CC BY
32
Машиностроение U компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278 УДК 621.879.3
Оценка влияния динамических характеристик на работу машинного агрегата с гидроприводом
Терентьева А.Д. ' t erentv eva adig amail. com
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
В настоящее время в России в широких масштабах ведется строительство газо- и нефтепроводов, прокладка коммуникаций в гражданском строительстве. Для выполнения строительных работ в указанных условиях необходимо применять высокоточные строительные машины, оборудованные системами автоматизированного управления. Одноковшовые экскаваторы занимают свою нишу в производстве этих работ в связи с их универсальностью и возможностью использования для решения различных строительных задач.
Для получения практических рекомендаций по повышению точности работ, производимых одноковшовыми экскаваторами, разработана математическая модель рабочего механизма, позволяющая учитывать точностные характеристики звеньев рабочего механизма, а также неопределенность силы резания. Разработанная математическая модель позволяет оценить влияние динамических характеристик и явлений запаздывания гидропривода на работу экскаватора и на точность положения режущей кромки ковша экскаватора.
Ключевые слова: одноковшовый экскаватор, математическая модель, система управления, циклограмма, сила резания, точность
Введение
В настоящее время в России в гражданском строительстве существует необходимость рытья траншей для прокладки коммуникаций: газовых, телефонных и электрических сетей, водопровода и канализации, нефтепроводов и других.
В стесненных условиях производства работ при точечной застройке необходимо применять высокоточные строительные машины. Наиболее универсальным средством механизации труда являются одноковшовые экскаваторы с гидроприводом, которыми выполняется до 38% земляных работ в строительстве. Поэтому совершенствование одноковшовых экскаваторов, направленное на улучшение их технических характеристик и на повышение точности выполнения работ, играет важную роль для машиностроительных предприятий-разработчиков таких средств механизации [1 - 4].
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 04. С. 1-12.
Б01: 10.24108/0418.0001354
Представлена в редакцию: 25.03.2018
© НП «НЭИКОН»
1. Анализ проблем точности копания одноковшовыми экскаваторами
Существующие в России строительные нормы и правила диктуют высокие требования к точности производства земляных работ. Допускаются недоборы грунта в основании земляных сооружений, разрабатываемых экскаваторами, не более 0,05 м [5]. Увеличение выборки грунта, в свою очередь, не допускается ввиду того, что укладка труб должна производиться на грунт ненарушенной структуры.
Для реализации установленных требований необходимо точно оценивать положение рабочего механизма экскаватора и прокладываемой траншеи, что позволит повысить точность процесса копания. Анализ процесса копания грунта при ручном управлении рабочим механизмом показывает, что оператор осуществляет рабочие операции несвоевременно. Эту проблему возможно решить введением средств автоматизации в устройство управления.
Современные системы мониторинга строительных работ осуществляют непрерывный автоматический контроль параметров оборудования, процессов работы, объема выполненных работ и режимов работы экскаватора [6 - 10]. Однако, для эффективной работы автоматизированной системы управления необходимо создать математическую модель исследуемого устройства для процесса копания. Исследование закономерностей, связывающих показатели рабочих процессов и параметры системы управления, позволяет повысить эффективность работы одноковшовых экскаваторов.
Выбор метода управления рабочим органом экскаватора должен быть основан на знании динамических свойств машины, а также статистических характеристик случайных возмущений, действующих на нее. Основное направление автоматизации одноковшового экскаватора - это управление рабочим органом с целью обеспечения требований к геометрической точности дна траншеи.
Точная оценка положения одноковшового экскаватора и прокладываемой траншеи при производстве землеройных работ необходима по причине наличия большого числа ранее проложенных коммуникаций вокруг вновь прокладываемых. Уже существующие коммуникации при неправильной (неточной) прокладке новых коммуникаций легко повредить, а значит принести ущерб, что недопустимо.
На точность копания грунта рабочим механизмом экскаватора оказывает влияние множество различных факторов - точность управления, зависящая от оператора в ручном режиме управления экскаватором или от системы управления при автоматизированном управлении, и запаздывание любого из вариантов управления [4]. Также существенное влияние оказывают характеристики грунта, неровности поверхности, допускаемые погрешности при работе механизмов гидроцилиндров.
