Семенова Ирина Анатольевна. Автоматизация моделирования зубьев-рыхлителей активного действия на основе гидроударников для экскаваторов

Короткий опис

Семенова Ирина Анатольевна. Автоматизация моделирования зубьев-рыхлителей активного действия на основе гидроударников для экскаваторов : дис. ... канд. техн. наук : 05.13.12 Омск, 2006 155 с. РГБ ОД, 61:07-5/756

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
(СибАДИ)
СЕМЕНОВА ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА
АВТОМАТИЗАЦИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗУБЬЕВ-РЫХЛИТЕЛЕЙ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ НА ОСНОВЕ ГИДРОУДАРНИКОВ ДЛЯ ЭКСКАВАТОРОВ
Специальность 05ЛЗЛ2 - Системы автоматизации проектирования
(промышленность)
Диссертация
на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук,
профессор Галдин Н.С.
Омск - 2006
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО РЫХЛИТЕЛЬНОМУ ОБОРУДОВАНИЮ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЭКСКАВАТОРА И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
САПР ДЛЯ ЕГО СОЗДАНИЯ 10
1Л. Анализ систем автоматизированного моделирования зубьев- рыхлителей активного действия на основе гидроударников 13
1.2. Анализ конструкций гидроударных устройств, применяемых в
качестве активных рабочих органов 15
1.3. Анализ исследований процессов динамического разрушения грунта 34
1.4. Цель, задачи, методика выполнения исследований. Структура работы... 43
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗУБА-РЫХЛИТЕЛЯ АКТИВНОГО
ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ЭВМ 48
2.1. Математическая модель зуба-рыхлителя активного действия на
основе гидроударника (взвод, торможение, разгон) 49
2.2. Математическая модель процесса разрушения грунта 56
2.3. Уравнения регрессии и основные зависимости для определения
основных параметров зуба-рыхлителя активного действия на основе гидроударника 63
2.4. Выводы 69
3. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗУБА
- РЫХЛИТЕЛЯ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЭКСКАВАТОРА 70
3.1. Анализ факторов, необходимых учитывать при моделировании гидроударного устройства, используемого в качестве зуба - рыхлителя активного действия 71
з
3.2. Алгоритм и средства моделирования зуба - рыхлителя активного
действия экскаватора 75
3.3. Выводы 81
4. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗУБЬЕВ- РЫХЛИТЕЛЕЙ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИХ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ 83
4.1. Методика автоматизированного моделирования зубьев - рыхлителей
активного действия 84
4.2. Некоторые результаты моделирования зубьев-рыхлителей 88
4.3. Основные требования к зубьям-рыхлителям активного
действия на основе гидроударников 103
4.4. Выводы 108
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 109
ЛИТЕРАТУРА 111
ПРИЛОЖЕНИЯ 125
1. Программно - имитационный комплекс для моделирования рыхлителей
активного действия на основе гидроударников для экскаваторов 125
2. Исходные для моделирования зуба - рыхлителя активного действия для
экскаватора 131
3. Документы по апробации диссертационной работы и реализации ее
результатов 139
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время научные и производственные объединения отрасли строительного, дорожного и коммунального машиностроения нуждаются в оснащении современными системами автоматизированного проектирования, поискового конструирования и технологической подготовки производства, охватывающими, как правило, весь цикл создания новых изделий /10/.
Актуальным вопросом в настоящее время при проектировании и произ-водстве дорожно - строительных машин (ДСМ), гидравлических экскавато¬ров в частности, является расширение номенклатуры сменного рабочего обо¬рудования для увеличения технологических возможностей и эффективности применения современных машин.
Производством и проектированием гидравлических экскаваторов, смен-ного рабочего оборудования к ним занимаются Тверской, Ковровский, Воро-нежский экскаваторные заводы, Омский завод транспортного машинострое¬ния и многие другие организации.
При создании сменного оборудования необходимо учитывать вопросы эффективности использования данного оборудования с учетом физико-механических свойств разрабатываемых грунтов и технических характери¬стик базовой машины.
На экскаватор можно установить вместо ковша различное сменное обо-рудование: гидромолот, зуб - рыхлитель активного действия, фрезерно¬роторный снегоочиститель и другое оборудование.
Анализ преимуществ и недостатков различных способов разработки грунтов выделяет по значительному ряду преимуществ активный способ раз-работки, к которому можно отнести послойное рыхление гидропневматиче¬ским ударным инструментом /14/.
Применение гидроударного рабочего оборудования на строительных экскаваторах, повышает эффективность работы машин при разработке мерз-
лого и прочного грунта, разрушении различных покрытий и выполнении других видов работ.
Производительность активных (основанных на применении гидроудар¬ных устройств) рабочих органов машин во многом определяется правильным выбором конструктивных, энергетических и рабочих параметров гидроудар¬ников с учетом назначения, выполняемых функций и применяемой базовой машины.
При ударном разрушении рассматривается система зависимостей “базо¬вая машина - зуб - рыхлитель на основе гидроударника - грунт ”. Для эф¬фективного разрушения грунтов, различных по физико-механическим свой¬ствам, необходимо учитывать свойства грунтов и изменять характеристики зуба-рыхлителя активного действия (энергию, ударную мощность, частоту ударов и др.) в зависимости от свойств грунта /27/.
Прогресс в области информационных технологий требует разработки зубьев-рыхлителей активного действия с использованием современных средств программного обеспечения, моделирования с помощью компьютера процесса разрушения грунта, разработки системы автоматизированного про¬ектирования (САПР) активных рабочих органов /1, 2, 49, 50, 69, 79, 112, 142/.
Необходимо отметить, что вопросы общего исследования, моделирова¬ния, проектирования работы зубьев - рыхлителей активного действия на ос¬нове гидроударников для ДСМ недостаточно полно освещены в научно- технической литературе. Отсутствуют научно обоснованные рекомендации по проектированию, в том числе и с использованием САПР, зубьев - рыхли¬телей активного действия на основе гидроударников для экскаваторов.
Поэтому одним из путей создания эффективных зубьев - рыхлителей ак¬тивного действия следующего поколения является использование системы автоматизированного проектирования (САПР) для их разработки с учетом физико - механических свойств разрушаемых грунтов и параметров базовой машины.
