СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ОРГАНОМ ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ Российский патент 1999 года по МПК E02F9/20 

Изобретение относится к землеройно-транспортным машинам и может быть использовано для автоматизации процесса разработки грунта ими.

Известен способ управления рабочим органом землеройно-транспортной машины на режиме максимального КПД η_max /1/, при котором посредством датчиков измеряют частоту вращения вала двигателя, скорость движения машины, крутящий момент на валу двигателя и нагрузку на рабочем органе машины, а посредством электронных и электронно-логического блоков управления с усилителями сигналов подъема и заглубления рабочего органа машины поддерживают ее максимальный КПД в рабочем диапазоне изменения тягово-сцепных характеристик.

Однако на режиме максимального КПД существенно недоиспользуются тяговые возможности машины, так как развиваемая на рабочем органе тяговая мощность в этом случае меньше максимально возможной на 11-12% для машины с механической трансмиссий и на 5-6% для машины с гидромеханической трансмиссией, а это приводит к существенному снижению производительности машины при разработке грунта.

Результаты исследований показали, что производительность землеройно-транспортной машины имеет максимальное значение при реализации в процессе копания максимального значения тяговой мощности /Тарасов В.Н. Динамика систем управления рабочими процессами землеройно-транспортных машин. - Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, 1975 - 182 с.; 25, с. 171/.

Наиболее близким по совокупности признаков является способ управления рабочим органом землеройно-транспортной машины на режиме максимальной тяговой мощности N_тmax /2/, при котором измеряют текущие значения силы тяги на рабочем органе и действительной скорости движения машины, получают текущие значения тяговой мощности путем перемножения величин силы тяги и действительной скорости, запоминают текущие значения тяговой мощности и силы тяги, определяют знаки приращений тяговой мощности и силы тяги и в зависимости от их соотношений формируют управляющий сигнал на заглубление или выглубление рабочего органа, одновременно находят значение максимальной тяговой мощности в зависимости от силы тяги по их трем последним значениям и по отклонению от этого значения текущей тяговой мощности определяют величину управляющего сигнала.

Однако разработка грунта на режиме максимальной тяговой мощности связана с существенными энергетическими затратами (приводной мощности двигателя и энергоносителя - топлив для двигателя внутреннего сгорания), так как в этом случае КПД машины с механической трансмиссией будет на 10-11% меньше максимально возможного, а это приводит к перерасходу необходимой мощности двигателя на 27% и топлива на 16-17% по сравнению с режимом максимального КПД машины. Для машины с гидромеханической трансмиссией на этом режиме работы показатели будут: КПД на 4-5% меньше, необходимая мощность двигателя на 7% и расход топлива на 7-8% выше по сравнению с режимом максимального КПД машины.

Таким образом, известные способы управления рабочим органом землеройно-транспортной машины при разработке грунта недостаточно эффективно используют одновременно тяговые и энергетические возможности машины.

Задачей изобретения является снижение энергетических затрат (приводной мощности двигателя и расхода топлива) на разработку грунта землеройно-транспортной машиной за счет повышения эффективности одновременного использования ее тяговых и энергетических возможностей.

Технический результат заключается в том, что способ управления рабочим органом обеспечивает режим работы землеройно-транспортной машины с одновременно высокими значениями тяговой мощности и КПД.

Для достижения этого технического результата в способе управления рабочим органом землеройно-транспортной машины измеряют текущие значения силы тяги на рабочем органе и действительной скорости движения машины, получают текущие значения тяговой мощности машины путем перемножения величин силы тяги и действительной скорости, определяют знаки приращений силы тяги и тяговой мощности и в зависимости от их соотношений формируют управляющий сигнал на увеличение или уменьшение силы тяги путем заглубления - выглубления рабочего органа.

Отличительными признаками предлагаемого способа управления от вышеуказанного известного, наиболее близкого к нему, является то, что одновременно с измерением силы тяги на рабочем органе и действительной скорости движения машины измеряют текущие значения угловой скорости вращения вала двигателя и крутящего момента на нем, получают текущие значения развиваемой двигателем мощности путем перемножения величин угловой скорости и крутящего момента, после чего получают текущие значения КПД машины путем деления величины ее тяговой мощности на величину мощности двигателя и получают текущие значения эффективной тяговой мощности машины путем перемножения величин ее тяговой мощности и КПД, а знаки приращений определяют одновременно эффективной тяговой мощности машины и ее силы тяги.

