Системное представление строительно-дорожных машин как мехатронного объекта Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.232.7

СИСТЕМНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНОДОРОЖНЫХ МАШИН КАК МЕХАТРОННОГО ОБЪЕКТА

А.К. Семенченко, профессор, д.т.н., О.Е. Шабаев, доцент, к.т.н., Д.А. Семенченко, к.т.н., в.н.с., Н.В. Хиценко, доцент, к.т.н., Донецкий национальный технический университет,

А.В. Гаврюков, доцент, к.т.н., Донбасская национальная академия строительства и архитектуры

Аннотация. Выполнен анализ элементов конструкции и разработано системное представление строительно-дорожной машины как мехатронного объекта. Выработаны направления дальнейших исследований в области ме-хатроники строительно-дорожного оборудования.

Ключевые слова: строительно-дорожные машины, мехатроника, математическая модель.

Введение

Передовой опыт в области машиностроения показывает, что добиться качественно новых характеристик оборудования позволяет ме-хатронная концепция системного объединения энергомеханических систем с компьютерными устройствами управления, встроенными датчиками и интерфейсами [1, 2]. Поэтому разработка научных основ рабочих процессов машин как мехатроних систем является актуальной научной проблемой.

Анализ публикаций

Вопросам применения мехатронных принципов в машиностроении посвящены труды [3, 4]. Мехатронный подход [1, 2] к проектированию машин требует одновременного проектирования силовых систем и системы управления машиной. Это приводит к еще большему усложнению задачи обоснования структур и параметров машин, поэтому одним из наиболее эффективных методов исследования их рабочих процессов является математическое моделирование [5].

Для математического описания процессов функционирования машин необходима разработка системного представления о машинах как мехатронных системах.

Цель и постановка задачи

Цель исследования - развить системное представление о машинах с учетом мехатронного подхода к их проектированию и функционированию.

Изложение материала и результаты

В общем случае машина состоит из четырех подсистем, которые реализуют соответственно четыре фундаментальные функции, свойственные мехатронным системам: технологическую, энергетическую, управления, планирования. Машины как электрогидроме-ханические системы состоят из большого числа элементов конструкции. Каждый элемент конструкции имеет определенное функциональное назначение, взаимосвязь элементов конструкции обеспечивает работу машины. Все элементы конструкции машины можно классифицировать на: исполнительные механизмы, силовые преобразователи энергии, передающие элементы, элементы управления. Наиболее широкое применение в мировой практике нашли электрические и электронные системы управления. На рис. 1 приведена классификация наиболее часто встречающихся элементов конструкции машины с указанием конкретных типов элементов в различных группах.

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ

МЕХАНИЗМЫ

Исполнительный

орган

Опора

Колесо

Погрузочный орган Цевочное зацепление Ходовая часть______

МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ

• Пространственно перемещающаяся масса

• Цилиндрический шарнир

• Сферический шарнир

• Упор_______________

X

СИЛОВЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ЭНЕРГИИ

Асинхронный

электродвигатель

Насос

Г идромотор Гидроцилиндр Дизельный двигатель

МЕХАНИЧЕСКИЕ

ТРАНСМИССИИ

Маховик Упругий вал Редуктор

III

ЭЛЕМЕНТЫ

УПРАВЛЕНИЯ

Датчик

Анализатор

Индикатор

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

Резистор

Конденсатор

Триод

Диод

Тиристор

Трансформатор

IV

ПЕРЕДАЮЩИЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ

Трубопровод Дроссель Тройник Предохранительный клапан Обратный клапан Гидрозамок Клапан «или» Односторонний дроссель_________

