CC BY
103
УДК 519876.2:621.879.44:62-235
СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ЦЕПНОГО ТРАНШЕЙНОГО ЭКСКАВАТОРА
В.С. Щербаков, М.В. Суковин
В статье рассмотрена система моделирования рабочего процесса цепного траншейного экскаватора на базе колесного трактора. Представлены математическая модель рабочего процесса цепного траншейного экскаватора совместно с блоком системы управления, реализованная в Бішиїіпк, блок-схема алгоритма работы системы управления трансмиссией цепного траншейного экскаватора, внешний вид окна интерфейса системы автоматизации моделирования. Рассмотрены используемые методы моделирования трансмиссии цепного траншейного экскаватора
Ключевые слова: моделирование, автоматизация, траншейный экскаватор, алгоритм, интерфейс
Цепные траншейные экскаваторы (ЦТЭ) применяют при строительстве линейных подземных коммуникаций открытым способом для рытья траншей прямоугольного профиля под газово-, нефте-, водопроводы, канализационные и теплофикационные системы, кабельные линии связи и электроснабжения, а также рытья траншей под протяженные ленточные фундаменты зданий и сооружений [1].
В последние годы большое внимание уделяется процессу моделирования. Моделирование в автоматизированном режиме сложных динамических систем, таких как землеройнотранспортные машины, к которым относится ЦТЭ, при использовании мощной электронновычислительной техники, позволяет сократить время принятия проектно - конструкторских решений при создании или модернизации машины, ее типовых узлов и агрегатов, существенно снижает затраты на стадии разработки изделия. Выбор параметров ЦТЭ происходит согласно оптимальным значениям критерия эффективности, синтез конструкции проводится эвристически, современное программное обеспечение делает возможным диалог проектировщика и электронновычислительной машины на каждом этапе разработки.
В качестве инструмента для решения задач анализа и синтеза разработанной математической модели ЦТЭ был выбран программный комплекс ЫАТЬЛБ Я2001а и его пакетное приложение БтиНпк, дающее возможность визуально-блочного программирования [2].
На рис. 1 представлена блок-схема модели ЦТЭ совместно с блоком системы управления трансмиссией. Данная модель, реализованная в БтиНпк, позволяет имитировать рабочий процесс ЦТЭ, изменяя входные параметры.
Характерной особенностью ЦТЭ является разделение силового потока, при котором часть мощности двигателя базовой машины передается
Щербаков Виталий Сергеевич - СибАДИ, д-р техн. наук, профессор, тел. (3812) 65-04-55 Суковин Михаил Владимирович - СибАДИ, аспирант, Е-mail: sukovin [email protected]
рабочему органу, минуя движитель. Наряду с другими факторами указанное разделение существенным образом влияет на производительность экскаватора и долговечность элементов машины. Мощность, поступающая на рабочий орган затрачивается на процесс копания грунта, а мощность на движителе определяет скорость поступательного перемещения. В виду того, что мощность силовой установки экскаватора ограничена, возникает необходимость ее рационального распределения в зависимости от мощности двигателя, тягового класса базовой машины, прочностных свойств разрабатываемых грунтов: т.е., встает вопрос о создании траншейного экскаватора, способного адаптироваться к изменяющимся грунтовым условиям [3].
В процессе работы траншейных экскаваторов внешняя нагрузка резко изменяется в широких пределах. Оператор, управляющий машиной, не способен оптимально перераспределять мощность двигателя между несколькими потребителями, достигая максимальной производительности экскаватора, в силу своих психофизиологических свойств. Существует возможность возникновения кратковременной и даже длительной перегрузки двигателя. Изменение момента сопротивления на валу двигателя определяется совокупностью значительного числа различных факторов, имеющих случайный характер. Основные из них: рельеф участка, техническое состояние машины, неоднородность разрабатываемого грунта, и др.
Создание системы управления, позволяющей управлять потоком энергии двигателя траншейного экскаватора в автоматическом режиме без участия человека-оператора, позволит повысить надежность и производительность машины, снизить затраты на горюче-смазочные материалы [3].
Учитывая особенности выполнения
технологической операции, данная проблема требует обоснования алгоритма управления. В свою очередь, алгоритм управления должен исходить из условия эффективности рабочего процесса ЦТЭ, таким условием принимаем максимальную производительность машины при номинально загруженном двигателе, т.е. энергоемкость процесса, описанную системой уравнений (1).
Максимальная производительность ЦТЭ наблюдается при условии равенства технической производительности скребкового рабочего органа (РО) и теоретической объемной
производительности, П] = П2 [1].
Е = ■
N
УД
Пэ
Е ^ тт; МУд ^ тт; ПЭ ^ тах;
NУД = N1 + N 2 ;
ПЭ = П1 = П 2 ;
ПЭ1 = 3600ЬсНсУ1 ;
Пэ2 = 3600 БЕУ2.