Определение текущих значений эффективной тяговой мощности, являющейся комплексным тягово-энергетическим показателем землеройно-транспортной машины, и ее знаков приращений позволяют, управляя заглублением - выглублением рабочего органа с целью увеличения или уменьшения силы тяги на нем, обеспечить разработку грунта на режиме максимальной эффективной тяговой мощности, реализующим одновременно высокие тяговые и энергетические показатели землеройно-транспортной машины, и уменьшить тем самым энергетические затраты на разработку грунта, т.е. повысить эффективность работы машины.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего способ управления рабочим органом землеройно-транспортной машины; на фиг. 2 - тяговая характеристика землеройно-транспортной машины (автогрейдера легкого класса Д3-40А с механической трансмиссией).

Устройство управления рабочим органом землеройно-транспортной машины на режиме максимальной эффективной тяговой мощности N_тэmax (фиг. 1) содержит датчик 1 измерения текущего значения силы тяги на рабочем органе T_р, датчик 2 измерения текущего значения действительной скорости движения машины V_д, датчик 3 измерения текущего значения угловой скорости вращения вала двигателя ω_дв, датчик 4 измерения текущего значения крутящего момента на валу двигателя M_дв. Выходы датчиков 1 и 2 соединены с входом первичного блока умножения 5 (T_р • V_д = N_т). Выходы датчиков 3 и 4 соединены с входом первичного блока умножения 6 ( ω_дв • M_дв = N_дв), выход которого, как и выход блока умножения 5, соединены с входом блока деления 7 (N_т/N_дв = η ), выход которого соединен с одним из входов вторичного блока умножения 8 (N_т • η = N_тэ). Выход блока умножения 5 также соединен со вторым входом блока 8, выход которого соединен с входом блока 9 (sign Δ N_тэ) определения знака приращения эффективной тяговой мощности. Выход датчика 1 соединен с входом блока 10 (sing Δ T_р) определения знака приращения силы тяги. Выходы блоков 9 и 10 соединены с входом блока 11 управления, выход которого соединен с исполнительным устройством 12.

В качестве датчиков 1-4 используются аналоговые датчики для экспериментальных исследований транспортных машин /Коробейников А.Т. и др. Испытания сельскохозяйственных тракторов. А.Т. Коробейников, В.С. Лихачев, В.Ф. Шолохов - М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.; Гл. 3. Измерительная аппаратура при испытаниях, с. 31-85/. Блоки 9 и 10 включают в себя запоминающее устройство и компаратор. Блоки 5-10 реализованы на операционных усилителях стандартным образом /Криштофович А. К. , Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники: Учебник для техникумов. - М.: Высшая школа, 1985. - 287 с.; 4.12. Операционные усилители, с. 129-141/. Блок управления 11 представляет собой трехпозиционный релейный элемент с компаратором (трехпозиционный электроуправляемый реверсивный гидрораспределитель с сравнивающим устройством) /Автогрейдер Д3-122А и его модификации: Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1987. - 210 с.; Система "Профиль-10", с. 93-103, рис. 61, 62, 64, 66/, управляющий потоком рабочей жидкости в гидросистеме управления рабочим органом. Исполнительным устройством 12 являются гидроцилиндры подъема - опускания рабочего органа.

