РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=918614
Чантиева Милана Энбековна
ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет», Москва, Россия
Инженер
Кандидат технических наук E-mail: milach84@mail.ru РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=564572
Особенности процессов разработки грунтов землеройно-транспортными машинами
Аннотация. Для обеспечения круглогодичного строительства транспортных сооружений, в зимний период года возникает потребность в предварительной разработке тяжелых и мерзлых грунтов. Многолетнемерзлые грунты занимают около 49 % всей территории страны, а вместе с сезонно мерзлыми грунтами почти 90 %. При этом в северных районах зимний период длится 6...8 месяцев, а глубина мерзлого слоя достигает 2,5 м. Земляные работы по праву считаются одними из самых трудоёмких ввиду того, что на их выполнение затрачивается до 15 % стоимости и до 20 % трудозатрат от общего объёма
строительных работ. На практике в них задействовано 10 % от общего числа рабочих. Мерзлые грунты разрушаются различными способами: механический, термомеханический, газодинамический и т. д., которые обеспечивают разрушение разрабатываемой поверхности для уменьшения их прочностных свойств. Наиболее распространёнными машинами для разрушения твердых грунтов механическим способом являются рыхлители статистического и динамического действия. В статье на основе осуществлённого анализа аналитических зависимостей активных сил рыхления, разработана математическая модель бульдозерного агрегата, которая позволяет выполнить исследования его процесса копания, определить теоретическую эпюру выемки грунта и являться основным элементом системы автоматического регулирования режимов разработки грунтов.
Ключевые слова: математическая модель; копание грунта; бульдозер; автоматическое управление; рабочий орган
Система автоматического управления процессом копания грунта представляет собой замкнутую систему, включающую:
• управляемый объект - «бульдозер - грунт»;
• автоматическое управляющее устройство.
Математическая модель управляемого объекта в этом случае может быть представлена уравнениями движения машинного агрегата (например, бульдозера) и сил сопротивления копанию грунта ЗТМ.
Уравнение движения бульдозера с учетом того, что жесткость элементов конструкции бульдозера не менее чем на четыре порядка превышает аналогичную характеристику грунта [1], имеет вид:
Рт - Ш = т (Лд/^), (1)
Л (ёш Ш) = Мт - Рт, г, (2)
где: Рт - суммарная движущая сила бульдозерного агрегата; Ш - полное сопротивление при копании грунта; I - время;
т - масса бульдозерного агрегата; ^ - действительная скорость бульдозерного агрегата;
Ji, Шг, Мщ, Ртг, г, - момент инерции, угловая скорость, вращающий момент, движущая сила и радиус качения г-го движителя.
Суммарная движущая сила бульдозерного агрегата равна:
Р =У Р
Р ^ р (3)
Движущая сила г-го движителя:
Ртг = ф(5г), (4)
где: 5г - коэффициент буксования г-го движителя. Коэффициент буксования ьго движителя равен:
5г = (Утг - Уд)/Утг, (5)
где: утг - теоретическая скорость движения бульдозера.
Вестник Евразийской науки 2018, №2, Том 10 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2018, No 2, Vol 10 https://esi.today
Теоретическую скорость движения бульдозера, с учетом того, что радиус качения гусеничного хода является постоянным, можно считать линейной функцией числа оборотов двигателя:
Vт = (лГк1-П)/301П, (6)
где: n - число оборотов вала двигателя;
in - общее передаточное число трансмиссии на данной передаче; Гк1 - радиус качения i-го движителя.
Угловая скорость i-го движителя определяется выражением
Oi = ^гю-. (7)
Вращающий суммарный момент движителей согласно [1] можно считать линейной функцией крутящего момента двигателя
Мд = Мдв^Л, (8)
где: Мдв - крутящий момент двигателя;
ц - общий КПД всех передач между двигателем и движителем.
Полное сопротивление движению бульдозерного агрегата согласно [2] можно определить по формуле
W = KBh + Упру Упр + Упру /гм cos2ß + Of, (9)
где: К - удельное сопротивление грунта лобовому резанию; В - ширина отвала бульдозера;
h - глубина резания в процессе перемещения призмы грунта;
Упр - фактический объем призмы волочения в плотном теле;
у - объемный вес грунта в плотном теле;
/пр - коэффициент сопротивления перемещению;
ß - угол резания;
/гм - коэффициент трения грунта по металлу; O - суммарный вес бульдозерного агрегата;
/ - коэффициент сопротивления перемещению бульдозерного агрегата. Объем призмы волочения через время t можно вычислить по формуле
Гпр = В ¡кУд dt (10)
о
Совместное решение уравнений (9) и (10) позволяет получить полное сопротивление движению бульдозерного агрегата при копании грунта в следующем виде:
г
Ж = ХБк + О/ + АВ | к* А (11)
о ,
где: А - постоянная величина.
Приведенная система уравнений (1)...(8) и (11) позволяет описать достаточно точно процесс копания грунта бульдозером. После соответствующих преобразований и введения упрощающих допущений могут быть выполнены необходимые теоретические исследования с помощью современных средств вычислительной техники.
