CC BY
53
РАЗДЕЛ I
ТРАНСПОРТ. ТРАНСПОРТНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
УДК 681.31
ПОСТРОЕНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДВУХБАЛОЧНОГО МОСТОВОГО КРАНА
А. Л. Ахтулов, Л. Н. Ахтулова, О. М. Кирасиров, В. А. Машонский
Аннотация. В статье рассмотрены основные вопросы динамики двухбалочных мостовых кранов и предложена имитационная модель, созданная в подсистеме БттвоЬапюз программного пакета МайаЬ.
Ключевые слова: мостовой кран, динамика, БттвоЬап 'юз, имитационная модель.
При проектировании мостового крана, необходимо учитывать процесс передвижения мостового крана с учетом динамических характеристик, т.к. элементы передвижения, такие как: подкрановые балки, рельсы, ходовые колеса и т.д. подвергаются повышенному износу, а металлоконструкция моста крана дополнительным
динамическим нагрузкам, определение оптимального режима работы электродвигателя, позволяет добиться лучших технических показателей [1].
Пространственная обобщенная расчетная схема мостового крана может быть представлена, в виде естественных звеньев (рис.1):
Рис. 1. Обобщенная расчетная схема двухбалочного мостового крана
- мост крана т-ь включающий в себя массу двух главных и концевых балок, кабины, части электрооборудования и ходовых колес;
- тележка крана с массой т2, включающая в себя массу электрооборудования;
- тросовая подвеска с крюковой обоймой и грузом массой т3
Для упрощения математической модели, примем следующие допущения:
- учитывая жесткость металлоконструкции крана, система состоит из абсолютно твердых тел.
- поверхность рельс идеально ровная, т.к.
для двухбалочных мостовых кранов применя-
ются рельсы: КР-70 КР-140, согласно [2], максимальное отклонение от прямолинейности рельса не должно превышать: в горизонтальной плоскости - 0,08 %, в вертикальной плоскости -0,06 % длины.
- не учитываются колебания привода моста крана, т.к. они гасятся большой массой основных и концевых балок.
- главные и концевые балки соединены жесткошарнирными соединениями.
На основании принятых допущений, может быть составлена динамическая расчетная схема двухбалочного мостового крана (рис.2).
Рис. 2. Динамическая расчетная схема двухаболчного мостового крана
Система состоит из абсолютно жестких звеньев, которые характеризуются моментами инерции ^х, центробежными момента-
ми инерции ^/ху, ^ относительно осей собственных локальных систем координат; координатами центров масс звеньев в локальных системах координат Я ; массами
звеньев т .
Влияние колебаний привода грузовой тележки и гибкого подвеса груза, учитываются в динамических связях жесткостями с1, с2, . . . , с5 и диссипативными элементами Ь-, Ь2, . . . , Ь5.
Чаще всего для решения задачи динамики системы с несколькими степенями свободы, где работа механизмов при пространственном колебании совмещена по времени с колебаниями груза на гибком подвесе, применяется принцип Лагранжа в виде уравнений второго рода [3, 4]:
дК дК дР дФ . 0=1, 2, . . . , /), (1)
-I--+-+-= Qi
дц. I д(. д(. дц.
где X - время; qJ - ]-я обобщенная координата; К - кинетическая энергия; (i - скорость по ]-ой обобщенной координате; Р- потенциальная энергия; Ф - диссипативная функция; QJ - обобщенная сила, действующая
по ]-ой обобщенной координате.
Аналитическое решение этой задачи осложняется трудностью выбора начальных и граничных значений. Более оптимальным решением для этой задачи, является создание имитационной модели, с помощью пакета динамической визуализации, в которой пользователь в режиме реального времени способен менять начальные и граничные условия для получения наилучших параметров.
Существуют множество программных средств [5] динамической визуализации: подсистемы SIMULINK и SimMechanics пакета MATLAB (MathWorks, Inc); EASY5 (Boeing); подсистема SystemBuild пакета MATRIX (Integrated Systems, Inc.); VisSim (Visual Solution);"20-SIM" (Controllab Products B.V); Dymola (Dymasim) и т.д.
Предлагаемая имитационная модель, создана в подсистеме SimMechanics пакета MAT-LAB.
