Методология эффективного проектирования одноковшовых экскаваторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

МЕТОДОЛОГИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОДНОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

Павлов Владимир Павлович

Москва - 2008

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Кудрявцев Евгений Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Доценко Анатолий Иванович

зав. кафедрой «Строительные машины, эксплуатация и ремонт оборудования» Московского института коммунального хозяйства и строительства

доктор технических наук, профессор Ким Борис Григорьевич

зав. кафедрой «Строительное производство» Владимирского государственного университета

доктор технических наук, профессор Москвичев Владимир Викторович

зав. отделом «Машиноведение» Института вычислительного моделирования СО РАН

Ведущая организация: ГОУ ВПО Томский государственный архитектурно-строительный университет

Защита состоится « __ » ________ 2009 г. в ___ час. на заседании диссертационного совета Д212.126.02 в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу:

125319, Москва, А319, Ленинградский пр. 64. МАДИ, ауд. 42.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью просим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ).

Автореферат разослан « __ » ________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор Н.В. Борисюк

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Повышение конкурентоспособности создаваемых одноковшовых экскаваторов (ЭО) обеспечивают не только снижением себестоимости, а в большей степени повышением качества машин и максимального соответствия конкретным требованиям потребителя за счет разнообразия сменного рабочего оборудования и рабочих органов. Последнее обусловливает жесткие требования к этапу проектирования, на котором определяются основные технические, технологические и экономические параметры ЭО. Практическая исчерпанность ресурса традиционной технологии теоретического исследования и проектирования ЭО затрудняет адаптацию разработчиков к быстро изменяющимся требованиям рынка, перестройке производственных процессов и тотального управления качеством. Существующие методологические подходы и программные средства проектирования ЭО дают лишь частичное решение проблемы целостности, не учитывают необходимость информационного обмена по этапам жизненного цикла (ЖЦ) машины, не обеспечивают процессов накопления информации, а деятельность разработчиков ЭО должна быть подкреплена усилиями программистов. Используемые в проектировании ЭО пакеты проектирования и методики не интегрируются между собой при организации полноценных проектов в рамках информационного взаимодействия различных разрабатывающих ЭО предприятий. На отечественных предприятиях до сих пор существует ярко выраженная дифференциация проектных работ, которая не позволяет на организационном уровне обеспечить необходимый уровень информационного обмена между расчетными подразделениями и группами.

Анализ информационных материалов свидетельствует, что прогресс в области разработок ЭО развивается в направлении усложнения их конструкций. Примером могут служить рабочие органы интенсифицирующего действия, манипуляционное рабочее оборудование и др. Очевидно, следует ожидать дальнейший рост сложности проектных задач, что в перспективе сделает малопригодной традиционную «ручную» технологию моделирования и расчета ЭО. Важна согласованность математических моделей физических процессов и процедур структурно-компоновочного проектирования ЭО и интеграция связывающих их информационных потоков на базе технологии информационной поддержки ЖЦ изделия (ИПИ-технологии).

Научная проблема состоит в создании методологии системного проектирования ЭО, включающей концепции автоматизированной технологии и компьютерной среды проектирования, в основе которых согласованные процедуры структурно-компоновочного проектирования машины и модели приводных систем и рабочих процессов ориентированы на непрерывную информационную поддержку ЖЦ ЭО.

Идея работы заключается в реализации подходов к проектированию приводов, конструкций и рабочих процессов ЭО на основе синтеза математических моделей физически неоднородных подсистем, структурно-компоновочных моделей машины и моделей эффективности в единой компьютерной среде.

Объект исследования - материальная система «одноковшовый экскаватор - обрабатываемая среда», модели рабочих процессов и конструктивных блоков сменного рабочего оборудования ЭО.

Предмет исследования - характеристики внутренней структуры и параметры ЭО, концепция и эффективность автоматизированной технологии и среды проектирования ЭО.

Цель работы. Повышение эффективности системного проектирования ЭО в компьютерной среде.

Задачи исследования:

1) разработать методику оценки эффективности ЭО с учетом вероятностных факторов условий эксплуатации;

2) разработать метод математического моделирования для комплексного исследования характеристик ЭО в компьютерной среде;

3) выполнить сравнительный анализ параметров и критериев эффективности ЭО в компьютерной среде;

4) разработать информационно-логическую модель процесса проектирования ЭО в компьютерной среде;

5) обосновать концепцию автоматизированной технологии и среды проектирования ЭО, включающей численные методы, методики и алгоритмы, требования к комплексированию этих компонент, организационную структуру и методическое обеспечение;

6) установить эффективность автоматизированной технологии и среды проектирования ЭО.

Решение поставленных задач должно быть ориентировано на использование инфраструктуры ИПИ.

Методологической основой работы являются: системный подход; математическое моделирование; механика сплошной среды; методы принятия решений; теория графов; информационные технологии; теоретические положения систем автоматизированного проектирования.

Научная новизна работы состоит в создании методологии, включающей в себя модели, алгоритмы, методы и методики, составляющие в целом научную основу системного проектирования ЭО в компьютерной среде. При этом:

1) разработана методика расчета параметров эффективности одноковшовых экскаваторов с учетом взаимосвязи конструктивных характеристик рабочего оборудования и вероятностных условий эксплуатации машины;

2) обоснована концепция автоматизированной технологии и среды проектирования одноковшовых экскаваторов, включающей требования к комплексированию компонент, организационную структуру и методическое обеспечение и выполняющей полный цикл проектных исследований в соответствии с основными методологическими принципами ИПИ-технологии;

3) разработан набор математических моделей приводных систем и рабочих процессов сменного рабочего оборудования ЭО (обратная лопата, бурильное оборудование, гидропневматический молот);

4) предложен метод математического моделирования для комплексного исследования характеристик одноковшовых экскаваторов в компьютерной среде с использованием экспертной системы, использующей базу данных и базу знаний;

5) обоснована информационно-логическая модель процесса проектирования ЭО, являющаяся базисом для сочетания автоматизированных и неавтоматизированных процедур поискового проектирования;

6) на примере одноковшовых экскаваторов с оборудованием обратная лопата в компьютерной среде проектирования получены расчетные данные о закономерностях развития основных параметров одноковшовых экскаваторов и эффективности их применения, поставлены и решены ряд задач оптимального проектирования различного системного уровня.