Рис. 1. Классификация элементов конструкции машины

Следует отметить, что на данном этапе проектирование техники ведется сначала для силовых систем (элементы конструкции I, II и IV групп), а затем выполняется разработка элементов управления. В соответствии с ме-хатронным подходом проектирование силовых систем должно происходить одновременно с проектированием компьютерной системы управления машиной. При этом конструкция элементов силовых систем предусматривает установку необходимых датчиков. В процессе проектирования необходимо учитывать функциональную взаимосвязь элементов мехатронной системы «строительно-дорожная машина». В качестве примера на рис. 2 приведена структура меха-тронной системы «одноковшовый экскаватор». В процессе работы машины управление приводами осуществляется компьютером согласно заданию, полученному от человека-оператора с учетом показаний датчиков о состоянии энергомеханических систем экскаватора и разрушаемого массива. Оператор по отчетам компьютера и показаниям индикаторов наблюдает за работой экскаватора, при необходимости внося корректировку путем выдачи команд компьютеру. С целью реализации эффективного способа регулирования нагрузки на приводные двигатели приводы подачи и резания выполнены регулируемыми, при этом закон регулирования задается компьютером согласно предварительно заложенной программе. Для функ-

циональной интеграции экскаватора в комплекс предусмотрена связь компьютера с компьютерной системой управления комплекса.

Рис. 2. Структура мехатронной системы «одноковшовый экскаватор»

Цель управления машиной состоит в выполнении ее исполнительными механизмами требуемых рабочих операций. Для достижения цели необходимо, чтобы управляющая система сформировала такой закон управления исполнительными механизмами, при котором качество (эффективность) рабочих операций будет максимальным.

II

В процессе работы машины необходимо знать её фактическое техническое состояние и эффективность рабочего процесса, что численно может быть оценено по следующим показателям: параметры рабочих процессов; параметры сопутствующих процессов; геометрические параметры. Для обеспечения достоерности диагностики параметры должны отвечать требованию однозначности, воспроизводимости и чувствительности.

В системах автоматизированного управления машин применяются датчики. Функция преобразования определяется конструкцией датчика и может изменяться под действием факторов внешней среды. Это приводит к появ-нию погрешностей измерений.

Рис. 3. Информационная система машины

Анализатор - устройство в системе управления, осуществляющее прием, обработку и интерпретацию информации от датчиков о состоянии машины и ходе выполнения технологического процесса, сравнивающее полученные данные с заданием оператора и генерирующее управляющие воздействия на приводы исполнительных механизмов. Также реализуется запись изменения параметров состояния машины и технологического процесса для текущей (оперативной) обработки анализатором и последующего анализа чело-веком-оператором («черный ящик»). Структура анализатора и его положение в информационной системе машины приведено на рис. 3.

Выводы

Классификация элементов конструкции и системное представление машины как меха-тронного объекта позволяет учесть функцио-

нальную взаимосвязь элементов конструкции машины в процессе проектирования. Направлениями дальнейших исследований являются: разработка требований к системам компьютерного управления машинами; разработка алгоритма управления и оптимизации рабочих процессов машины с учетом много-критериальности; разработка математической модели функционирования системы компьютерного управления машиной и ее интеграция как функционально законченного элемента в комплексную математическую модель машины; разработка требований, структурной схемы и математической модели системы компьютерной технической диагностики.

Литература

1. Подураев Ю.В., Кулешов В.С. Принципы

построения и современные тенденции развития мехатронных систем // Меха-троника. - 2000. - №1. - С. 5-10.

2. Шалобаев Е.В. К вопросу об определении

мехатроники и иерархии мехатронных объектов // Датчики и системы. - 2001. -№7. - С. 64-67.

3. Стадник Н.И., Сергеев А.В., Кондра-

хин В.П. Мехатроника в угольном машиностроении // Вют Донецького прничого шституту: Всеукрашський

науково-техшчний журнал прничого профшю. - 2006. - №2 - С. 148-163.

4. Горбатов П.А., Косарев В.В., Стадник Н.И.

Концептуальная характеристика сложных горных машин как мехатронных систем // Научные труды ДонНТУ-Донецк: ДонНТУ, 2005. - Вып. 104. -С. 53-61.

5. Семенченко А.К., Кравченко В.М., Ша-

баев О.Е. Теоретические основы анализа и синтеза горных машин и процесса их восстановления как динамических систем - Донецк: РВА ДонНТУ, 2002. -302 с.

Рецензент: В.В. Ничке, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 6 мая 2007 г.