2. Построение математической модели рабочего механизма экскаватора
Наиболее полное представление о характеристиках машины как объекта управления дает исследование математических моделей, полученных путем обобщения эксперимен-
тальной информации о показателях рабочих процессов. Моделирование проводилось для отечественного гусеничного экскаватора ЧЕТРА ЭГП-230.
Рабочий механизм экскаватора представляет собой замкнутую систему последовательно соединенных одноподвижных групп. Геометрический анализ кинематической цепи рабочего органа экскаватора выполнен с использованием имитационного моделирования в среде МАТЬАВ. Изменения положений звеньев задается функциями положения.
Плоская модель механизма копания грунта одноковшовым экскаватором в каждый момент времени описывает продольный профиль малого участка траншеи. Положение рабочего механизма, а также исходный и обработанный профили грунтовой поверхности характеризуются только координатами вдоль осей х и у. Плоская модель на основе структурно-кинематических связей позволяет исследовать характерные конструктивные особенности рабочего механизма [11]. Кинематическая схема рабочего механизма представлена на рисунке 1.
8 5 1
Рис. 1. Кинематическая схема рабочего механизма: 1 - стрела; 2 - рукоять; 3 - ковш; 4,5,6 - гидроцилиндры;
7,8,9 - штоки гидроцилиндров; 10 - тяга; 11 - коромысло
Таким образом кинематическая схема плоского рабочего механизма экскаватора с числом подвижностей Ж=3 имеет три обобщенных координаты входного воздействия и три координаты выходного воздействия и условно может быть представлена в виде связанной системы управления (рисунок 2).
(5и 52, -У /$и Б2, -У ($,, 5?у
Рис. 2. Условное представление схемы рабочего механизма экскаватора
Построение математической модели рабочего механизма экскаватора невозможно без учета динамических явлений в системе рабочего механизма, то есть явлений в гидроцилиндрах. Для адекватной оценки возможных погрешностей копания траншеи рабочим органом экскаватора при построении математической модели, учитывающей динамические явления в системе рабочего механизма, помимо геометрии кинематической цепи необходимо учитывать зависимость ее параметров от времени [12, 13]. Данные параметры представлены обобщенными координатами, являющимися функциями от времени, ^ = •КО, $2 = ¿2(0, 5з = ^3(/). Зависимость обобщенных координат от времени обуславливает появление рассогласования между входным и выходным сигналами, что и определяет появление погрешности системы гидропривода [4].
Фактическая задача определения влияния запаздывания от системы гидропривода представляет собой задачу об исследовании динамики системы с переменными массами. Для упрощения расчетов задачу решаем методом дискретизации. Ввиду того, что процесс копания рассматривается как процесс перехода из одного дискретного состояния в другое, радиус кривизны траектории звеньев представлен в виде ломаной линии.
Запаздывание рассматривается на каждом этапе отдельно по той обобщенной координате, которая изменяется в данный момент. Циклограмма рабочего процесса представлена на рисунке 3.
Обобщенная координата 1 2 3 4 5 6 1
$
5
Рис. 3. Циклограмма рабочего процесса
В процессе копания траншеи по циклограмме на рисунке 3 можно выделить этапы, когда возможен процесс несвоевременного заглубления либо выглубления ковша, а значит возможно появление дополнительной составляющей погрешности - погрешности от динамических свойств гидропривода - помимо геометрической погрешности копания. При контакте режущей кромки ковша 3 с поверхностью дна траншеи возможно получение дополнительной погрешности, обусловленной динамическими свойствами гидропривода, при изменении обобщенной координаты на этапе 5 и при изменении обобщенной координаты на этапе 6. Изменение обобщенной координаты на точность процесса копания не влияет, так как при непосредственном контакте с грунтом на дне траншеи изменения этой обобщенной координаты не происходит. Формирование продольного профиля дна разрабатываемой траншеи происходит непосредственно на этапе 6, а значит изменение обобщенной координаты может оказывать наибольшее влияние на вносимые погрешности положения дна траншеи.