Этот программный продукт относиться к пакетам «блочного моделирования», основным достоинством данного типа программ визуального моделирования, является простота создания моделей не слишком подготовленными пользователями и высокая скорость вычислений при моделировании движений многозвенных объектов с большим числом степеней свободы в больших перемещениях [6]. Не маловажным фактом, при выборе программной среды, также являлось наличие лицензионной версии продукта.
SimMechanics - это отдельная библиотека пакета Simulink среды MATLAB, предназначенная для моделирования механического движения твердых тел. Основное ее назначение - это моделирование пространственных движений твердотельных машин и механизмов на стадии инженерного проектирования, используя законы теоретической механики.
Модель SimMechanics изображает физическую структуру механизма, геометрические и кинематические отношения его компонентов.
SimMechanics автоматически преобразует это структурное изображение во внутреннюю, эквивалентную математическую модель. Это экономит время и усилия исследователя по самостоятельной разработке математической модели.
Звенья предложенной имитационной модели (рис. 3), состоят из твердых жестких тел Body соединенных шарнирными соединениями Joint. В качестве задаваемых параметров в блок Body: выступают:
- масса;
- декартовы координаты характерных точек, связанных с телом, В частности, обязательно должны быть указаны координаты центра тяжести тела CG и, при необходимости, координаты произвольного числа других характерных точек CS1, CS2, CS3, ... CSN, таких как центры шарниров, связанных с данным телом, или точки приложения внешних сил и моментов[7].
- тензор инерции тела относительно его центра масс, представляющий собой матрицу размером 3x3:
(2)
где их, и у, - осевые моменты инерции тела относительно осей собственной локальной системы координат, связанной с его центром масс.
■ Jx 0 0 "
H = 0 Jy 0
0 0 Jz _
Machine Environment
Колебания привода
Рис. 3. Имитационная модель двухбалочного мостового крана в подсистеме ЭттеИсатсБ пакета МаАаЬ
Наиболее точные значения осевых моментов инерции, можно получить с помощью пакетов твердотельного моделирования (Компас 3D, Solidworks и т.д.), создавая в них 3D-модель звеньев, в натуральную величину.
Мост крана, состоит из блоков Body: основная балка 1, основная балка 2, концевая балка 1, концевая балка 2, кабина оператора, все блоки связана жесткими шарнирами Weld. Мост крана движется поступательно относительно оси OZ, направление движения задается блоком шарнирного соединения Prismatic, обеспечивающего одну степень свободы. Грузовая тележка поступательно движется относительно оси OX, это движение задается блоком Prismatic, который соединяет тележку с мостом крана. Чтобы учесть колебания от привода тележки, в систему включен блок Body Spring & Damper, моделирующий упрого-вязкое соединение. Задаются параметры:
- коэффициента упругости,
- коэффициента вязкого трения,
- расстояния равновесия между точками.
Подвес груза [6] имитируется с помощью
блока Bearing, имеющего 4 степени свободы, который позволяет моделировать подвес какого-либо тела на гибком тросе с пространственными колебаниями и подъемом/опусканием троса. Для учета колебаний груза, в систему включен блок Body Spring & Damper.
В зависимости от постановки задачи к модели могут подключаться возбуждающие и регистрирующие блоки Sensors & Actuators, связанные с заданием усилий.
Данная модель позволяет получить такие значения, для звеньев, как скорость, положение, ускорение, угловая скорость и угловое ускорение и т.д.
Заключение
Предлагаемая имитационная модель двух-балочного мостового крана, упрощает исследование системы при различных динамических воздействиях и является универсальной для многих типов задач. Не менее важным достоинством данной модели, является возможность ее интеграции с другими подсистемами Matlab и совместимость с программами твердотельного моделирования, на основании чего, можно сделать вывод, что модель можно использовать в интегрированных системах автоматизации проектирования для двухбалочных мостовых кранов.
Библиографический список
1. Ахтулов, А. Л. Обеспечение качества проектирования мостовых кранов с учетом динамических характеристик: монография / А.Л. Ахтулов,
Л. Н. Ахтулова, О. М. Кирасиров, Е.В. Комерзан; под общ. ред. А.Л. Ахтулова. - Омск: СибАДИ, 2010. - 137 с.
2. ГОСТ 4121-96 (2002). Рельсы крановые. Технические условия. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. - 8 с.
3. Кулешов, В.С. Динамика систем управления манипуляторами / В.С. Кулешов, Н.А. Лако-та. - М.: Энергия, 1971. - 304 с.