Значение для теории имеют: численный метод расчета структурно-компоновочных характеристик ЭО, основанный на учете причинно-следственных связей и позволяющий получить на первых стадиях проектирования основные параметры машины; доказанная применимость информационно-логической модели проектирования ЭО на различных стадиях проектирования и уровнях конструктивной иерархии; метод комплексного моделирования характеристик ЭО в компьютерной среде; расчетная схема и методика расчета силовых и энергетических показателей процесса копания грунта по траектории большой кривизны.

Значение для практики состоит в том, что значительное ускорение процессов моделирования, расчета и всестороннего исследования ЭО, обеспечиваемое использованием разработанных и примененных методов и алгоритмов, автоматизированной технологией и компьютерной средой, позволяют существенно сократить сроки проведения проектно-конструкторских работ по созданию ЭО (и его конструктивных блоков), повысить качество и снизить трудоемкость проектных операций, получить более точные данные о развитии параметров и эффективности ЭО, изучать физически неоднородные подсистемы ЭО, исследование которых по традиционной технологии неэффективно или затруднительно. В моделях и программном обеспечении реализованы: наглядность представления объекта проектирования, изменение уровня детализации, иерархичность представления, гибкость модификации, соответствие действующим стандартам в области информационных технологий (CALS-стандартам).

Личный вклад автора в решение проблемы заключается в создании: методологии проектирования ЭО, включающей в себя информационно-логическую модель процесса проектирования ЭО, структуру электронного макета ЭО, метод комплексного исследования характеристик ЭО на базе электронного макета и экспертной системы с использованием базы знаний, метод синтеза моделей механических, гидравлических и др. процессов в ЭО под управлением экспертной системы, концепцию автоматизированной технологии проектирования ЭО и компьютерную среду, согласованную с методическими основами ИПИ-технологии; набора моделей механических, гидравлических и др. процессов в элементах и ЭО в целом, а также результаты их исследования; расчетной схемы и методики определения силы и работы копания грунта поворотным движением ковша (по траектории большой кривизны), а также обоснования рациональных технологических схем разработки грунта оборудованием обратная лопата; алгоритмов, программного и методического обеспечения проектирования ЭО в компьютерной среде.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теоретических положениях, с соблюдением основных принципов математического моделирования, проверкой адекватности построенных моделей, совпадением расчетных данных, полученных предложенными методами, с экспериментальными данными собственными и данными других авторов, а также результатами практического использования предложенных в диссертации моделей, расчетных методов и алгоритмов, использованных в среде проектирования.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены в: ООО Объединённые машиностроительные заводы - Горное оборудование и технологии (Группа «Уралмаш-Ижора»); ООО «Сибироника» (г. Красноярск); учебном процессе ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» при подготовке инженеров по специальностям «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», «Автомобиле- и тракторостроение» и бакалавров по направлению «Наземные транспортные системы».

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на: республ. НТК «Строительные и дорожные машины и их использование в современных условиях» (СПбГТУ, 1995 г.); международной НТК «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (СПбГТУ, 1996 г.); международной НТК «Механизация и автоматизация строительства и открытых горных работ» (МГСУ, 1996 г.); всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: Экспертные системы и принятие решений» (г. Н. Новгород, НГТУ, 1999, 2000 г.); международной НТК «Проблемы адаптации техники к суровым условиям» (г. Тюмень, ТГНГУ, 1999 г.); всероссийской НТК «Политранспортные системы» (г. Красноярск, КГТУ, 2003, 2004, 2006, 2007 г.г.); VIII Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (г. Красноярск, ИВМ СО РАН, 2005 г.); НТК «Современные технологии в машиностроении и автомобилестроении» (г. Ижевск, ИжГТУ, 2005 г.), международной НТК «ИНТЕРСТРОЙМЕХ» (г. Харьков, ХГАДТУ, 2000 г.; г. Воронеж, ВГАСУ, 2004 г.; г. Москва, МГСУ, 2006 г.; г. Самара, СГАСУ, 2007 г.; г. Владимир, ВГУ, 2008 г.); научном семинаре кафедры «Строительные и подъёмно-транспортные машины» МГСУ в 2007 г.

Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 62 работы (том числе одна монография, семь учебных пособий, 29 статей, два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, 14 авторских свидетельств на изобретения). В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, опубликовано 10 статей.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников (193 наименования) и 13 приложений. Общий объем диссертации составляет 349 страниц, включая 113 рисунков и 28 таблиц.

2. Основное содержание работы

Введение. Обосновывается актуальность темы диссертационной работы, излагаются цель и основные задачи исследования, формулируются научная новизна, практическая ценность полученных результатов и основные результаты, выносимые на защиту, дается краткое содержание глав диссертации.