Процесс копания с учетом введенных в расчеты упрощений рассматривается как процесс с одной степенью свободы: в каждый момент времени изменяется только одна обобщенная координата. При изменении обобщенной координаты 53 остальные обобщенные координаты не изменяются, что позволяет считать звенья, не связанные с обобщенной координатой s3, условно неподвижными.
Для определения возможного запаздывания гидропривода и, как следствие, избыточного перемещения штоков гидроцилиндров необходимо знать реакции в штоках и в кинематических парах рабочего механизма экскаватора. Данный расчет проводится методами кинетостатики, но предварительно доказана возможность их применения. В качестве доказательства было определено, что для выбранных обобщенных координат механизм имеет одну подвижность Ж=1. Для каждой из обобщенных координат 53 часть механизма на основании расчетов действительно имеет одну подвижность, а значит движение указанной части механизма полностью определяется изменением обобщенной координаты. Избыточных связей нет, деформация звеньев отсутствует. Для определения нагрузки, передаваемой на шток гидроцилиндра можно воспользоваться методами кинетостатики.
Расчет избыточного перемещения штоков гидроцилиндров рабочего механизма экскаватора производится по циклограмме рабочего процесса, представленной на рисунке 3, применением пакета прикладных программ МАТЬАВ и реализован на одноименном языке программирования. Поскольку предполагается работа экскаватора в стесненных условиях для гражданского строительства, а значит рыхлые песчаные почвы и крепкие глиняные и сланцевые почвы маловероятны, для расчетов в качестве примера выбран тип почвы: суглинок крепкий; глина средняя, крепкая, влажная или разрыхленная; очень мягкие аргиллиты и алевролиты; уголь очень мягкий, рыхлый.
3. Оценка влияния динамических характеристик на работу экскаватора
Проведенный расчет динамических характеристик позволяет оценить возможное отклонение входных обобщенных координат, которые задаются перемещением штоков гидроцилиндров рабочего механизма, от теоретического значения, задаваемого на штоки гидроцилиндров управляющим воздействием. Результаты указанных расчетов выводятся для обобщенной координаты 53 ввиду того, что при перемещении именно вдоль этой обобщенной координаты происходит формирование продольного профиля дна траншеи, а при неточном производстве этих работ операции заглубления или выглубления ковша рабочего механизма могут быть выполнены несвоевременно. Расчет производится для этапа 6 циклограммы рабочего процесса при значениях обобщенных координат 51=0, 52 =0. Результаты аналогичных расчетов положения режущей кромки ковша экскаватора с учетом динамических характеристик для перемещения вдоль обобщенной координаты 52 не приводятся, поскольку на этом этапе рабочего процесса согласно циклограмме не происходит формирования продольного профиля дна траншеи. Результаты отклонения положений обобщенной координаты 53 с учетом динамических характеристик рабочего механизма экскаватора от теоретических их положений представлены на рисунке 4.
Рис. 4. Отклонения положений обобщенной координаты 5д с учетом динамических характеристик рабочего
механизма от теоретических значении
Кроме того, с учетом указанных погрешностей положения штока гидроцилиндра ковша (обобщенная координата 53) можно также оценить влияние обобщенной координаты входного воздействия 53 на координаты выходного воздействия х, у, у. Для оценки влияния погрешностей положения обобщенной координаты входного воздействия 53 на выходное воздействие необходимо задаться изменением указанной обобщенной координаты входного воздействия на каждую из трех координат х, у, у выходного воздействия для положений, получаемых с учетом динамических характеристик рабочего механизма экскаватора.
В ходе дальнейших расчетов исследовано влияние приведенных на рисунке 4 отклонений положений обобщенной координаты 53 по времени с учетом динамических характеристик рабочего механизма на значения выходных обобщенных координат х, у, у рабочего механизма. Результаты представлены на рисунке 5. Для наглядности на рисунки нанесены теоретические (расчетные) величины для координат выходного воздействия х, у, у. Теоретические величины координат выходного воздействия на рисунках обозначены 1, а величины обобщенных координат с учетом динамических характеристик - 2.
