CC BY
71
УДК 681.5:621.878.23
СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ БУЛЬДОЗЕРНОГО АГРЕГАТА
ИВ. Лазута
В статье описан процесс создания системы автоматизации моделирования бульдозерного агрегата как сложной динамической системы. Предложен алгоритм составления, приемы математического описания, расчетные схемы и структурные схемы, а так же реализация математического аппарата в программном продукте на персональном компьютере. Для повышения удобства работы с полученным программным продуктом создан интерактивный интерфейс, позволяющий в диалоговом режиме исследовать динамику бульдозерного агрегата
Ключевые слова: Моделирование, система, бульдозер, программа, интерфейс
В настоящее время моделирование технических объектов и систем является неотъемлемой частью процесса автоматизации проектирования. Моделирование сложных динамических систем, таких как землеройно-транспортные машины (ЗТМ), ускоряет процесс принятия проектно-конструкторских решений, а так же существенно сокращает затраты материальных средств на создание новых и модернизацию существующих моделей данных машин. Использование мощных электронно-
вычислительных машин (ЭВМ) и современного программного обеспечения значительно облегчает процесс моделирования и позволяет создавать системы автоматизации моделирования (САМ).
Процесс разработки САМ бульдозерного агрегата осуществляется в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма разработки системы автоматизации моделирования бульдозерного агрегата
В качестве объекта моделирования принимается бульдозерный агрегат с неповоротным отвалом и
навесным оборудованием, обеспечивающим дистанционный перекос рабочего органа в поперечной плоскости за счет гидропривода перемещения и специального механизма перекоса. Базовой машиной является гусеничный трактор с жесткой или полуже-сткой подвеской ходового оборудования [4].
Учитывая значительные жесткости остова трактора, металлоконструкций навесного оборудования, все современные конструкции бульдозерных агрегатов могут быть представлены, с некоторыми допущениями, в виде шарнирно-сочлененных мно-гозвенников, состоящих из абсолютно жестких стержней и упруго-вязких элементов [3, 5].
Для описания перемещений элементов пространственной расчетной схемы бульдозерного агрегата (рис. 2) были приняты:
• ортогональная система координат Х0У010, в которой описывается обрабатываемая поверхность, плоскость Х00070 совпадает с плоскостью отсчета, а ось Х0 - с направлением движения бульдозера.
• ортогональная система координат Х17121, начало отсчета совпадает с центром масс БА (точка К). В процессе движения рабочий орган может поворачиваться в плоскости У10121 относительно оси Х1, формируя поперечный профиль, и изменять свое вертикальное положение, двигаясь параллельно оси 21 и поворачиваясь относительно оси 71, формируя продольный профиль, по которому движется базовая машина.
В данной расчетной схеме продольные и поперечные колебания рамы бульдозерного агрегата оказывают непосредственное воздействие на рабочий орган, так как он жестко связан с рамой навесным оборудованием, что определяет его положения в пространстве. Для обеспечения геометрических параметров земляного полотна, необходимо контролировать два информационных параметра отвала бульдозера: вертикальную координату режущей кромки отвала 2РО и угол его перекоса рРО.
Основные параметры машины: аБА - угол продольного наклона рамы бульдозерного агрегата, вБА - угол поперечного наклона рамы бульдозерного агрегата, БШТП и БШТЛ - перемещение правого и левого гидроцилиндра соответственно, Ь - расстояние от переднего до заднего опорного катка - опорная база бульдозерного агрегата, Ь1 - расстояние от рабочего органа до переднего опорного катка; Ь2 -ширина базы бульдозерного агрегата, 1К - расстояние от переднего опорного катка до цента масс.
Лазута Иван Васильевич - СибАДИ, аспирант, e-mail: [email protected]
Рис. 2. Пространственная расчетная схема бульдозерного агрегата
Выдвижение штоков гидроцилиндров 8ШТП и $ШТЛ преобразуется в изменение положения РО, а именно 2РОП и 2РОЛ за счет механизма подъема и перекоса отвала. Для определения передаточной функции рабочего органа для 2РОП и ЪРОЛ необходимо найти зависимость между этими величинами. На рисунке 3 изображена расчетная схема для определения зависимостей между величинами 8ШТП, 8ШТЛ и 2роп, 2рол [3].