В первой главе исследованы особенности ЭО с точки зрения их проектирования. Выделены ряд формальных признаков и свойств ЭО, которые характеризуют эти машины с системных позиций: наличие большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих элементов; многофункциональность и иерархичность строения; наличие общей цели функционирования системы, общего назначения, определяющего единство сложности и организации; переменность структуры, обеспечивающей многорежимный характер функционирования; возможность адаптации к различным производственным условиям как структуры, так и режимов функционирования; стохастический характер во взаимодействии подсистем и элементов в структуре системы и всей системы с внешней средой; наличие признаков эргономичности. Современные ЭО включают в себя большое количество комплектующих элементов, представляющих сложные объекты, характер протекания физических процессов в которых в значительной степени определяет функциональные и эксплуатационные свойства ЭО.

Большой вклад в теорию и практику проектирования и улучшения эксплуатационных характеристик ЭО внесли В.И. Баловнев, Ю.А. Ветров, Д.П. Волков, Н.Г. Домбровский, А.Н. Зеленин, В.А. Зорин, Б.Г. Ким, Э.Н. Кузин, Е.М. Кудрявцев, И.А. Недорезов, В.А. Ряхин, Д.И. Федоров, Л.А. Хмара и др. Значительный вклад в разработку методик расчета и стандартов внесли М.Я. Агароник, И.Л. Беркман, С.М. Борисов, А.А. Буланов, В.К. Гойхман, А.С. Иоффе, П.В. Панкрашкин, А.В. Раннев, А.К. Рейш, А.В. Рустанович, Э.А. Смоляницкий и др. (НПО ВНИИстройдормаш). Вопросы математического моделирования и автоматизированного проектирования ЭО рассмотрены в работах В.Г. Ананина, Н.С. Галдина, А.Г. Григорьева, Н.Н. Живейнова, Л.Б. Зарецкого, Г.Н. Карасева, В.Я. Крикуна, Е.Ю. Малиновского, В.В. Москвичева, В.С. Щербакова.

Накопленный научный и производственный потенциал в области экскаваторостроения адаптируется к условиям компьютерного проектирования. Однако, выполненные разработки не ориентированы на работу в едином проектном пространстве, не в состоянии обеспечить методологическим аппаратом процессы проектирования ЭО в жестких условиях борьбы за конкурентоспособную продукцию, а именно: временные ограничения на получение проектных решений; большие потоки и разнообразие типов используемой информации; сложность формализации семантики процессов проектирования и информационного сопровождения ЭО в течение жизненного цикла. Для работы в компьютерной среде необходимо выделить формализованные и неформализованные процедуры проекта, методически согласовав их с основными компонентами ИПИ.

Зарубежные машиностроительные фирмы (освещены только отдельные аспекты создания ЭО) используют системы проектирования «тяжелого» класса с современными модулями CAD/CAE/CAM/PDM-систем, обеспечивая быстрый выход продукции на рынок и конкурентные преимущества в поддержании эксплуатационных свойств ЭО в течение ЖЦ.

Установлено, что все ранее проведенные исследования и разработанные теории и методики проектирования ЭО не решили всех поставленных перед данной работой задач.

Во второй главе разработана информационно-логическая модель (ИЛМ) процесса проектирования ЭО. Исходные положения ИЛМ формируются на основе следующего базиса: при постановке и решении задач проектирования нельзя раз и навсегда определить цели, выбрать конкретные действия; изготовители и потребители экскаваторов могут выстраивать различные модели поведения; экономические и технологические условия производства у различных производителей техники непрерывно изменяются. Процесс проектирования рассмотрен в двух аспектах - принятия решений в многослойной структуре, учитывающей иерархичность строения объекта и процесса проектирования и развернутость процессов во времени. Многослойная модель системы принятия проектных решений представлена в виде относительно независимых, взаимодействующих между собой подсистем. Нижний слой, самый близкий к процессу проектирования, - слой выбора. Задача этого слоя - выбор способа и последовательности действий в проекте. Если цель проектирования не достигается, могут быть изменены целевые функции и их оценки на вышестоящих слоях.

Процесс проектирования ЭО представлен как элемент жизненного цикла машины (рис. 1). В соответствии с принципами системного анализа внешними условиями (реакциями) являются: техническое задание (ТЗ) на проектирование и возможности производства, представленные множествами Х₀ и Z₀.



Для множества рассматриваемых концепций проекта реакции (Х₀, Z₀) в конкретной концепции проектирования выступают в роли ограничений. При известных ограничениях возможны, как правило, несколько реализуемых проектов, удовлетворяющих заданному ТЗ. Из множества таких проектов D_x = {x_: V₀(x, Х₀, Z₀) 0} (V₀ некоторое формальное условие допустимости проекта x при заданных Х₀, Z₀) выбирается предпочтительный на основе критериев Y₀ = F₀(x, Х₀, Z₀). В случае векторного критерия предполагается, что существует некоторое правило W₀, позволяющее по значениям критериев на всем множестве D_x определить предпочтительный проект . В формализованном виде задача формирования рационального проекта (П) ЭО представлена в виде следующего кортежа:

(1)

Понятие «рациональный проект» можно отнести к любой i-й подсистеме (агрегату, узлу и т.д.) ЭО, а совокупность рассматриваемых для ЭО проектов

(2)

где k - количество уровней конструктивной иерархии.

Кортеж (2) охватывает основные этапы проектной деятельности, связанной с формированием рационального варианта проекта. Необходимым условием выполнения этих этапов в автоматизированном режиме является рациональная декомпозиция процесса проектирования и подготовка проектных модулей, решающих определенные задачи (рис. 2).