4. Яблонский, А.А. Курс теоретической механики. Ч.2. - М.: Высшая школа, 1984. - 423 с.
5. Колесов, Ю.Б. Визуальное моделирование сложных динамических систем. - СПб: «Мир и семья и Интерлайн», 2000. - 240 с.
6. Щербаков, В.С. Моделирование и визуализация движений механических систем в MATLAB: Учебное пособие / В.С. Щербаков, М.С. Корытов, А.А. Руппель, В.А. Глушец, С.А. Милюшенко. -Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. - 84 с.
CONSTRUCTION OF IMITATING MODEL TWO-BEAMS THE BRIDGE CRANE
A. L. Ahtulov, L. N. Ahtulova, O. M.Kirasirov, V. A. Mashonsky
In clause the basic questions of dynamics two-beams bridge cranes are considered and the imitating model created in subsystem Simmechanics of software package Matlab is offered.
Ахтулов Алексей Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Управление качеством и сертификация» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основные направление научной деятельности - динамика машин и системы автоматизации проектирования сложных технических объектов. Общее количество публикаций 226.e-mail: [email protected] .
Ахтулова Людмила Николаевна - кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Управление качеством и сертификация» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основные направление научной деятельности - исследований - объекты управления и системы автоматизации проектирования. Общее количество публикаций 126. e-mail: [email protected].
Кирасиров Олег Михайлович - кандидат технических наук, доцент, докторант Омского государственного аграрного университета. Основные направление научной деятельности - теория и проектирование производства и ремонта подъемно-транспортных машин. Общее количество публикаций более 70.
Машонский Вячеслав Александрович - аспирант кафедры «Управление качеством и сертификация» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основные направле-
ние научной деятельности - системы автоматизации проектирования подъемно-транспортных машин. Общее количество публикаций 4.
УДК 621.43.629
УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОГО ЛОГИЧЕСКОГО ВЫВОДА
В. П. Денисов, И. И. Матяш, О. О. Мироничева
Аннотация. Предложен метод автоматического управления температурой теплоносителя системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания на основе нечеткого логического вывода. Результаты разработки системы управления проверены математическим моделированием в среде MATLAB /Simulink/Fuzzy Logic Toolbox.
Ключевые слова: система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, частота вращения электропривода, автоматическое управление, математическая модель, нечеткая логика.
Введение
Одним из главных условий, определяющих нормальную работу двигателя внутреннего сгорания (ДВС), является обеспечение его оптимального теплового состояния [1]. Под оптимальным тепловым состоянием понимается такое температурное состояние деталей цилиндровой и поршневой групп, которое отвечает наиболее выгодному сочетанию теплового процесса, высокой надежности и износоустойчивости деталей двигателя, при этом предполагаются минимальные энергетические затраты на поддержание процесса охлаждения.
Система охлаждения ДВС включает в себя два контура управления: жидкостный и воздушный. Регулирование температуры охлаждающей жидкости в рубашке блока цилиндров осуществляется изменением массового расхода теплоносителей, циркулирующих в жидкостных и воздушных контурах радиатора.
В работе предлагается метод управления системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания, базирующийся на использовании математического аппарата нечеткой логики [2] при построении регуляторов жидкостного и воздушного контуров.
Система охлаждения ДВС как объект управления. В системах охлаждения теплота, отводимая в единицу времени охлаждающей
жидкостью, проходящей через насос, определяется следующим образом:
Qdn = GC (Tdn - Trad X где G - расход жидкости через двигатель в единицу времени; C - теплоемкость жидкости; Tdn и Trad- температура выходящей и входящей в двигатель жидкости.
Постоянство теплового состояния двигателя выполняется при условии:
Qdn - Qrad = 0, (1)
где Qrad - количество теплоты, поступившее
от радиатора в двигатель в единицу времени.
Система охлаждения должна быть спроектирована таким образом, чтобы при любой нагрузке двигателя температурный режим его был оптимальным, что в традиционных системах охлаждения осуществить не представлялось возможным. Для решения этой проблемы в системах охлаждения ДВС начал применяться электропривод сначала вентилятора, а потом и насоса. Например, в работе [3] вопрос поддержания оптимальной температуры двигателя решался использованием электропривода насоса.
При применении электроприводов представляется возможным осуществить частотное управление двигателем для поддержания оптимального температурного режима ДВС. Изменение расхода жидкости (G) определяется изменением частоты вращения ротора на-