С помощью приведенных уравнений можно, например, определить теоретическую эпюру выемки грунта при копании, которая может служить критерием оптимальности при дальнейших исследованиях.
Преобразовав уравнение (1) с учетом выражения (11), получим основное уравнение движения бульдозера при копании грунта:
dv
PT = KBh - Gf - ABj hvRdt = m(12)
0
Уравнение (12) необходимо решить раздельно для участка заглубления и выглубления отвала бульдозера.
По мере заглубления суммарная движущая сила Рт, развиваемая движителями, возрастает и достигает величины Рт max, соответствующей оптимальному режиму работы движителя [2]. Этот момент следует считать концом заглубления. При этом глубина резания
h hmax.
После достижения hmax необходимо производить постепенное выглубление отвала таким образом, чтобы поддерживать постоянной суммарную движущую силу Рт max.
После дифференцирования уравнения (12) с учетом того, что при выглублении отвала действительная скорость бульдозера будет постоянной, получаем:
dh/dt + (A/K)h = 0. (13)
Решение этого уравнения имеет вид
t
h = h e (14)
max
где: t = К/А - постоянная времени участка выглубления.
Максимальная глубина резания определяется из выражения (12) при t = 0 и Рт = Рт max:
hmax = (Рт max - Gf)/KB. (15)
При транспортировке грунта часть призмы волочения переходит в боковые валики, поэтому для компенсации этих потерь необходимо процесс копания закончить при величине заглубления равной [2]:
h1 = (KV^/B, (16)
где: К1 - коэффициент, зависящий от свойств грунта.
Таким образом, полученная математическая модель позволяет выполнить исследования процесса копания бульдозером, определить теоретическую эпюру выемки грунта и являться основным элементом системы автоматического регулирования режимов разработки грунта землеройно-транспортными машинами [6].
Исследуя работы по автоматизации дорожно-строительных машин, в частности, бульдозеров, можно сделать вывод, что большинство известных разработок обеспечивают автоматизацию только процесса профилирования, исключая процесс копания [9]. Так, известная система «Автоплан-1» с целью повышения планирующих свойств бульдозера стабилизирует угловое положение его толкающего бруса, а система «Автоплан-2» в дополнение к этому защищает двигатель от перегрузки. Система «Комбиплан-10 и» может работать в двух режимах: автономном как система «Автоплан» и копирном, при котором положение отвала бульдозера по высоте и перекосе сохраняется по направленному лазерному лучу.
В процессе копания грунта система автоматического управления бульдозером должна решать иные задачи, а именно, обеспечивать реализацию свободной максимальной мощности
дизеля с ограничением по максимально допустимой устойчивой силе тяги [5, 10]. Для реализации такой автоматизированной системы может служить двухконтурная САУ рабочим органом бульдозера. Один контур должен поддерживать заданную свободную мощность дизеля при копании путем автоматического управления заглублением рабочего органа в функции угловой скорости вала дизеля бульдозера [6, 7]. Другой контур при буксовании движителей бульдозера выше оптимального значения принудительно должен выглублять рабочий орган в функции коэффициента буксования независимо от величины угловой скорости вала дизеля.
Алгоритм управления (рис. 1), реализующий данный способ управления, был отлажен в системе, построенной на базе микроЭВМ. В памяти программ микроконтроллера записываются двоичные коды, пропорциональные периоду измерения Ти, зонам нечувствительности величины рассогласования угловой скорости вала дизеля Ашо, буксования движителя А50, величине оптимального коэффициента буксования (5о = 10 % для гусеничных движителей), скважности импульсов управляющего сигнала в функции сигналов рассогласования Аш и А5 согласно выбранному закону управления.
Величина заданного значения угловой скорости дизеля устанавливается оператором во время пробных заездов и вводится в память данных с пульта управления [3. 4]. Кроме того, оператор вводит величина время копания, обеспечивающую автоматическое окончание процесса копания.
При выполнении системы осуществляется ввод величины времени процесса копания и заданного значения угловой скорости дизеля Шо (блок 2).
Рисунок 1. Алгоритм управления
Алгоритм построен на основе последовательного измерения текущих угловых скоростей вала дизеля Шд, звездочки Шз и свободно-катящегося колеса Шк, многократно повторяющиеся циклы измерения, что существенно повышает точность измерений (блок 3). При этом в каждом цикле корректируется длительность управляющего сигнала.
Блоки 4, 5 вычисляют коэффициенты буксования движителей 8i, сигнал рассогласования по буксованию Д5 = 8/ - 5о с зоной нечувствительного контура буксования А5о и с помощью блока 10 обеспечивают приоритетное выглубление отвала бульдозера при буксовании движителей выше оптимального значения 5о независимо от величины угловой скорости вала дизеля.
Блоки 6, 7, 8, 9, 10 обеспечивают управление отвалом бульдозера в функции угловой скорости вала дизеля при условии, что буксование движителей не больше оптимального.
