Структура и взаимосвязи в системе автоматизированного проектирования бульдозера


Версия для печати

В статье обоснована необходимость разработки систем автоматизированного проектирования бульдозеров с целью выбора оптимальных значений основных параметров на стадии проектирования. Выявлены параметры, оптимизация которых возможна с целью определения их наилучших сочетаний. Разработана структурная схема модели, определяющая направления потоков обмена данными.

ВВЕДЕНИЕ

Новые конструктивные решения, появление новых материалов, повышение точности оборудования, современные технологические процессы и цепочки требуют новых подходов, постановки новых задач, нахождения современных методов их решения. Такие подходы, с одной стороны, позволяют производить более совершенную технику, а с другой – для производства новых машин необходимо увеличивать затраты. Складывающаяся ситуация требует от конструкторов, разрабатывающих конечную продукцию, взвешенных подходов и учета большего количества параметров при проектировании техники. Преимущество получает тот производитель, который на основании системного анализа сможет обеспечить рост производительности, повышение экономичности.

Системы автоматизированного проектировании, предназначенные для выбора параметров машин и механизмов, основанные на применении математических моделей, позволяют выбрать основные параметры машин на основе анализа процессов, происходящих при взаимодействии основных механизмов и систем, с целью выявления их оптимальных сочетаний для различных условий работы. В работах автора представлены модели различных систем бульдозера [1–5]. Каждая из моделей отдельных систем и механизмов может быть использована для выбора оптимальных параметров этой системы в соответствии с заданными критериями, допущениями, предположениями и ограничениями.

БУЛЬДОЗЕР, КАК СОВОКУПНОСТЬ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ СИСТЕМ

Если говорить о проектировании бульдозеров, то в настоящее время необходимо стремиться к разработке методов моделирования машины как совокупности систем «ДВИГАТЕЛЬ – ТРАНСМИССИЯ – ДВИЖИТЕЛЬ – РАБОЧЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ – ВНЕШНЯЯ СРЕДА – ОПЕРАТОР». Ряд работ автора посвящен анализу этих систем, разработке их моделей. В данной статье все названные системы объединены в единое целое и выявлены характеристики, которые будет возможно подвергнуть анализу с целью получения наиболее оптимальных параметров машины.

Автором обоснованы параметры ДВС, ГДТ, сцепления и трансмиссии для работы всех систем в комплексе. Определены уравнения связей, обеспечивающих работоспособность модели, как совокупности представленных систем.

В процессе работы выведены уравнения связи между параметрами трансмиссии и гусеничного движителя. Зная величину jГП, задающую угловое перемещение валов трансмиссии, на основании физических закономерностей крутящий момент на валу ведущего колеса гусеничной машины будет определяться по формуле

формула (1)

где СВК – коэффициент жесткости вала ведущего колеса;

rВК – коэффициент диссипативных сил вала ведущего колеса.

Тогда ускорение ведущего колеса определяется как:

формула (2)

где RВК – радиус ведущего колеса, м;

FiТРК – усилие, возникающее при взаимодействии трака, входящего в зацепление с ведущим колесом, и действующее в направлении, противоположном движению гусеничному обводу, величина которого определяется как:

формула (3)

Направление действия данной силы определяется с учетом угла jiТРК, определяющего положение трака на гусеничном обводе.

Рассматривая закономерности воздействия на элементы машины усилий, воспринимаемых рабочим оборудованием во время копания грунта, в соответствии с принятыми условиями крепления на раме примем, что усилия в горизонтальном направлении передаются через толкающие брусья, а усилия в вертикальном направлении – через гидроцилиндр. Тогда в соответствии с рис. 1 необходимо задать размеры ХРО, YРО, XГЦ, YГЦ.

Рис. 1. Вид модели бульдозера

Основываясь на работах автора, в том числе [5], при проведении вычислительных экспериментов с использованием объединенных моделей возможно получить и в дальнейшем проанализировать усилия, воздействующие на гусеничный движитель в процессе копания грунта. Зная текущее суммарное значение усилия сопротивления копанию WK и угол его наклона jK, можно определить усилие, воздействующее на раму рабочего оборудования по оси абсцисс (4) и ординат (5), и впоследствии определить усилия (6), воздействующие на движитель и другие системы бульдозера.