а) б)
0 2 4 6 6
в)
Рис. 5. Отклонения выходных обобщенных координат х, у, у в зависимости от изменения времени для теоретических значений и с учетом динамических характеристик: а) - координата х; б - координата у;
в - координата у
Как видно из представленных рисунков 4, 5, значения обобщенных координат входного и выходного воздействия с учетом динамических характеристик рабочего механизма и возможного запаздывания гидропривода могут значительно отличаться от теоретических положений, что неизбежно приводит к несовершенствам производства земляных работ и является еще одним источником погрешностей отклонений формы продольного профиля дна траншеи.
При учете динамических характеристик рабочего механизма к концу этапа 6 циклограммы рабочего процесса разница между заданным и получаемым положениями составляет 0,0892 м.
Погрешность системы гидропривода является динамической характеристикой, она зависит от скоростного и силового режима работы гидроцилиндра. При моделировании погрешность удобно рассматривать как сумму погрешностей от запаздывания гидропривода и от избыточного перемещения штоков гидроцилиндров. То есть, зависимость погрешности от динамических характеристик гидропривода может быть определена следующим образом:
А дин = Д1 + А 2
где Адин - погрешность от динамических характеристик гидропривода; Д1 - погрешность от избыточного перемещения штоков гидроцилиндров; Д2 - погрешность от запаздывания гидропривода.
Погрешность Д2 от запаздывания гидропривода рассчитывается для среднего времени запаздывания с учетом данных предыдущих исследований [4]. С учетом всего вышесказанного суммарная погрешность положения режущей кромки ковша рабочего механизма
д дин = д1 + а 2 = 0,1176 м. Полученное значение превышает требуемое значение 0,05 м более чем в два раза.
Заключение
Для оценки максимальной погрешности положения режущей кромки ковша рабочего механизма экскаватора были взяты максимальные значения параметров для оценки наибольшего ущерба из-за подачи несвоевременных сигналов о заглублении либо выглуб-лении ковша, что приводит к необходимости доделочных работ по выравниванию дна траншеи.
Погрешность положения режущей кромки рабочего органа экскаватора в низшей точке копаемой траншеи (при максимальной нагрузке на рабочий орган) определяется на основании траекторий возможных положений с учетом динамических характеристик и явлений запаздывания гидропривода. Максимальное возможное отклонение с учетом погрешностей изготовления звеньев кинематической цепи рабочего механизма, возможного отклонения штоков гидроцилиндров и динамических характеристик превышает предписываемое СНиП значение на 235%, то есть примерно в 2,4 раза.
Иными слова, соответствие всех звеньев техническим требованиям не гарантирует соблюдения требуемой точности перемещения выходного звена кинематической цепи, а значит недобор грунта в основании траншеи может превысить требуемое значение 0,05 м.
Список литературы
1. Зеленин А.Н., Баловнев В.И., Керов И.П. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975. 422 с.
2. Павлов В.П. Методология автоматизированного проектирования рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов: дис. ... докт. техн. наук. Красноярск, 2011. 349 с.
3. Шеховцова Д.А. Методика определения погрешности информационно-измерительных устройств для системы управления глубиной копания одноковшовым экскаватором // Вестник Сибирской гос. автомобильно-дорожной акад. (СибАДИ). 2014. № 3(37). С. 34-39.
4. Щербаков В.С., Сухарев Р.Ю. Совершенствование системы управления рабочим органом цепного траншейного экскаватора. Омск: СибАДИ, 2011. 152 с. Режим доступа: http://bek.sibadi.org/fulltext/epd303.pdf (дата обращения 21.12.2017).
5. Подчасов Е.О., Терентьева А.Д. Анализ возможности применения одноковшового экскаватора при прокладке коммуникаций // Фундаментальные и прикладные задачи механики: Междунар. науч. конф., посвященная 170-летию со дня рождения великого русского ученого Н.Е. Жуковского (Москва, 24-27 октября 2017 г.): Тезисы докл. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. С. 141-142.
6. Мещеряков В.А. Адаптивное управление рабочими процессами землеройно-транспортных машин: дис. ... докт. техн. наук. Омск, 2007. 304 с.