Блок 11 сравнивает установленный параметр окончания копания ^о с его текущим значением t^ При выполнении условия ^ > t^ блок 12 заканчивает автоматический процесс копания и передает управление оператору.
Таким образом, система автоматического управления отвалом бульдозера при копании должна быть двухконтурной [8]. Первый контур поддерживает заданную движущую силу бульдозера в процессе копания путем автоматического управления заглублением отвала в функции угловой скорости вала дизеля. При излишнем буксовании двигателя, второй контур САУ принудительно выглубляет отвал в функции коэффициента буксования двигателя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Холодов А.М. Основы динамики землеройно-транспортных машин. М., Машиностроение, 1968.
2. Алексеева Т.В., Артемьев К.А., Бромберг А.А. и др. Дорожные машины. Часть 1. Машины для землеройных работ. М., Машиностроение, 1972.
3. Сердобов, В.Б. Архитектура и строительство: монография / Д.И. Назаров, В.Б. Сердобов. - Красноярск: Научно-инновационный центр. - 2011. - 74 с.
4. Сердобов, В.Б. Исследование рыхления грунтов криолитозоны / В.Б. Сердобов, И.К. Растегаев // Применение природосберегающих технологий в условиях холодных регионов: материалы IX Международного симпозиума по развитию холодных регионов, 1-5 июня 2010 г. - Якутск: ЯНЦ СО РАН. - 2010. - С. 159.
5. Сердобов, В.Б. Результаты полевых исследований рыхления грунтов в зимний период по установлению глубины плавания / В.Б. Сердобов, И.К. Растегаев // Проблемы совершенствования конструкции строительных, дорожных, коммунальных и аэродромных машин: материалы международного семинара. -М.: МАДИ, 2013. - С. 72-76.
6. Гришин, А.А. Анализ развития методов и машин для разработки тяжелых и мёрзлых грунтов / А.А. Гришин, А.Ф. Тихонов // Механизация строительства. -2011. - № 8. - С. 28-30.
7. Гришин, А.А. Задачи автоматизации магнитострикционных виброрыхлителей для разработки тяжелых и мерзлых грунтов / А.А. Гришин // Технология колесных и гусеничных машин. - 2012. - № 2(2). - С. 40-43.
8. Абдулханова, М.Ю. Интегрированные системы автоматизации промышленных предприятий / М.Ю. Абдулханова, Р.А. Гематудинов, М.Э. Чантиева // Вестник Московского автомобильно - дорожного государственного технического университета (МАДИ). - 2010. - № 3. - С. 103-108.
9. Шарапова И.К. Сравнительный анализ эффективности эксплуатации автомобилей, работающих на различных видах энергоносителей / И.К. Шарапова, В В. Гулый // Грузовик. - 2014. - № 4. - С. 36-40.
10. Сердобов, В.Б. О глубине «плавания» рабочего органа рыхлителя статического действия / В.Б. Сердобов, И.К. Растегаев // Международный семинар «Проблемы совершенствования конструкции строительных, дорожных, коммунальных и аэродромных машин»: тезисы докладов. - М.: МАДИ, 2011. - С. 84-87.
Iliukhin Andrei Vladimirovich
Moscow automobile and road construction state technical university, Moscow, Russia
E-mail: aviluhin@mail.ru
Marsov Vadim Izrailevich
Moscow automobile and road construction state technical university, Moscow, Russia
E-mail: madiapp@bk.ru
Dzhabrailov Khizar Abubakarovich
Moscow automobile and road construction state technical university, Moscow, Russia
E-mail: hizarmuslim@mail.ru
Chantieva Milana Enbekovna
Moscow automobile and road construction state technical university, Moscow, Russia
E-mail: milach84@mail.ru
Features of soil development processes by digging and transporting machines
Abstract. To ensure the year-round construction of transportation facilities, during the winter season, there is the need for preliminary development of heavy and frozen soils. Permafrost soils occupy about 49 % of the entire territory of the Russian Federation, and together with seasonal frozen soils accounts for almost 90 %. At the same time in the northern regions of the country the winter period last for about 6...8 months, and the depth of the frozen layer reaches 2.5 m. Excavation is considered to be one of the most time consuming, in view of the fact that it carries up to 15 % of the cost, and up to 20 % labor costs from the total amount of construction work. In practice, 10 % of the total workers are employed mainly to carry out these types of jobs. Frozen soils are being excavated in various ways namely: mechanically, thermo-mechanically, gas-dynamically, etc., which ensure the destruction of the soil surfaces being developed to reduce their strength properties. The most common machines for breaking solid soils mechanically are statistical and dynamic rippers. In this article, based on the analysis of the analytical dependants of the active loosening forces, a mathematical model of the bulldozer machine is developed, which allows to carry out studies of its excavating processes, to determine the theoretical relationships of excavation, which is the main element of the automatic control system for soil development phases.
Keywords: mathematical model; soil digging; bulldozer; automatic control; working unit