В процессе проектирования разработчику на основе комплексного исследования характеристик ЭО необходимо реализовать проект П ЭО, регламентируемое пространство параметров которого Х₀ входило бы в область допустимых решений D_x, определяемую требованиями технического задания на разработку:

Для заданной концепции ₀, эвристически определяемых X₀, Z₀, V₀, D_x, Y, F₀ и W₀, процесс разработки ЭО строится на основе некоторого множества информационно-логических моделей L, отражающих методическое обеспечение и связывающих на алгоритмическом и информационном уровнях множество математических моделей физических процессов, множество характеристик качества и структурно-компоновочную модель машины, а также множества моделей эвристических процедур, используемых в процессе проектирования ЭО:

(3)

где M_i - оператор, связывающий регламентируемые характеристики ЭО, входные воздействия и параметры математической модели i-го физического процесса ; - оператор, связывающий структурно-компоновочные решения (например, развесовку экскаватора) с критериями эффективности и/или требованиями ТЗ; - множество баз знаний, построенных (например) в системе продукций: где - i-я база знаний - множество правил (продукций), включающих множество фактов i-й продукции; P_P - множество неавтоматизированных процедур (рис. 2).

Рис. 2. Группировка расчетных и эвристических задач, решаемых на основе информационно-логической модели ЭО

Форма записи проекта (3) является неполной относительно формы (1), но более реалистичной. Разработчик ЭО должен ориентироваться в пространстве понятий как формы (1), так и формы (3).

В составе проекта PR введена унифицированная форма представления i-го физического процесса дающей определение выходных параметров:

t - время (в общем случае t - независимый аргумент: время, частота, пространственная координата и т. д.); - множество внутренних параметров модели (: X_Э - множество электрических параметров; X_Г - множество гидравлических (аэродинамических) параметров; X_М - множество механических параметров; X_Т - множество теплофизических параметров).

Мощность n множества M = {M₁, M₂, …, M_n} моделей физических процессов, исследуемых при проектировании ЭО, определяется диаграммой сочетаний возмущающих факторов и j-м уровнем иерархии объекта (агрегата) ЭО. Возмущающие факторы группируются в соответствии с режимами работы соответствующего агрегата: «Копание грунта», «Поворот платформы», «Транспортный режим» и т. п.

В общем случае формальной незамкнутости задачи принятия решений (n показателей эффективности, m вариантов решений по множеству неопределенностей ) каждому варианту решения соответствует диапазон:

Формально установить, какое из решений «лучше», в большинстве случаев невозможно: для окончательного однозначного выбора решения необходимо привлечение проектировщика. Поэтому принцип поиска «оптимального» решения заменен в ряде задач принципом поиска «наиболее обоснованного» решения (субоптимизации) с привлечением эвристических процедур.

Решение задачи синтеза при выборе концепции сведено к выявлению и исследованию предпочтений лица принимающего решения (ЛПР). В многокритериальной постановке обеспечивается построение функций принадлежности на основе метода анализа иерархий (Т. Саати), модель которого построена на основе теории нечетких множеств (Л. Заде). Для заданного множества альтернатив каждая альтернатива (концепция) характеризуется нечетким множеством , полученным на основе оценок экспертов, , где Y₀ - множество критериев выбора.

Весовые коэффициенты критериев определяются на основе матрицы парных сравнений критериев относительно цели выбора и используются при разработке и модификация И-ИЛИ дерева технических решений.

Необходимость в распараллеливании работ с целью сокращения сроков проектирования обеспечивается в ИЛМ путем иерархического представления ЭО и членения проектных задач на более мелкие путем выделения вертикальных и горизонтальных структур данного процесса - проектных операций: S_ij = {, z_ij, _ij, r_ij, V_ij, Y_ij, K_ij, W_ij,}, (i = 1, 2, …, n, j = 1, 2, …, m), где r_ij - новая компонента, выделяющая из x_ij те проектные параметры, которые зависят от результатов выполнения соседних с S_ij операций, причем ; i = 1, n-1; j = 1, m(n число уровней детализации проекта, а m число операций детализации на i-м уровне, i =1, 2, …, n). Такое представление S_ij является основанием для построения проектных модулей программного обеспечения. ИЛМ допускает формирование частных задач проектирования, используя наиболее простые и экономичные модели на начальных итерациях процесса проектирования, когда высокой точности результатов не требуется.

В третьей главе на основе принципа смешанной иерархии (детальная модель определенного конструктивного узла более низкого уровня иерархии комплексируется с макромоделью конструкции более высокого уровня иерархии и т. п.) сформирован набор моделей подсистем ЭО.

Структурно-компоновочные модели ЭО с оборудованием обратная лопата (основным оборудованием для ЭО I-V типоразмерных групп). В модели учитываются условия устойчивости машины и ряд нелинейных функций G_i, построенных на основе анализа причинно-следственных связей. В качестве основных факторов выделены устойчивость машины, внешнее силовое воздействие, технологические параметры, мощность энергоустановки. Формально задача определения развесовки ЭО для входного вектора A_э = {q, P_M, R_M, N_ДВ} сводится к определению G_э ={ G_i }; X_э={ x_i }; i = 1, 2, …, N, где G_э - вектор масс элементов экскаватора; X_э - вектор линейных координат центров масс G_i (табл. 1).