(1)
где Е - энергетический показатель; ЫУд - удельная потребляемая мощность; - мощность
потребляемая РО; - мощность потребляемая
движителем; Пэ - производительность ЦТЭ; П: -техническая производительность скребкового РО; П2 - теоретическая объемная производительность ЦТЭ; Ьс - ширина скребка; кс - высота скребка; кН -коэффициент наполнения межскребкового пространства; кР - коэффициент разрыхления грунта при его разработке; V, К2 - скорости цепи РО и машины, соответственно; Н - глубина, отрываемой траншеи; Б - ширина, отрываемой траншеи.
На рис. 2 представлена блок-схема алгоритма работы системы управления гидрообъемной трансмиссией ЦТЭ. В блоке ввода начальных параметров символами обозначены: Ь - длина базы ЦТЭ; Ь - расстояние от оси передних колес до режущей кромки РО, формирующей дно траншеи; т
- масса ЦТЭ; J - длина РО; гг - радиус звездочки привода цепи РО; г - радиус колеса; У2тах -
максимальная рабочая скорость ЦТЭ; Мде.ном -номинальная мощность двигателя; юденом -номинальная угловая скорость вала двигателя внутреннего сгорания; дмми Цмм2 - максимальные рабочие объемы гидромоторов. В блоках сравнения Ыдв - номинальная мощность двигателя, соответствующая текущему положению рейки топливо подачи. Блоками 1..9 обозначены команды управляющего сигнала: 1 - уменьшение рабочего объема гидромотора РО; 2 - уменьшение рабочих объемов гидромоторов РО и движителя; 3 -уменьшение рабочего объема гидромотора
движителя; 4 - увеличение рабочего объема
гидромотора РО, уменьшение рабочего объема
гидромотора движителя; 5 - бездействие системы; 6
- уменьшение рабочего объема гидромотора РО, увеличение рабочего объема гидромотора
движителя; 7 - увеличение рабочего объема
гидромотора движителя; 8 - увеличение рабочих объемов гидромоторов РО и движителя; 9 -увеличение рабочего объема гидромотора РО.
На рис. 3 представлена структурная схема подсистемы модели блока управления
трансмиссией, входными параметрами которой являются: ¥2, У2 - скорости цепи и машины,
соответственно, юд - угловая скорость вала двигателя внутреннего сгорания, Н - глубина
траншеи, Р], Р2 - перепад давления, соответственно, на входе и выходе гидромоторов ходового оборудования и рабочего органа, Q], Q2 - расходы гидромоторов, ю], ю2 - угловые скорости валов гидромоторов РО, движителя, еМ], еМ2 - параметры регулирования. Выходным сигналом является численное значение, управляющее сервоприводами гидромоторов.
Р1
01
№1
е1
Р2
02
ЇЛ/2
е2
^ Стоп ^
Рис.2 Блок-схема алгоритма работы системы управления трансмиссией ЦТЭ
Рис.3 Структурная схема подсистемы модели блока управления трансмиссией, реализованная в Бішиїіпк
Для более удобной работы с моделью создается интерфейс программы в виде окна, содержащего различные элементы управления и
поля ввода параметров ЦТЭ. В качестве инструмента построения интерфейса программы используется прикладной программный пакет GUIDE программного комплекса MATLAB R2007a [2].
На рис. 4 представлен внешний вид
интерактивного интерфейса разработанного программного продукта.
Таким образом, разработанная система автоматизации моделирования позволяет проводить расчет основных характеристик гидрообъемной
трансмиссии цепного траншейного экскаватора в зависимости от параметров отрываемой траншеи и физико-механических свойств грунта.
Литература
1. Румянцев В.А., Фиглин И.З. Траншейные экскаваторы. - М.: Машиностроение, 1980. - 102 с.
2. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова Е.Н. МЛТЬЛБ 7. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 1104 с.
3. Зедгенизов В.Г. Теоретические основы создания машин для прокладки гибких подземных коммуникаций. -Дисс.. ,.док.тех.наук.-Иркутск-2005.-232с.
Рис. 4. Внешний вид окна интерфейса системы автоматизации
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
SYSTEM OF MODELING TRANSMISSION CHAIN DITCHER V.S. Scherbakov, M.V. Sukovin
System of modeling transmission chain ditcher is considered In article on the base of the wheel tractor. The mathematical model of the chain ditcher will Presented with block managerial system marketed in Simulink, block diagram of the algorithm of the work managerial system transmission of the chain ditcher, exterior window interface of the system to automations. Used methods of modeling transmission chain ditcher are considered
Key words: the modeling, the automation, the ditcher, the algorithm, the interface