Определяем ускорение машины по оси ординат по зависимости

формула (4)

формула (5)

формула (6)

где Fхотв – горизонтальная составляющая усилия на отвале бульдозера;

Fуотв – вертикальная составляющая усилия на отвале бульдозера;

jГЦ – угол установки гидроцилиндра с учетом текущего значения угла наклона рамы рабочего оборудования, град;

lГЦ – плечо, на котором создается момент усилия на гидроцилиндре, м.

Результатом проведенной работы является возможность на стадии проектирования машины теоретическим путем, в зависимости от значений параметров различных систем, определять характеристики выходных показателей агрегатов и систем машины в целом.

Выходные показатели, расчет и анализ которых возможен при постановке вычислительных экспериментов, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Наименование показателя Система, в которой показатель используется в качестве
выходного параметра входного параметра
Крутящий момент на коленчатом валу ДВС ГДТ, сцепление
Угловое ускорение, скорость и угол поворота коленчатого вала ДВС ГДТ, сцепление
Момент на насосном валу ГДТ ДВС, ГДТ
Угловое ускорение, скорость и угол поворота насосного вала ГДТ ДВС, ГДТ
Момент на первичном валу Сцепление ДВС, сцепление
Угловое ускорение, скорость и угол поворота первичного вала Сцепление ДВС, сцепление
Момент на турбинном валу ГДТ Трансмиссия
Угловое ускорение, скорость и угол поворота турбинного вала ГДТ Трансмиссия
момент на первичном валу КП Трансмиссия ГДТ, сцепление
Угловое ускорение, скорость, угол поворота первичного вала КП Трансмиссия ГДТ, сцепление
Момент на ведущем колесе гусеничного движителя Трансмиссия Гусеничный движитель
Угловое ускорение, скорость, угол поворота ведущего колеса гусеничного движителя Трансмиссия Гусеничный движитель
Угловые и линейные ускорения, скорости и перемещения трака Рассматриваемый трак Соседние трака, колеса движителя
Линейные ускорения, скорости и перемещения опорных и поддерживающих колес подвесок Колеса подвесок Рама машины
Параметры грунта Грунт Рабочее оборудование
Угловые и линейные ускорения, скорости и перемещения рамы машины Гусеничный движитель Рабочее оборудование
Усилия на рабочем оборудовании Рабочее оборудование Рама машины

Таким образом, появляется возможность определения на стадии проектирования основных параметров машины, отвечающих заданным условиям, варьируя более чем 50 параметрами систем и механизмов, оказывающих наиболее существенное влияние на выходные характеристики бульдозеров.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МОДЕЛИ БУЛЬДОЗЕРА

Предлагаемый подход является методической основой для разработки системы автоматизированного проектирования (САПР) гусеничных машин для земляных работ. В качестве объекта проектирования используется бульдозер, который, по сути, является множеством сложно взаимосвязанных, взаимозависимых разнородных систем. Кроме того, данному объекту присущи такие характеристики, как многокомпонентность; сложные взаимосвязи между компонентами; невозможность поисковых воздействий на систему, как физический объект на начальных этапах проектирования и, следовательно, невозможность применения ряда методов синтеза управляющих воздействий.

Системный подход к разработке САПР позволяет решить ряд объективных проблем в вопросах эффективного принятия решений на начальных этапах проектирования бульдозеров. Большой опыт конструкторских работ в данной области указывает на неточность исходных данных в системах данного класса. Неполнота и противоречивость данных об анализируемых системах обусловлена дороговизной, неэффективностью, а зачастую и невозможностью получения полной информации об объекте и среде его функционирования, разнородностью информации об объекте в виде: точечных замеров и значений параметров, допустимых интервалов их изменения, статистических законов распределения для отдельных величин; нечетких критериев и ограничений, полученных от постановщиков задания на проектирование.

Использование САПР, основанной на системном подходе, позволяет на стадии проектирования получить характеристики поведения практически всех важнейших систем гусеничной машины с отвальным рабочим органом. Анализ этих характеристик дает возможность конструктору на стадии проектирования машины выявить ее основные параметры. В случае, если заранее известны условия работы машины, возможно применение теорий оптимизации параметров с целью снижения материалоемкости при сохранении или даже улучшении показателей экономичности.