7. Meshcheryakov V.A., Denisov I.V. Operation algorithm of adaptive network-based fuzzy control system for a jib crane // Automation and Remote Control. 2013. Vol. 74. No. 8.
Pp. 1393-1398. DOI: 10.1134/S0005117913080158
8. Терентьева А.Д. Анализ точности перемещения рабочего органа одноковшового экскаватора // Теория механизмов и машин. 2016. Т. 14. № 4(32). С. 217-228.
DOI: 10.5862/TMM.32.6
9. Danko G.L. Loading excavator analysis for trajectory control improvement // IFAC Proc. Volumes. 2013. Vol. 46. No. 16. Pp. 134-141. DOI: 10.3182/20130825-4-US-2038.00108
10. Huiyi Hu, Feng Ding. An iterative least squares estimation algorithm for controlled moving average systems based on matrix decomposition // Applied Mathematics Letters. 2012. Vol. 25. No. 12. Pp. 2332-2338. DOI: 10.1016/j.aml.2012.06.027
11. Подчасов Е.О., Терентьева А.Д. Анализ точности работ, производимых рабочим механизмом одноковшового экскаватора // Инженерный журнал: наука и инновации. 2017. № 8(68). DOI: 10.18698/2308-6033-2017-8-1654
12. Huafeng Ding, Lei Han, Wenjian Yang, Chuan Wu. Kinematics and dynamics analyses of a new type face-shovel hydraulic excavator // Proc. of the Institution of Mechanical Engineers. Pt. C: J. of Mechanical Engineering Science. 2017. Vol. 231. No. 5. Pp. 909-924.
DOI: 10.1177/0954406215625675
13. Vahdatikhaki F., Hammad A., Siddiqui H. Optimization-based excavator pose estimation using real-time location systems // Automation in Construction. 2015. Vol. 56. Pp. 76-92.
DOI: 10.1016/j.autcon.2015.03.006
Mechanical Engineering and Computer Science, 2018, no. 04, pp. 1-12.
DOI: 10.24108/0418.0001354
Received: 25.03.2018
Mechanical Engineering & Computer Science
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278 © NP "NEICON"
Impact Assessment of Dynamic Characteristics on the Hydraulic Driven Machinery Operation
A.D. Terenteva ' t erentv eva a dig amail. com
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: shovel excavator, mathematical model, control system, cyclogram, cutting force, accuracy
In civil engineering in Russia, trenching for utilities is currently under digging. To perform such works, it is necessary to use high-precision construction machinery, because inaccurate performance of works can lead to the break down of existing utilities, thereby affecting the residents of nearby houses and demanding the additional works for renewal.
The most universal labour saver to perform construction works is hydraulic driven single-bucket excavators, which provide up to 38% of works. Therefore, to improve technical characteristics that affect the accuracy of the work performed is an important task.
High requirements for the performance of works are defined by existing construction regulations: an allowable soil layer to remain is at most 0.05 m. To fulfil such requirements, an exact assessment of the working mechanism position and a trench profile is necessary.
Examination of a manually operated digging process shows that an operator provides operations untimely, however an automated control system can solve this problem. Dynamic phenomena in the working mechanism have the greatest impact on the accuracy of the works performed.
To assess the bucket digging edge position accuracy, a mathematical model of the working mechanism has been created. Based on the cycle scheme of the working process, the excessive displacements of the hydraulic cylinder rods under the load are taken into account. By the end of the cycle, the difference between the specified and obtained positions along the vertical coordinate has been 0.0892 m.
A dynamic error of the hydraulic drive system of the working mechanism is considered as a sum of the error due to excessive displacements of the hydraulic cylinder rods and the error due to delay of the hydraulic drive, with the latter being calculated for the average time of delay taking into account the data available in the literature. The total error of the bucket digging edge position of the working mechanism is 0.1176 m, which is 2 times more than the value of 0.05 m
Conformity of all the links with specification requirements does not guarantee compliance with the required displacement accuracy of the bucket digging edge, and, thus, the soil layer to remain in the base of the trench can exceed the regulated value of 0.05 m.
References
1. Zelenin A.N., Balovnev V.I., Kerov I.P. Mashiny dlia zemlianykh rabot [Earth-moving machines]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1975. 422 p. (in Russian).