Рис. 3. Расчетная схема навесного оборудования
Положительное изменение длины штока соответствует его выдвижению, а следовательно отрицательному изменению высотной координаты 2РО, так что при малых перемещениях БШТ можно принять, что:
Д2ро — ЛБшт ' Кгг ■
К — Соъв-^Б + 1ро )/)Б
(1)
(2)
где в - угол между осью гидроцилиндра и осью 2\, 1Б. - расстояние от крепления толкающего бруса до точки крепления гидроцилиндра, 1РО. - расстояние от точки крепления гидроцилиндра до кромки РО.
Вычисление положения рабочего органа производится по следующим зависимостям [5]:
2РО — (2РОП + 2РОЛ ) / 2; Рро ~ (2РОП — 2РОЛ )/ Ь2;
Ь,
2РОП — (2К + (Ь1 + ^) ' аБА ) + 2 ' РбА $ШТП '1 ^gz
■ К
2РОЛ — (2К + (Ь1 +^) 'аБА ) 2 ' вБА - ^
РбА — (2КП - 2КЛ )/Ь2 ; 2К — (2КП + 2КЛ ) 12 ; аБА — (аБА П + аБА Л ) 12 ;
■ К ■■
ШТЛ
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8) (9)
Вертикальную координату профиля поверхности, по которой движется ходовая система, обозначим как 2Н(Х0). Учитывая, что рабочий орган формирует данный профиль, можно записать [5]:
(10)
(11)
где %ы - время транспортного запаздывания от рабочего органа до передних опорных катков, Уба -скорость движения бульдозерного агрегата.
Для определения сглаживающей способности ходового оборудования применим формулу [2, 3]:
1 X 0 + L
7с (X о)=-• J 7Я (X о) dXo
L X о
(12)
где 2С(Х0) - вертикальная координата катков при движении гусеницы по недеформируемому грунту.
Математическая модель подвески ходового оборудования для каждой гусеницы представлена в виде структурной схемы (рис. 4), звенья которой описываются следующими выражениями [2, 3, 4]:
7 = 7 -а ■l ;
K ^П1 БА lK ’
(13)
аБА = (7пі - 7з)/L; (14)
(Т1 П ■ Р + Т2П ■ Р + 1)^ 7П1 = 7П - (к1П ■ F7 - k2П ■ FX ) ,(15)
(16)
T 2 = MI 1 - lK
1 П Сп I L
р
T = П L! П ~ с
С гг
к1П =
(L + L), Сп■ L
к2 П =
(17)
(18) (19)
Сп■ L
где 2К - координата центра масс, 2т - координата подрессоренной части рамы, 2З - координата заднего опорного катка, 2и - координата переднего опорного катка, где гРО - вертикальное расстояние от центра тяжести до кромки РО, ¥Х и ¥2 - компоненты вектора силы сопротивления копанию грунта, М - подрессоренная масса остова машины, СП и Рп - приведенные коэффициенты жесткости и демпфирования элементов подвески.
7п
^-Ц1я
F;
^1,+
К1П
К2П ----^
+ 1 7П1 +/
) т W + Т2ПР + 1
——
аБА
Рис. 4. Структурная схема модели подвески ходового оборудования
Данная математическая модель подвески ходового оборудования может применяться для большинства ходовых систем современных бульдозерных агрегатов.
Общая математическая модель бульдозерного агрегата может быть представлена в виде структурной блок-схемы (рис. 5).
7niXo
ш
LP
Сглажи- вание 7c(Xq) Перемещение опорных катков 7п и Подвеска рамы
ТП Kgz gan
rts+1- положения
Kgz рабочего органа
от рамы
аБА П
Сглажи-
7HXo) вание
7c(Xo)
Перемещение
опорных
катков
аБА_Л
7,
П
\7П\
7 к
Подвеска
рамы
"Л?
Рис. 5. Структурная блок-схема модели бульдозерного агрегата
Таким образом, составленное математическое описание бульдозерного агрегата позволяет учитывать множество конструктивных особенностей машины при изучении её динамики и процесса формирования обрабатываемой поверхности рабочим органом.
