|
Національний технічний університет
“Харківський політехнічний інститут”
Рожков Петро Павлович
УДК 629.114.2
Моделі та засоби автоматичного керування
плавністю ходу мобільних машин і агрегатів
в агропромисловому комплексі
Спеціальність 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському державному технічному університеті сільського господарства Міністерства аграрної політики України, м. Харків.
Захист відбудеться “_4_” _листопада_ 2004 р. о _13_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.07 Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” за адресою: м.Харків, 61002, м. Харків-2, вул. Фрунзе, 21.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.
Автореферат розісланий “_28_” _вересня__ 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Голоскоков О.Є.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У сучасному агропромисловому комплексі України широко застосовується різна мобільна сільськогосподарська техніка. Аналіз ефективності її застосування свідчить про те, що основні втрати врожаю утворюються при виконанні нею транспортно-технологічних операцій, які в багатьох випадках складають невід’ємну і найбільш трудомістку частину технологічних процесів сільськогосподарського виробництва. Частка транспортних операцій в виробничих процесах вирощування та збирання сільськогосподарських культур складає: для зернових культур 42 - 44%, цукрового буряка 39 - 41, кукурудзи на силос 40 - 41%. Поряд з цим, під час транспортування виникають втрати продуктів врожаю, які для зернових складають 2%, картоплі - 6%, овочів – 5%, цукрового буряка – 6%. Однією з головних причин виникнення втрат при виконанні транспортно-технологічних операцій є коливання підресореної маси, порушувані нерівностями опорної поверхні в процесі перевезень. Крім того, вертикальні коливання вкрай негативно впливають на стан деталей і вузлів. У результаті впливу коливань міжремонтний пробіг зменшується на 15 - 20%, а собівартість транспортних операцій збільшується на 25 - 30%. Тому виникає необхідність підвищення плавності ходу мобільних машин і агрегатів при виконанні ними транспортно-технологічних операцій.
Рішення задачі підвищення плавності ходу традиційно шукалось на шляху демпфірування коливань. Однак, на відміну від недавнього минулого, коли підвищення ефективності демпфірування в підвісці зв'язувалося з удосконалюванням її конструкції в цілому й окремих елементів зокрема, у теперішній час перспективним напрямком стало створення мікропроцесорних систем автоматичного керування підвіскою.
Досвід створення й експлуатації таких підвісок довів їхню доцільність при роботі машин у широкому діапазоні швидкостей і в різних польових і дорожніх умовах. У той же час стало очевидно, що такі підвіски не виправдали повною мірою пов'язаних з ними надій. Як показує аналіз, це відбулося тому, що в основу побудови автоматично керованих підвісок були покладені характерні для конструкторських розробок спрощені математичні моделі коливань і використовувалися виконавчі пристрої, отримані в результаті модернізації традиційних амортизаторів та ресор. Тому подальше удосконалення мікропроцесорних систем автоматичного керування підвіскою, а отже, і забезпечення плавності ходу в складних умовах агропромислового комплексу може бути забезпечене за рахунок розробки більш точних математичних моделей, що адекватно відбивають процес руху об'єкта керування, а також за рахунок застосування виконавчих пристроїв, здатних реалізувати відповідні алгоритми керування.
Вищевикладене дозволяє зробити висновок, що дослідження, спрямовані на удосконалювання систем автоматичного керування підвіскою мобільних машин і агрегатів з метою підвищення плавності ходу, є актуальними.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до науково-технічної програми Міністерства агропромислового комплексу України від 30.12.1998 року, № 339 “Науково-дослідні і дослідницько-конструкторські розробки”, комплексної програми розвитку сільського господарства Харківської області в 2001-2005 роках і на період до 2010 року (Розділ 5. Технічна політика “Науковий супровід реалізації пропозицій комплексної програми”) і на підставі комплексного плану наукових досліджень Харківського державного технічного університету сільського господарства (ДР №01.86.0032093). Проведені дослідження виконувалися в рамках договорів про науково-технічне співробітництво з ВАТ "Харківський тракторний завод" ("ХТЗ"), Казенним підприємством "Харківське конструкторське бюро машинобудування ім. О.О. Морозова" (Державне підприємство "Завод ім. Малишева"), Науковим метрологічним центром (військових еталонів), м. Харків. У відзначених роботах здобувач проводив дослідження у якості співробітника.
Мета і задачі дослідження. Метою даного дослідження є удосконалення математичних моделей і засобів автоматичного керування плавністю ходу мобільних машин і агрегатів при виконанні ними транспортно-технологічних операцій сільськогосподарського виробництва в різних польових і дорожніх умовах.