Важнейшей составной частью САПР являются системы автоматизации моделирования (САМ), которые осуществляются под непосредственным контролем пользователя в форме человеко - машинного диалога. САМ по¬зволяют оперативно оценивать с помощью ЭВМ функционирование зубьев- рыхлителей активного действия экскаваторов и составляющих их подсистем и устройств.
Существуют различные универсальные пакеты визуального модели¬рования, позволяющие моделировать структурно - сложные динамические системы: SIMULINK и SimMechanics пакета MATLAB, EXCEL, SystemBuild пакета MATRIX, Dymola (Dymasim), Modelica (The Modelica Design Group), Model Vision Studium, системы проектирования Компас, AntoCAD Pro/Engineer, T - Flex др.
Несмотря на то, что эти пакеты являются универсальными и обладают мощными средствами для моделирования и визуализации сложных объектов, построить модель системы «грунт - рабочий орган - базовая машина» с учетом всех факторов, оказывающих влияние на систему «грунт - рабочий орган - базовая машина», в среде указанных пакетов сложно, и требует трудоемкой подготовки к моделированию и проектированию.
Таким образом, проблема разработки методов автоматизированного мо-делирования зубьев - рыхлителей активного действия для экскаваторов на основе современных компьютерных технологий для решения задач проекти¬рования активных рабочих органов является весьма актуальной.
Основная идея работы заключается в использовании системы автома-тизированного моделирования для решения задачи создания эффективных зубьев - рыхлителей активного действия ДСМ для разработки грунтов.
Цель диссертационной работы заключается в разработке методики и алгоритмов автоматизированного моделирования зубьев-рыхлителей актив¬ного действия на основе гидроударников для экскаваторов.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
- провести анализ и систематизировать существующее оборудование ударного действия, применяемого для разработки грунтов;
- разработать математические модели зубьев-рыхлителей активного дей¬ствия экскаваторов, предназначенных для разработки различных видов грун¬тов;
- установить аналитические зависимости параметров системы «грунт - рабочий орган - базовая машина»;
- обосновать основные параметры зубьев - рыхлителей активного дейст¬вия для экскаваторов;
- разработать алгоритмы и методику автоматизированного моделирова¬ния рациональных параметров зубьев - рыхлителей активного действия на основе гидроударников для экскаваторов.
Методика исследований основывается на использовании математиче¬ского моделирования динамических процессов гидроударников, взаимодей¬ствия рабочих органов с грунтовой средой, применении методов регрессион¬ного анализа, математического анализа, использовании научных положений гидромеханики, теоретической механики, механики грунтов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтвер¬ждается корректностью принятых допущений, сравнением результатов мате¬матического моделирования, имитационного моделирования на ЭВМ с суще¬ствующими экспериментальными данными, опубликованными в технической литературе.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработаны математические модели зубьев - рыхлителей активного действия на основе гидроударников с учетом свойств разрабатываемого грунта;
- установлены рациональные конструктивные параметры зубьев- рыхлителей активного действия экскаваторов, применяемых для разработки определенного вида и категории грунта;
- установлены характеристики и функциональные зависимости основных параметров зубьев - рыхлителей активного действия на основе гидроударни¬ков от свойств разрабатываемого грунта и характеристик базовой машины;
- разработаны алгоритмы автоматизированного моделирования зубьев- рыхлителей активного действия на основе гидроударников для экскаваторов.
Практическая ценность работы:
- создана методика автоматизированного моделирования зубьев- рыхлителей активного действия на основе гидроударников с учетом свойств разрабатываемого грунта и характеристик базовой машины;
- создано программное обеспечение для автоматизированного моделиро¬вания зубьев - рыхлителей активного действия на основе гидроударников для экскаваторов, позволяющее формировать основные параметры активных ра¬бочих органов и проводить имитационное моделирование рабочих процес¬сов.
Положения, выносимые на защиту:
- методика и алгоритмы автоматизированного моделирования зубьев- рыхлителей активного действия на основе гидроударников с учетом свойств разрабатываемого грунта и характеристик базовой машины;
- математические модели зубьев - рыхлителей активного действия на ос¬нове гидроударников для экскаваторов;
- программное обеспечение для автоматизированного моделирования зубьев - рыхлителей активного действия на основе гидроударников для экс¬каваторов, позволяющее формировать основные параметры активных рабо¬чих органов и проводить имитационное моделирование рабочих процессов.
Внедрение результатов работы. Система автоматизированного модели-рования зубьев-рыхлителей активного действия на основе гидроударников для экскаваторов использована при разработке «Технического задания на проектирование зубьев-рыхлителей активного действия на основе гидро¬ударников для экскаваторов II - IV размерной группы» и «Методики расчета рыхлителя активного действия на основе гидроударника для гидравлических экскаваторов II - IV размерной группы», которые переданы Федеральному государственному унитарному предприятию «Конструкторское бюро транс¬портного машиностроения» (г. Омск).
Основные результаты исследований широко используются в учебном процессе Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Апробация результатов работы. Отдельные этапы и основные резуль¬таты работы докладывались на международных научно-практических (тех¬нических) конференциях: «Дорожно - транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура» (Омск, 2003 г.); «Качество. Иннова¬ции. Наука. Образование» (Омск, 2005 г.); І-ой Всероссийской научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Про¬блемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных соору¬жений» (Омск, 2006 г.); на заседаниях и научных семинарах кафедры «Подъ¬емно-транспортные, тяговые машины и гидропривод», факультета «Транс¬портные, технологические машины» Сибирской государственной автомо¬бильно-дорожной академии.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе¬ния, четырех глав, заключения, списка использованных источников (150 на¬именований) и приложений. Работа изложена на 155 страницах, содержит 10 таблиц и 59 рисунков.
Работа выполнена на кафедре «Подъемно - транспортные, тяговые ма¬шины и гидропривод» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ).