В качестве инструмента для реализации разработанного математического аппарата был выбран программный комплекс ЫайаЪ Я2007а и его пакетное приложение БтиНпк, дающее возможность визуально-блочного программирования и исследования полученной модели [1].
На рис. 6 представлена модель бульдозерного агрегата, выполненная в виде маскированной подсистемы с множеством входных и выходных параметров.
Zro, m ^3
a PO, rad Zro
a BA, rad betta RO і.—.і —
Zk, m і.—.і alfa BA
Zk
Zrop
Zrol
Buldozer
Рис. 6. Подсистема модели бульдозерного агрегата в Simulink
На рис. 7 представлен внутренний вид маскированной подсистемы модели.
Для более удобной работы с моделью создается интерфейс программы в виде окна, содержащего различные элементы управления и поля ввода параметров бульдозерного агрегата. В качестве инструмента построения интерфейса программы используется прикладной программный пакет GUIDE программного комплекса Matlab R2007a [1].
На рис. 8 представлен внешний вид интерактивного интерфейса разработанного программного продукта.
7
г
РО
K
Рис. 7. Внутренний вид подсистемы модели бульдозерного агрегата в Бішиїтк
Рис. 8. Внешний вид окна интерфейса системы автоматизации моделирования
Данный интерфейс связан с моделью по средствам специального да-файла, содержащего листинг программы, обеспечивающей работу системы автоматизации моделирования бульдозерного агрегата [1].
Исследование динамики неуправляемых перемещений рабочего органа проводится при подаче внешних детерминированных возмущающих воз-
действий на рабочий орган либо на ходовое оборудование.
Результаты моделирования представлены временными и фазовыми характеристиками (рис. 9 -12), полученными при отрицательном детерминированном ступенчатом воздействии -0,1 м со стороны опорной поверхности по одной колее движения.
Рис. 9. График изменения ZP0 при возмущающем воздействии
О 2 4 6 8 10
Рис. 10. График изменения ßPO при возмущающем воздействии
Рис. 12. Фазовый портрет ßPO при возмущающем воздействии
Таким образом, разработанная система автоматизации моделирования позволяет проводить исследования динамики перемещения рабочего органа бульдозерного агрегата в зависимости от конструктивных особенностей машины, а также использовать полученное математическое описание при её проектировании.
Литература
1. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова Е.Н. MATLAB 7. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 1104 с.
2. Глушец В.А. Математическая модель процесса взаимодействия гусеничного ходового оборудования землеройно-транспортных машин с разрабатываемым грунтом / Межвузовский сборник трудов ученых, аспирантов и студентов. - Омск: СибАДИ, 2о04. - Вып. 1, ч. 1. - с. 152 - 158.
3. Кузин Э.Н. Повышение эффективности землеройных машин непрерывного действия на основе увеличения точности позиционирования рабочего органа: Дис. ... докт. техн. наук. - М.: ВНИИСДМ, 1984. - 443 с.
4. Шарипов В.М. Ходовая система гусеничного трактора (конструкция). Уч. Пособ. - М.: «МАМИ», 1999. - 46с.
5. Щербаков В.С. Составление структурных схем землеройно-транспортных машин как объектов автоматизации: Учебное пособие. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2001. - 47 с.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
_ □ Ixl
0.3 XY Plot
0.2
0.1 f -
ifi
< 0 I ) і '
5-
-0.1
-0.2 ■ 1 ' -
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1
X Axis
Рис. 11. Фазовый портрет ZPO при возмущающем воздействии
SYSTEM OF AUTOMATION OF DESIGN OF BULLDOZER ASM
I.V. Lazuta
In the article the process of creation of the system of automation of design of bulldozer asm is described as a difficult dynamic system. A drafting algorithm, receptions of mathematical description, calculation charts, flow diagrams, analytical dependences and realization of mathematical vehicle, is offered in a software product on the personal computer. For the increase of comfort of work with the got software product an interactive interface, allowing in the simple mode to investigate the dynamics of bulldozer asm, is created
Key words: the Design, the System, the Bulldozer, the Program, the Interface