Таблица 1. Модель развесовки одноковшового экскаватора

№	Компоненты вектора Xэ	Компоненты вектора Gэ (масса элемента, агрегата)	Логическая модель подсистемы ЭО
1			m1: {C, q, k21} GK: G1
2			m2: {PM, RM, k22} GРО: G2
3			m3: { NДВ, k23} GА: G3
4			m4: { PM, RM, k24} GДВ: G4
5			m5: { Gэ, Xэ, kу, kн, q, ггр, Lo, B} GПР: G5
6			m6: {G, GПР, RХЧ, k26} GПЛ: G6
7			m7: {G, GПР,GПЛ, B, k27} GТ: G7
8			m8: {GРО, GА, GДВ, GK } G: G8
9		Масса экскаватора или	m9: {GРО,GА,GДВ,GK, GТ, GПЛ, GПР} Gэ: G9
			m10: { Gэ, k10} B

Примечание. C прочность разрабатываемого грунта; q вместимость ковш а; P_M, R_M наибольшая сила и радиус копания; N_ДВ мощность двигателя; k_у коэффициент устойчивости экскаватора; k_н коэффициент наполнения ковша (в момент потери устойчивости); г_гр объемный вес грунта; l_o, B поперечная и продольная базы ходового устройства; R_ХЧ радиус хвостовой части поворотной платформы; G_k, G_ро, G_a, G_дв, G_пр, G_пл, G_т, масса соответственно ковша, рабочего оборудования, гидроагрегатов поворотной платформы, двигателя, противовеса, металлоконструкции платформы, ходовой тележки; G_э масса экскаватора; k_ij коэффициенты.

Коэффициенты модели получены на основе анализа статистических данных. Для определения масс элементов конструкции применена гипотеза об изменении массы равнопрочного бруса, подверженного действию изгибающего момента (модели m₂, m₆, m₇), а условие устойчивости экскаватора с оборудованием обратная лопата обеспечивается необходимой массой противовеса (модель m₅). На основе графа модели развесовки ЭО (рис. 3) обеспечивается изменение степени ее разукрупнения и/или агрегирования (рис. 3, б).

Рис. 3. Ориентированный информационный граф модели развесовки экскаватора (а) и агрегированная модель определения развесовки рабочего оборудования экскаватора (б)

На практике каждому типоразмеру экскаватора соответствует диапазон изменения радиуса R_M и вместимости ковша q при условии: max (R_M) min (q), min (R_M) = max (q), где - наименьшее значение максимального радиуса копания. Для сложившегося типоразмерного ряда экскаваторов с оборудованием обратная лопата характеристики массы сопоставлены с расчетными. Ошибка определения массы машин 3-5 групп составляет до 3 % и для экскаватора 6-й размерной группы - 9 %. Элементарные модели m₂ и m₉ корректируются для каждого вида сменного оборудования.

Разработанный метод расчета массы ЭО дает возможность построения автономных и взаимосвязанных модулей программного обеспечения в системах проектирования; варьирования размерности задач на основе процедур агрегирования и разукрупнения, отыскания компромиссных решений при распределении ресурсов, выделяемых на управление структурной динамикой (развесовкой) машины, обеспечения соответствия декларативной формы математической модели (в основе которой описание модели задачи, а не алгоритма ее решения) принципам представления знаний в системах проектирования.

Описание структуры механизмов, модели кинематического и силового расчета. Принято допущение, что все пространственные элементы рабочего оборудования можно представить как совокупность абсолютно твердых тел, совершающих поступательное или вращательное движение в локальных или основной системе координат, связанной с осью вращения поворотной платформы и опорной поверхностью машины. Для кинематических и силовых расчетов на основе теории графов обеспечена автоматизированная «сборка» уравнений (рис. 4). Так, уравнения равновесия элементов рабочего оборудования:

 (4)

Здесь a_ij элементы матрицы инциденций орграфа рассматриваемого гидромеханизма; X_j и Y_j реакции в шарнирах гидромеханизма; I_i множество шарниров i-го тела; Р_iх и Р_iy горизонтальные и вертикальные проекции внешних сил, действующих на i-е тело; М_i момент внешних сил на i-м теле; b_ij и c_ij плечи сил X_j и Y_j относительно шарниров j = i. Предусмотрены различные способы формирования матрицы инциденций. Система (4) сведена к матричной форме и решается с помощью математического пакета Mathcad.

Рис. 4. Пример описания структуры гидромеханизмов при помощи ориентированного графа

Модель пространственного движения элементов рабочего оборудования сформирована на основе преобразования однородных координат расчетной точки X⁽ⁱ⁾) в системе координат Oxyz (рис. 4):

(5)

где Т_0,1 - матрица перехода от системы координат O₁x₁y₁z₁ к системе Oxyz:

Зависимости (4) и (5) являются основой кинематического и силового расчетов, параметрического синтеза, оптимизации, а также расчета напряжения в любом из элементов рабочего оборудования. Задача поиска расчетных положений элементов рабочего оборудования формализована следующим образом: определить координаты элементов рабочего оборудования ₁, ₂ и ₃ и положения силы относительно ковша, при которых в рассматриваемом элементе оборудования возникают максимальные напряжения :

, (6)

где - множество неопределенностей, состоящее из четырех элементов: . Элементы множества должны быть поставлены в соответствие с вероятностью работы элементов оборудования в конкретных диапазонах изменения _i. При анализе расчетных положений учитываются ограничения силы по устойчивости ЭО, по возможности протаскивания ЭО относительно опорной поверхности грунта и настройке клапанов гидромеханизмов оборудования. Для этой цели разработаны соответствующие алгоритмы.

Детальное исследование напряженно-деформированного состояния металлоконструкции машины ориентировано на метод конечных элементов (МКЭ). Поскольку для некоторых элементов рабочего оборудования необходимая мощность множества _i, обеспечивающая решение задачи (6), достаточно велика (|G|>10³), то использование МКЭ в этих задачах исключается в связи с катастрофическим ростом затрат машинного времени. Поэтому предварительный поиск расчетных положений рекомендуется выполнять по упрощенной методике (без учета реальной податливости элементов), а в ограниченной области изменения _i выполнять расчет с использованием МКЭ. Практическая реализация метода осуществлена в CAD/CAE-среде SolidWorks-visualNastran. Выявлено, что даже при существенном увеличении множества положений (|G|>10⁵) степень обоснованности проекта не может быть равна единице, поскольку, во-первых, множество не может быть сужено до нуля, а, во-вторых, всегда можно выделить такие расчетные положения, где сила не ограничивается перечисленными факторами. В связи с этим предложены конструктивные решения (а.с. № 949091 и а.с. № 1313979), исключающие подобные (экстремальные) сочетания факторов.