Список літератури

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Выполненные исследования позволили сформулировать следующие ос-новные выводы:
1. Предложены принципиальные схемы гидропневмоударников, реко-мендуемых для зубьев-рыхлителей активного действия экскаваторов.
2. Сформирован математический аппарат, включающий математические модели зубьев-рыхлителей активного действия на основе гидроударников, которые представляют собой системы нелинейных обыкновенных диффе-ренциальных и алгебраических уравнений с переменными коэффициентами, а также уравнения регрессии, для различных видов грунтов, функционально связывающие требуемую удельную (погонную) энергию единичного удара с числом ударов плотномера ДорНИИ.
Математические модели включают основные конструктивные парамет¬ры гидроударника, его элементов, физико - механические свойства разраба-тываемых грунтов, параметры базовой машины и являются основой для соз-дания эффективных зубьев - рыхлителей активного действия.
3. Разработаны алгоритмы и методика выбора рациональных параметров зубьев-рыхлителей активного действия на основе гидроударников для экска-ваторов.
Определены основные рациональные значения конструктивных пара-метров гидроударников, необходимые для проектирования зубьев- рыхлителей активного действия экскаваторов.
4. Методика математического моделирования зубьев-рыхлителей актив-ного экскаваторов, позволяет создать систему автоматизированного проекти-рования данного вида оборудования и включает следующие этапы:
• выбор структуры гидроударного устройства;
• определение проектных параметров гидроударного устройства для разработки грунта в определенных условиях;
по
• математическое моделирование динамики рабочих процессов гидро-ударного устройства;
• выбор рациональных параметров с помощью программно-имитационного комплекса проектирования.
5. Разработан программно-имитационный комплекс с привлечением со-временных компьютерных технологий для проектирования зубьев- рыхлителей активного действия на основе гидроударников для экскаваторов, который может рассматриваться как составная часть САПР сменного рабоче¬го оборудования активного действия и проведения имитационного модели¬рования гидроимпульсной техники на ЭВМ.