Досягнення поставленої мети передбачає рішення наступних задач:
- розробка математичної моделі коливань багатоосних мобільних машин і агрегатів як об’єктів автоматичного керування в поздовжній і поперечній площинах при статистичному поданні збурюючого впливу;
- проведення параметричної оптимізації автоматично керованої підвіски мобільних машин і агрегатів;
- аналіз характеристик і розробка математичної моделі виконавчого пристрою системи автоматичного керування;
- параметрична ідентифікація динамічної системи підвіски у процесі автоматичного керування;
- розробка архітектури мікропроцесорної системи автоматичного демпфірування коливань мобільних машин і агрегатів;
- оцінка функціонування розробленої мікропроцесорної системи автоматичного керування за обраним критерієм плавності ходу.
Об'єктом дослідження є процес керування плавністю ходу мобільних машин і агрегатів при виконанні ними транспортно-технологічних операцій сільськогосподарського виробництва.
Предметом дослідження є моделі і засоби реалізації мікропроцесорної системи автоматичного керування демпфіруванням коливань мобільних машин і агрегатів.
Методи дослідження. Вирішення поставлених у дисертаційній роботі задач досягнуте шляхом застосування методів операторного перетворення Лапласа (при визначенні передавальних функцій), статистичної динаміки (при розрахунку дисперсій прискорення коливань), спектрального аналізу (при визначенні параметрів збурюючого впливу та параметричній ідентифікації підвіски), енергетичної лінеаризації (при побудові математичної моделі виконавчого пристрою). Результати експериментальних досліджень оброблялися за допомогою методу найменших квадратів.
Наукова новизна отриманих результатів. У результаті виконання дисертаційної роботи були розроблені математичні моделі, методи і засоби реалізації автоматично керованої підвіски, що забезпечують необхідну плавність ходу мобільних машин і агрегатів в різних експлуатаційних умовах, а саме:
- подальший розвиток одержала математична модель коливань підвіски у виді передавальних функцій, що на відміну від існуючих моделей, розповсюджується на багатоосні мобільні машини і агрегати;
- дано оцінку величини дисперсії прискорення коливань в будь-якій точці підресореної маси багатоосної динамічної системи, яка на відміну від існуючих, враховує взаємні вертикальні та поздовжньо-кутові коливання у поздовжній площині;
- уперше побудована математична модель автоматично керованого пневматичного амортизатора з магнітною рідиною (ПАМ);
- обґрунтоване застосування ПАМ як електромеханічного виконавчого пристрою в системі автоматичного керування плавністю ходу мобільних машин і агрегатів;
- розроблений алгоритм адаптивного керування плавністю ходу мобільних машин і агрегатів у процесі виконання транспортно-технологічних операцій.
Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень є науковою основою для їхнього практичного застосування з метою поліпшення плавності ходу мобільних машин і агрегатів у сільськогосподарському виробництві. Розроблені математичні моделі коливань підвіски багатоосних мобільних машин і агрегатів, алгоритми і програми розрахунку характеристик підвіски використані при розробці перспективних моделей мобільних машин і дослідженні їх експлуатаційних характеристик у ВАТ "ХТЗ" і КП “ХКБМ ім. О.О. Морозова".
Використання автоматично керованої підвіски забезпечує зниження величини дисперсії прискорення підресореної маси на 9-35%, в залежності від експлуатаційних умов. Достовірність отриманих результатів підтверджена імітаційним моделюванням.
Окрему практичну цінність мають теоретичні дослідження та проведені стендові випробування електромеханічного виконавчого пристрою мобільних машин і агрегатів – автоматично керованого пневматичного амортизатора з магнітною рідиною. Отримана математична модель ПАМ дозволяє використовувати його в якості керованого демпфіруючого елемента не тільки для автоматичного керування плавністю ходу мобільних машин і агрегатів в АПК, але й у будь-яких системах автоматичного керування технологічними процесами.
Особистий внесок здобувача. Всі наукові положення і результати, приведені в дисертаційній роботі, отримані автором особисто. У спільних наукових працях за темою дисертації здобувачеві належить:
- розробка математичної моделі у виді передавальних функцій коливань багатоосних мобільних машин і агрегатів в поздовжній площині;
- проведення параметричної оптимізації підвіски мобільних машин;
- розробка математичної моделі пневматичного амортизатора з магнітною рідиною;
- побудова регулювальних характеристик ПАМ;
- проведення параметричної ідентифікації динамічної системи підвіски мобільних машин і агрегатів;
- визначення параметрів спектральної щільності різних типів доріг.