Моделирование приводных систем и рабочей среды. Элементы приводных систем сменного рабочего оборудования ЭО рассматриваются в сосредоточенных параметрах, что позволяет представить их в виде физически неоднородной цепи и применить в расчетах развитый аппарат моделирования на основе эквивалентных схем и соответствующие прикладные программы, обеспечивая реализацию типовых проектных процедур (статика, временной анализ, модели чувствительности, оптимизация и др.).

Математические модели конструктивно-функциональных узлов машины (обратная лопата, бурильное оборудование, гидропневматический молот), а также моделей рабочих сред представлены как многополюсники (рис. 5-7) и хранятся в библиотеке среды проектирования. Параметры модели прочного грунта (коэффициенты системы дифференциальных уравнений и соответственно схемная модель) получены решением задачи идентификации по экспериментальным данным КФ ВНИИстройдормаш. Схемное представление моделей обеспечивает наглядность, изменение уровня детализации, иерархичность представления, гибкость модификации и особенно важно для разработчиков, не имеющих специальной подготовки в области информационных технологий.

Модели процесса копания грунта. Особенностью рабочего процесса экскаватора с оборудованием обратная лопата является возможность разработки грунта поворотом ковша относительно шарнира его крепления к рукояти. Резание грунта по траектории большой кривизны связано с меньшими энергозатратами и специфично по следующим признакам (рис. 8): глубина и угол резания зависят от положения ковша; пространственность картины разрушения грунта изменяется в связи с изменением соотношения глубины и ширины резания; расчетная схема резания грунта трансформируется на этапе выглубления режущей кромки ковша (вырезание грунтового сегмента в условиях действия пригрузки P(x) от грунта, находящегося в ковше). Таким образом, физическая картина резания грунта на этапе выглубления режущей кромки ковша трансформируется, что не учитывается в известных расчетных схемах и математических моделях.



Рис. 8. Расчетная схема для определения усилия резания при движении режущей кромки по траектории большой кривизны: а - начальный этап; б - конечный этап резания

Глубина и угол резания на начальном этапе (рис. 8, а) с учетом текущего угла поворота ковша h = R[cos( ) cos], = ₀ + - , где h - глубина резания; R - радиус резания; - половина полного угла поворота ковша в грунте; - текущий угол поворота ковша, определяющий положение ковша относительно принятой системы отсчета, град.; - расчетный угол резания; ₀ - угол резания, измеренный от касательной к траектории в данной точке (по аналогии с резанием грунта по прямолинейной траектории).

Для конечного этапа резания (допуская совпадение плоскости последнего крупного тела скольжения с точкой В на рис. 8, б) расчетный угол и глубина резания ₀ ; h = R[cos( ) cos( )], где - угол сдвига грунта.

Веденные допущения, основанные на экспериментальном материале, позволяют применить к анализу процесса резания по траектории большой кривизны аналитический аппарат теории резания грунтов. Для определения касательной к траектории резания грунта используются аналитические зависимости Зеленина-Горовица-Живейнова, учитывающие пространственность процесса разрушения, которые после преобразований представлены так:

. (7)

Здесь первое слагаемое определяет работу, затрачиваемую режущим периметром на преодоление сил связности грунта (поверхностных сил), второе - работу объемных сил (сил веса грунта в зоне разрушения), третье - работу, характеризующую пространственность процесса разрушения грунта перед горизонтальным профилем, четвертое - работу объемных сил от пригрузки в зоне резания и последнее - работу вертикальных профилей (боковых стенок ковша).

В более компактном виде с использованием индексированных переменных

где a_i= f(₀, ), b_i = f(,,D) и c_i= f(R, l) - элементы слагаемых в формуле (7), учитывающие кинематические характеристики процесса резания, параметры грунта ( - сцеп-ление грунта, - угол внутреннего трения грунта, - сопротивление вдавливанию; D - функция параметров ₀, ) и параметры ковша.

Сопротивление наполнению (рис. 9) представлено как сумма сил трения и липкости о боковые стенки T₇ +T₈ и силы липкости о днище ковша T₉ в соответствие с выражением

где - коэффициент внешнего трения грунта; - нормальное давление грунта на боковую стенку ковша; - удельная липкость грунта.

Касательная к траектории сила копания . Работа копания для любого участка траектории определяются как

или , а сила копания . (8)

В заданных грунтовых условиях и параметрах рабочего органа отличие в расчете силы и работы копания заключается только в использовании различных векторов A = {a₁,a₂,…,a₉} и ={,,…,}, элементы которых выражены аналитическими функциями и табулированы для ориентировочных расчетов. Векторное представление силы и работы копания дает лучшие возможности построения вычислительных алгоритмов. Анализ механики процесса копания и расчеты на основе (8) позволили выявить наиболее энергоемкий участок траектории копания (вдавливание режущей кромки в начале траектории) для различного профиля вырезаемого грунтового тела (отличающегося от формы сегмента по рис. 8), обосновать наиболее рациональную по энергоемкости копания технологическую схему разработки грунта ковшом обратной лопаты.

В четвертой главе разработана концепция автоматизированной технологии и среды проектирования ЭО. Для реализации методологии проектирования ЭО в состав среды проектирования включены модели физических процессов, модели эвристических процедур (базы знаний), электронный макет ЭО), макромодели функционирования и эффективности ЭО, а также обоснованный перечень требований к комплексированию перечисленных компонент (рис. 10).