Исследования многих авторов в различных областях техники [6–9], проводимые в последнее время, показывают, что на данном этапе развития науки недостаточно просто разработки математических моделей. Необходима адаптация этих моделей к конкретным условиям соответствующих производств и даже к конкретным решаемым задачам. Многие авторы указывают, что наряду с разработкой математических моделей необходимы алгоритмизация, проведение работ по системному объединению исходных данных и решающих модулей. Современные разработки отражают возможное поведение систем на экране компьютера, то есть обеспечивают имитацию работы исследуемых систем с целью выявления возможных вариантов развития событий в реальном мире на основе моделирования поведения системы. Такие случаи характерны для систем и механизмов, где воздействия оказывают многие факторы, в том числе и случайные, что присутствует при работе всех землеройно-транспортных машин, в том числе и бульдозеров. Таким образом, завершающей стадией является разработка структуры и взаимосвязей, объединяющих отдельные анализируемые системы в единый модуль и обеспечивающих получение требуемых решений.

На рис. 2 приведена схема обмена данными между модулями. Представленная схема позволяет приступить к разработке САПР бульдозера, предназначенной для выбора основных параметров систем, оказывающих существенное влияние на работу бульдозера. В процессе создания общей модели бульдозера и работы с ней САПР позволяет проанализировать работоспособность систем отдельно, выявить параметры, оказывающие существенное влияние на выходные характеристики каждой системы и впоследствии машины в целом.

Рис. 2. Схема обмена данными между модулями

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нельзя сделать заключение об окончательной разработке алгоритмов как завершенной последовательности действий, позволяющей найти необходимое решение поставленной задачи, заключающейся в выборе требуемых параметров машины. Это связано с тем, что для выбора основных параметров машины следует знать выходные характеристики машины, определяемые заказчиком, либо условиями работы машины. Такие характеристики могут существенно отличаться друг от друга.

В разных случаях могут существенно отличаться друг от друга параметры, оказывающие влияние на эти характеристики. Таким образом, становится возможным на основе многообразной информации, полный анализ которой до настоящего времени не удавалось провести, выбрать параметры бульдозера, позволяющие достичь максимального результата.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лесковец, И. В. Математическая модель гусеничного движителя / И. В. Лесковец // Вестник Белорусско-Российского университета. – 2006. – № 4(13).– С. 15–26.

2. Лесковец, И. В. Параметры элементов имитационной модели гусеничного движителя / И. В. Лесковец // Вестник БрГТУ. Серия «Машиностроение». – 2006. – № 4(40). – С. 58–63.

3. Лесковец, И. В. Структура имитационной модели гусеничного движителя / И. В. Лесковец // Вестник ПГУ. Серия В. Прикладные науки. Машиноведение. – 2007. – № 4. – С. 57–60.

4. Лесковец, И. В. Параметры элементов имитационной модели пневмошины / И. В. Лесковец, Н. Н. Лукашков // Вестник БрГТУ. Серия «Машиностроение». – 2008. – № 4(52). – С. 67–69.

5. Лесковец, И. В. Структура имитационной модели рабочего оборудования бульдозера / И. В. Лесковец, О. В. Леоненко // Вестник БрГТУ. Серия «Машиностроение». – 2008. – № 4(52). – С. 64–67.

6. Капустин, Н. М. Системы автоматизированного проектирования. Автоматизация конструкторского и технологического проектирования / Н. М. Капустин, Г. Н. Васильев. – М.: Высшая школа, 1986. – 190 с.

7. Карпов, Ю. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic5 / Ю. Карпов. – СПб.: БХВ-Петербург, 2009. – 400 с.:ил.

8. Громыко, П. Н. Разработка методики компьютерных исследований планетарной прецессионной передачи фрикционного типа / П. Н. Громыко, О. М. Пусков, Л. Г. Доконов // Вестник Белорусско-Российского университета. – 2009. – № 2. – С. 70–77.

9. О возможности оценки технического уровня землеройных машин на стадии проектирования. Новые конкурентоспособные и прогрессивные технологии, машины и механизмы в условиях современного рынка. Тезисы доклада: матер. Междунар. науч.-техн. конф. / Е. И. Берестов, А. П. Стригоцкая, И. Н. Пантелеев. – Могилев, 2000. – С. 45–49.

Всего просмотров: 9 028
Опубликованно: 21.12.2011