Апробація результатів дисертації. Положення дисертації і результати досліджень доповідалися на науково-технічних та науково-практичних конференціях, серед яких 7 міжнародні: міжнародна науково-практична конференція "Проблеми енергозабезпечення й енергозбереження в АПК України" (Харків, ХДТУСГ, 2-3 жовтня 2003 р.), міжнародна науково-технічна конференція “Автомобильный транспорт в XXI веке” (Харків, ХНАДУ, 2003 р.), міжнародна науково-практична конференція "Проблеми енергозабезпечення й енергозбереження в АПК України" (Харків, ХДТУСГ, 9-10 жовтня 2002р.), міжнародна науково-технічна конференція "Енергетика в АПК" (Мелітополь, ТДАТА, 16-20 вересня 2002 р.), міжнародна науково-технічна конференція "Проблеми меха-троніки у подальшому розвитку транспортних засобів і систем" (ХНАДУ, 16-18 жовтня 2001 р.), щорічні науково-технічні конференції професорсько-викладацького складу ХДАДТУ протягом 1997- 2001 р., IV міжнародна науково-технічна конференція “Автомобільний транспорт: Проблеми і перспективи” (Севастополь, 4-8 вересня 2000 р.), міжнародна конференція “Ергономіка на автомобільному транспорті” (Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, 18 листопада 1997 р.).
Публікації. Основні наукові положення дисертаційної роботи опубліковані в матеріалах 10 наукових праць, з них 2 статті у наукових журналах і 8 статей у збірниках наукових праць.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, одного додатку. Повний обсяг дисертації становить 162 сторінки основного тексту, 62 рисунки, 5 таблиць і 119 найменувань використаних джерел.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі виконаний аналітичний огляд робіт, що досліджують вплив коливань мобільних машин і агрегатів на якість реалізації ними транспортно-технологічних операцій у сільськогосподарському виробництві і проаналізовані методи та засоби поліпшення плавності ходу.
З аналізу літературних джерел відомо, що виконання транспортно-технологічних операцій у сільськогосподарському виробництві пов’язане з значними втратами продуктів рослинництва, які виникають внаслідок впливу на них коливань мобільних машин і агрегатів.
Виникнення коливань обумовлене незадовільним станом сільських доріг та особливостями опорної поверхні, де виконуються с.-г. роботи. Це призводить до значного зниження експлуатаційних швидкостей мобільних машин і агрегатів, а тому зменшує економічну ефективність їх використання.
Проведений у роботі аналіз показав, що основною підсистемою мобільних машин і агрегатів, яка визначає плавність ходу, є підвіска. Причому як критерій плавності ходу доцільно вибрати зменшення величини прискорення підресореної маси, оскільки ця величина, як адитивна складова, входить практично в усі розглянуті критерії.
Протягом багатьох років поліпшення плавності ходу досягалося шляхом удосконалювання конструкції підвіски. В результаті досліджень, проведених такими вченими, як Р.В. Ротенберг, М.Н. Яценко, О.К. Прутчиков, Я.М. Певзнер, М. Mitshke, И.Г. Пархиловский, M.G. Bekker, А.О. Силаев, А.А. Хачатуров, Г.О. Смирнов, А.Д. Дербаремдикер, Є.Є. Александров, Л.І. Гром-Мазничевський, отримані певні успіхи щодо питань, пов’язаних з створенням конструкцій, які забезпечують достатньо високий рівень плавності ходу мобільних машин.
Значні наукові та практичні результати отримав В.Я. Анілович, який розробив статистичну теорію підресорювання машинно-тракторних агрегатів та запропонував конструкцію підвіски з механічним дискретним регулюванням жорсткості.
Запропонована дисертаційна робота спрямована на подальше розвинення ідеї використання керованої підвіски, але на новій теоретичній і технічній основі в напрямку створення системи автоматичного керування плавністю ходу мобільних машин і агрегатів.
Наявність в арсеналі розроблювачів транспортних засобів сучасних вільно програмованих універсальних і спеціальних мікропроцесорних засобів дозволяє проектувати ефективні системи автоматичного керування багатьма вузлами мобільних машин і агрегатів, у тому числі й підвіскою. При цьому ефективність роботи мікропроцесорних систем керування в основному визначається якістю математичної моделі, що лежить в основі алгоритму керування, і параметрами виконавчого пристрою.