Математические модели физических процессов представлены в среду проектирования в форме (3). Мощность n множества M = {M₁, M₂, …, M_n} моделей физических процессов, исследуемых при проектировании ЭО, определяется диаграммой сочетаний дестабилизирующих факторов и j-м уровнем иерархии в соответствие с информационно-логической моделью проектирования. В среде проектирования каждый физический процесс или проектная процедура выделены в отдельную подсистему, определены связи между подсистемами, что позволяет исследовать составную единую модель или ее часть как систему. Компоненты среды проектирования, разрабатываемые в диссертации, выделены пунктиром на рис. 10.

Среда проектирования ЭО позволяет реализовать полный цикл проектных исследований, отражаемый в информационном проектном пространстве. В зависимости от комплекса внешних воздействий, типоразмера ЭО, вида сменного оборудования и уровня разукрупнения у разработчика имеется возможность изменять число связей между подмоделями и исследовать наиболее важные эффекты, проявляющиеся при совместном протекании в ЭО физических процессов.

Для реализации методологических аспектов комплексного исследования характеристик ЭО необходимо, чтобы используемое в среде проектирования информационное проектное пространство позволяло реализовать функции по накоплению, обработке, хранению, распространению и отображению информации в соответствии с методологическими аспектами ИПИ-технологии. Таким образом, необходимо в процессе комплексных исследований характеристик ЭО в создаваемой в диссертации методологии использовать (импортировать и экспортировать) определенный объем информации об ЭО.

Для достижения данной цели предложено использовать электронный макет (ЭМ) ЭО (рис. 11) на основе следующего определения: «Электронный макет - это единое пространство параметров, отражающих структуру, схемотехническую и/или конструкторско-технологическую реализацию отдельных частей или ЭО в целом, полученную на основе комплексных исследований характеристик ЭО средствами математического моделирования в рамках информационного взаимодействия разработчиков на любом этапе жизненного цикла ЭО с использованием ИПИ-идеологии».

Единое пространство параметров отражается в ЭМ в виде результатов моделирования, а также схем, эскизов, чертежей, геометрических (виртуальных) моделей. Полученная модель перемещается по различным этапам жизненного цикла ЭО путем ее конвертации в стандарт STEP для информационного взаимодействия разработчиков в рамках сетевых технологий (электронных сетевых предприятий или распределенных КБ).

Сформулирован ряд требований, необходимый для решения задач проектирования ЭО в рамках создаваемой методологии. Требования определяют взаимную согласованность алгоритмических, математических, методических и информационных обеспечений.

При синтезе подмоделей механических, гидравлических и др. процессов наиболее «жесткими» являются следующие требования: необходимо учитывать особенности конструкторско-технологических решений, используемых разработчиками ЭО; в процессе синтеза моделей метод должен использовать ранее разработанные модели и в максимально гибкой форме подключать новые классы моделей с целью реализации процедур поискового проектирования ЭО. Для обеспечения этих требований метод должен оперировать с моделями, условно разделенными на три класса: 1-й класс (микромодели) - модели с динамически изменяемой структурой в автоматическом режиме по заданным геометрическим и физическим параметрам конструкции; 2-й класс (макромодели) - модели с жесткой структурой, но с гибко изменяемыми параметрами и описанием структур моделей; 3-й класс (метамодели) - модели организационно-технических систем. В соответствии со схемой (рис. 12) метод математического моделирования для комплексного исследования характеристик ЭО ориентируется на автоматизацию двух наиболее сложных, с точки зрения формализации, эвристических процедур, а именно: формализацию конструкции с точки зрения исследуемого процесса (выделение в геометрической модели электронного макета множеств известных и неизвестных конструкторско-технологических решений, определяющих специфику протекания исследуемого процесса); формализацию ряда моделей физических процессов для выделенных множеств конструкторско-технологических решений (определение множества моделей 1-3-го классов, степени их детализации, а также правила их объединения в общую композицию).

В общем виде процесс синтеза модели какого-либо исследуемого физического процесса (механического, гидравлического и т.д) в рамках рассмотренного выше метода может быть представлен в виде параметрической модели синтеза:

где - концепция ЭО при использовании i-й модели конструкции j-го физического процесса; - правило синтеза i-й модели конструкции ЭО j-го физического процесса; - n-я база знаний, определяющая правила синтеза; - множества моделей 1-го и 2-го классов проектируемых k-х узлов (элементов) j-го физического процесса.

Процесс экспертного анализа вышеописанных процедур выполняется в рамках метода средствами экспертной системы, использующей базы знаний и , состоящие из конечного множества продукций (правил) и конечных множеств фактов . Продукции в базах знаний являются независимыми и устанавливаются для любого множества фактов . Факты, в свою очередь, могут являться взаимосвязанными, создавать единое знание из нескольких фактов (), что позволяет трансформировать простые знания в более сложные (метазнания). При обращении к экспертной системе разработчик получает выбранный из базы знаний запрос в формате В результате ответа на запрос экспертная система, применяя продукцию, получает новый факт и снова выдает запрос и т. д. База знаний осуществляет логический вывод, оперируя характерными признаками определенного конструктивного узла, конструктивного элемента или конструкции в целом. Такие признаки хранятся в справочном файле и описываются так же, как и модели при помощи множества пар «объект = значение».

Необходимым атрибутом среды проектирования является диалог, в процессе которого от ЛПР требуется получение дополнительной информации в виде весовых коэффициентов, условий предпочтения и т. д. Предпочтительными для ЛПР операциями являются: упорядочение критериев по важности; выделение части критериев, значение которых неудовлетворительно в наибольшей степени. Компромисс между своими потребностями у ЛПР образуется в результате реализации проектной процедуры и представляет собой адаптацию ЛПР к задаче.