2. Pavlov V.P. Metodologiia avtomatizirovannogo proektirovaniia rabochego oborudovaniia odnokovshovykh ekskavatorov. Doct. diss. [Methodology of computer-aided design of working equipment shovels. Doct. diss.]. Krasnoyarsk, 2011. 349 p. (in Russian).
3. Shekhovtsova D.A. Method of determination of inaccuracy of informative and measuring devices for system managing digging depth of a bucket excavator. Vestnik Sibirskoj gosudarstvennoj avtomobil'no-dorozhnoj akademii (SibADI) [Vestnik SibADI], 2014, no. 3(37), pp. 34-39 (in Russian).
4. Shcherbakov V.S., Sukharev R.Yu. Sovershenstvovanie sistemy upravleniia rabochim organom tsepnogo transhejnogo ekskavatora [Improving the working body of the control system of the chain trencher]. Omsk: SibADI Publ., 2011. 152 p. Available at: http://bek.sibadi.org/fulltext/epd303.pdf, accessed 21.12.2017 (in Russian).
5. Podchasov E.O., Terent'eva A.D. Analiz vozmozhnosti primeneniia odnokovshovogo ekskavatora pri prokladke kommunikatsij [Analysis of power shovel usage possibility for lying pipeline]. Fundamental'nye i prikladnye zadachi mekhaniki: Mezhdunarodnaia nauchnaia konferentsiia, posviashchennaia 170-letiyu velikogo russkogo uchenogo N.E. Zhukovskogo [Intern. scientific conf. «Fundamental and applied problems of mechanics»: FAPM-2017, dedicated to the 170th anniversary of a distinguished Russian scientist N.E. Zhukovsky (Moscow, October 24-27th, 2017)]: Abstracts. Moscow: BMSTU Publ., 2017. Pp. 141-142 (in Russian).
6. Meshcheriakov V.A. Adaptivnoe upravlenie rabochimi protsessami zemlerojno-transportnykh mashin. Doct. diss. [Adaptive management workflows earthmovers. Doct. diss.]. Omsk, 2007. 304 p. (in Russian).
7. Meshcheriakov V.A., Denisov I.V. Operation algorithm of adaptive network-based fuzzy control system for a jib crane. Automation and Remote Control, 2013, vol. 74, no. 8, pp. 1393-1398. DOI: 10.1134/S0005117913080158
8. Terent'eva A.D. Precision analysis movements working device of shovel excavator. Teoriia mekhanizmov i mashin [Theory of Mechanisms and Machines], 2016, vol. 14, no. 4(32), pp. 217-228. DOI: 10.5862/TMM.32.6 (in Russian)
9. Danko G.L. Loading excavator analysis for trajectory control improvement. IFAC Proc. Volumes,, 2013, vol. 46, no. 16, pp. 134-141. DOI: 10.3182/20130825-4-US-2038.00108
10. Huiyi Hu, Feng Ding. An iterative least squares estimation algorithm for controlled moving average systems based on matrix decomposition. Applied Mathematics Letters, 2012, vol. 25, no. 12, pp. 2332-2338. DOI: 10.1016/j.aml.2012.06.027
11. Podchasov E.O., Terent'eva A.D. Accuracy analysis of earthworks performed by shovel working mechanism. Inzhenernyj zhurnal: nauka i innovatsii [Engineering J.: Science and Innovation], 2017, no. 8(68). DOI: 10.18698/2308-6033-2017-8-1654 (in Russian)
12. Huafeng Ding, Lei Han, Wenjian Yang, Chuan Wu. Kinematics and dynamics analyses of a new type face-shovel hydraulic excavator. Proc. of the Institution of Mechanical Engineers, Pt. C: J. of Mechanical Engineering Science, 2017, vol. 231, no. 5, pp. 909-924.
DOI: 10.1177/0954406215625675
13. Vahdatikhaki F., Hammad A., Siddiqui H. Optimization-based excavator pose estimation using real-time location systems. Automation in Construction, 2015, vol. 56, pp. 76-92.
DOI: 10.1016/j.autcon.2015.03.006