З огляду на вищесказане, визначена мета дослідження як удосконалення математичних моделей і засобів автоматичного керування плавністю ходу мобільних машин і агрегатів при виконанні ними транспортно-технологічних операцій сільськогосподарського виробництва в різних польових і дорожніх умовах.
Для досягнення цієї мети потрібно вирішити ряд задач, головними з яких є: розробка математичної моделі коливань, що відрізняється від застосовуваних моделей більшою адекватністю реальному об'єкту і кращим можливостям у частині керованості підвіски; розробка і дослідження виконавчого пристрою, здатного реалізувати необхідні керуючі впливи; створення мікропроцесорної системи автоматичного керування плавністю ходу мобільних машин і агрегатів.
В другому розділі розроблені математичні моделі коливань підресореної маси багатоосних мобільних машин і агрегатів в поздовжній і поперечній площинах з метою побудови системи автоматичного керування плавністю ходу.
Особливість цих моделей полягає в аналітичному визначенні залежності значення критерію плавності ходу від параметрів підвіски і збурюючого впливу. Це дозволяє при виконанні транспортно-технологічних операцій с.-г. виробництва проводити параметричну оптимізацію підвіски і в залежності від умов руху належним чином автоматично змінювати її параметри.
Обрана сукупність допущень дозволила вважати коливання мобільних машин і агрегатів в поздовжній площині незалежними від коливань у поперечній площині. У поздовжній площині підресорена маса робить вертикальні лінійні і поздовжньо – кутові коливання. З метою забезпечення максимального узагальнення розглядаються багатоосні мобільні машини і агрегати.
Відповідно до обраної розрахункової схеми запишемо систему диференціальних рівнянь, що описують вертикальні і поздовжньо-кутові коливання
 (1)
де i=1…n;
n – кількість осей;
 .
Розв’язання системи рівнянь (1) в операторній формі дозволило одержати передатні функції  і  , а потім і частотні характеристики  , 
 (2)
 (3)
де  - коефіцієнти поліномів, що функціонально залежать від параметрів підвіски.
Зображення по Лапласу збурюючого впливу, діючого на і-у вісь, представлено з урахуванням запізнювання щодо впливу на першу вісь у виді
 (4)
де  - величина запізнювання;
 - швидкість руху.
Головною особливістю АЧХ є полімодальність у широкому діапазоні частот, що свідчить про можливість виникнення квазірезонансних коливань підресореної маси зі значними величинами прискорень при наявності в мікропрофілі періодичних нерівностей.
Система диференціальних рівнянь, яка відповідає обраній розрахунковій схемі, з використанням операторів Лапласа має вид
 (5)
де  ;  ;
 ;  ;
 ;  ;  .
В результаті розв’язання системи рівнянь (5) одержимо передатну функцію  і потім частотну характеристику 
 . (6)
де  - коефіцієнти поліномів, що функціонально залежать від параметрів підвіски;
 - величина запізнювання дії збурюючого впливу на m-ю відносно першої вісь.
Амплітудно-частотна характеристика  має полімодальний характер і свідчить про можливість виникнення квазірезонансних поперечних коливань у широкому діапазоні частот.
Дисперсія прискорень коливань у будь-якій точці Е підресореної маси знайдена в такий спосіб
 , (7)
де  - дисперсія прискорень коливань підресореної маси в точці Е;
 - дисперсія прискорень вертикальних коливань підресореної маси в центрі ваги;
 - дисперсія прискорень кутових коливань у поздовжній площині;
 - дисперсія прискорень кутових коливань у поперечній площині;
 - дисперсія прискорень взаємних поздовжньо-кутових коливань у поздовжній площині;
аЕ - відстань від центра ваги до точки Е в поздовжньої площини;
bЕ - відстань від поздовжньої осі до точки Е в поперечної площини.
Пошук дисперсії випадкового процесу на виході лінійної динамічної системи зв'язаний з обчисленням невласного інтеграла
 , (8)
де  - квадрат модуля передатної функції системи;
 - спектральна щільність збурюючого впливу.
Спектральна щільність мікропрофіля як регулярного випадкового процесу апроксимована дрібно-раціональною функцією. Спектральна щільність дисперсії збурюючого впливу для самого загального випадку має вид
 (9)
де  
 - дорожні частоти, м-1;
v - швидкість руху.
Для відшукання дисперсій  , , скористаємося формулою
 (10)
Дисперсія прискорень взаємних коливань підресореної маси у вертикальній площині обчислюється по формулі
 , (11)
де  .
| 