Разработанные среда проектирования, электронный макет ЭО и требования к комплексированию моделей и методов послужили основой для создания методологии проектирования ЭО в компьютерной среде (рис. 13). Принципиальное отличие возможностей методологии от известных состоит в том, что математические модели строятся на основе обобщенных подходов к физически неоднородным процессам в приводных системах и рабочих процессах и ориентированы на широкую номенклатуру схемно-конструкторских реализаций рабочего оборудования ЭО.

В состав методологии вошла экспертная система, позволяющая автоматизировать за счет применения разработанных баз знаний ряд сложноформализуемых эвристических проектных процедур, представленных в составе методического обеспечения.

В пятой главе представлены методика, оборудование и результаты экспериментальных исследований процесса копания грунта по траектории большой кривизны и определению рациональных технологических схем копания ковшом обратной лопаты. Исследования выполнены на стенде (q = 0,2 м³) и на экскаваторах с установленными на них экспериментальными и серийными ковшами (q = 0,4 м³ и q = 0,5 м³). Опыты проводились на трех типах грунтов: уплотненном песке, суглинке (C = 4-5) и глине (C = 5-6) естественного залегания. В опытах на экскаваторе-стенде использовался ковш оригинальной конструкции. Режущая часть ковша выполнена в виде периметра, закрепленного при помощи шарнира и тензотяг для измерения силы резания. Сила копания фиксировалась по тензоосям в шарнирах ковша.

Установлено, что форма грунтового тела, поступающего в ковш, не соответствует известным геометрическим представлениям о пластах грунтах при послойной их разработке и представляет собой частично разрушенный грунтовый сегмент.

Сопоставление расчетных и экспериментальных зависимостей сопротивления наполнению показывает, что с учетом фактической площади контакта грунта с элементами ковша расчетные величины отличаются от опытных не более чем на 15 %. Известные формулы обеспечивают аналогичную точность только для несвязных грунтов, а для связных грунтов (в частности для С > 5) ошибка расчетов по ранее предложенным формулам составляет более 100 %.

Сравнение расчетных значений силы и энергоемкости копания по формулам (8) показало удовлетворительное соответствие экспериментальным данным. Наибольшая ошибка (19%) получена для условий разработки грунта экскаватором в полевых условиях. Лучшее соответствие наблюдается при сопоставлении расчетных величин с результатами стендовых исследований, на большей части траектории (в том числе при h = h_max) расхождение не превышает 10 %. Доказана корректность формулировки расчетных условий и схем для определения силы, работы и энергоемкости копания грунта поворотом ковша.



Рис. 13. Методология проектирования одноковшовых экскаваторов, базирующаяся на основных принципах ИПИ-идеологии и комплексном математическом моделировании структурно-компоновочных решений, физических процессов и техникоэкономической оценки параметров

Для условий послойной разработки грунта ошибка по силе резания и копания не превышает 12,6 %, а по работе копания 11,8 %. При резании по траектории большой кривизны оценка ошибки составляет: 4 % - по силе резания для наибольшей глубины копания; 16 % - усредненная по всей траектории; 23 % - максимальная по отдельным участкам траектории.

Независимо от конструктивных особенностей и жесткости подвески ковша наиболее эффективной технологической схемой разработки грунта является схема 1, при которой обеспечивается наименьшая энергоемкости копания и улучшение наполнения ковша. При наличии колебаний у центра подвески ковша нормальная к траектории сила копания может принимать отрицательные значение. При этом увеличивается энергоемкость копания за счет дополнительных сопротивлений от трения грунта по внешней части днища ковша. При копании по схеме 1 влияние колебаний центра подвески ковша на силовые и энергетические показатели процесса наименьшие.

Технологическая схема разработки грунта поворотом ковша (схема 1), в которой каждый последующий рез в забое выполнялся выше предыдущего, обеспечивает наименьшую энергоемкость процесса и ее следует считать рациональной независимо от конструктивных особенностей рабочего органа и жесткости подвески ковша.

Соотношение нормальной и касательной к траектории сил копания определено для схемы 1 (ковш с зубьями) с учетом перемещения центра подвески ковша по нормали от поверхности грунта определяется уравнением регрессии:

(9)

где , - нормированные значения угла поворота ковша и наибольшего перемещения шарнира поворота ковша (центр D-оптимального плана определен координатами ).

Учитывая, что колебания центра подвески ковша при вырезании реального расчетного профиля грунта для серийных машин не превышает 5 см, можно рекомендовать для расчетов , что соответствует =-0,33ч(-0,6) в формуле (9).

На основе аналитических и экспериментальных исследования для ковшей обратной лопаты разработаны рекомендации по определению ширины ковша из условия свободной (гравитационной) выгрузки грунта. Минимальная ширина ковша

где , , и др. соответствуют обозначениям в формулах (8); - параметр, характеризующий боковую площадь грунтового сегмента.

Выявленные в процессе исследований рабочего процесса закономерности явились основой повышения эффективности экскаваторных ковшей (а.с. 751912, а.с. 825781, а.с. 941477, а.с. 1021722, а.с. 1105561, а.с. 1313957).

В шестой главе обоснована технологическая схема проектирования, реализующая предложенную методологию проектирования ЭО. Она представлена в виде общей (ОЗП) и частных (ЧЗП) задач проектирования. Соподчиненность в последовательности выполнения проекта П определяется следующей цепочкой: проектная операция > проектная процедура > ЧЗП > П. Здесь стрелка обозначает отношение «принадлежит к».

...