Разработка грунта землеройно-транспортной машины (ЭТМ) осуществляется на тяговом режиме в процессе движения за счет реализации на рабочем органе силы тяги T_р, развиваемой движителем. Движитель, трансмиссия и двигатель образуют тяговый привод ЗТМ, назначение которого - обеспечение процесса разработки грунта необходимой механической энергией. Источником механической энергии является двигатель, который за счет сгорания топлива (энергоносителя) с величиной подачи его G_т (кг/ч) развивает на своем валу мощность N_дв = ω_дв • M_дв, где ω_дв - угловая скорость вращения вала, а M_дв - крутящий момент на нем. Трансмиссия и движитель, выполняя функцию передаточного механизма, передают и преобразовывают вращательное движение вала двигателя с угловой скоростью ω_дв в поступательное движение машины с линейной действительной скоростью V_д, а крутящий момент M_дв в силу тяги T_р, т.е. приводная мощность двигателя N_дв реализуется в тяговую мощность на рабочем органе N_т = T_р • V_д с коэффициентом полезного действия (КПД) η = N_т/N_дв. Таким образом, тяговые возможности ЗТМ будут оцениваться тяговой мощностью на рабочем органе N_т, энергетические - расходом топлива G_т и развиваемой двигателем мощностью N_дв, а эффективность реализации энергетических (затраченных) возможностей машины в тяговые (полезные) будет оцениваться ее КПД η. Основной технической характеристикой ЗТМ является тяговая /Ульянов Н.А., Ронинсон Э.Г., Соловьев В. Г. Самоходные колесные землеройно-транспортные машины. - М.: Машиностроение, 1976. - 359 с.; 32. Определение тяговых и топливно-энергетических качеств землеройно-транспортных машин, с. 191-192/ (фиг. 2), представляющая собой функциональные зависимости ω_дв, M_дв, N_дв, G_т, δ, V_д, N_т, η_двж, η = f(T_р), где δ и η_двж - коэффициент буксования и КПД движителя. Известными характерными режимами работы ЗТМ являются режим максимальной тяговой мощности N_тmax и режим максимального КПД η_max(или максимального тягового КПД η_тmax ; η_т = N_т/N_тр, где N_тр - мощность, отдаваемая двигателем в трансмиссию; (N_дв - N_тр) - мощность, затрачиваемая на привод вспомогательных механизмов). Режим N_тmax является основным и характеризует тяговые возможности машины, обеспечивая ей максимальную производительность при разработке грунта, если рабочий орган будет в состоянии полностью реализовать эту подводимую к нему тяговую мощность. Режим η_max характеризует эффективность использования машиной для разработки грунта ее энергетических возможностей и соответствует максимальному значению развиваемой машиной на рабочем органе тяговой мощности на единицу приводной мощности двигателя, а значит и на единицу затраченного энергоносителя (топлива), так как показатели N_дв и G_т находятся в прямо пропорциональной зависимости. На тяговую характеристику (фиг. 2) нанесена также вновь предлагаемая зависимость эффективной тяговой мощности N_тэ = f(T_р), где N_тэ = η • N_т и связывает основные энергетический и тяговый показатели ЗТМ. Зависимости N_т = f(T_р), η = f(T_т), N_тэ = f(T_р) являются непрерывными взаимосвязанными прямопропорциональными, экстремальными (выпуклыми) функциями. Для непрерывной функции необходимым условием экстремума является равенство нулю производной этой функции, а достаточным - смена знаков производной. Если с увеличением аргумента знак производной (приращения) функции переходит от "+" к "-", то имеет место максимум функции. Все три названные функции удовлетворяют этим условиям. При этом высокое значение N_тэ возможно только при одновременно высоких значениях η, N_т и наоборот, одновременно высокие значения η, N_тсоответствуют только высокому значению N_тэ, т.е. режиму максимальной эффективной тяговой мощности N_тэmax. Режимы η_max и N_тmax соответствуют значениям силы тяги на рабочем органе T_pη и . В интервале силы тяги функция η = f(T_p) монотонно убывает от значения η_max , а функция N_т = f(T_р) монотонно возрастает до значения N_тmax, поэтому максимальное значение функции N_тэ= η•N_т= f(T_p) должно находиться в этом интервале, т.е.
В данном случае поиск оптимального соотношения N_т и η через N_тэ аналогичен поиску оптимального соотношения T_р и V_д через N_т, когда в интервале T_p∈ [0,T_pmax] T_р монотонно возрастает от нуля до T_рmax, а функция V_д = fT_р монотонно убывает от V_дmax до нуля. Поэтому максимальное значение функции N_т = T_р • V_д = f(T_р) находится в интервале T_p∈ [0,T_pmax], т.е. Вышесказанное подтверждается графиками на фиг. 2. Из них видно, что с увеличением силы тяги на рабочем органе T_р приводная мощность двигателя N_дв и расход топлива G_р также увеличиваются. Увеличивается первоначально и тяговая мощность на рабочем органе N_т, но начиная со значения силы тяги, соответствующей максимальному значению КПД движителя η_двжmax (в данном случае = 21,2 кН), интенсивность увеличения N_т начинает уменьшаться. В окрестности значения силы тяги эта интенсивность становится равной нулю, так как в этот момент N_т = N_тmax, а при с увеличением T_р величина N_т уменьшается до нуля, хотя N_дв и G_т продолжают увеличиваться. Это вызвано тем, что при уменьшение скорости движения V_д из-за увеличения буксирования движителя δ более существенно, чем увеличение силы тяги T_р, а при уменьшение V_д является преобладающим по сравнению с увеличением T_р. Таким образом, при T_p> T_pη прирост энергозатрат (G_т и N_дв) становится не адекватным природу тяговой мощности N_т, который при вообще отсутствует. Поэтому эффективный режим работы ЗТМ с точки зрения максимального использования одновременно ее тяговых и энергетических возможностей должен находиться между режимами η_max и N_тmax, т.е. в интервале А достигнуть этот режим можно будет соответствующим способом управления силой тяги T_р, т.е. тяговой нагрузкой на рабочем органе, путем регулирования рабочим органом глубины резания грунта h_р.

Сущность способа управления рабочим органом землеройно-транспортной машины заключается в следующем.

В процессе разработки грунта датчиками 1 и 2 измеряют соответственно текущие значения силы тяги на рабочем органе T_р и действительной скорости движения машины V_д, которые поступают в блок 5 умножения, где вырабатывается сигнал, пропорциональный тяговой мощности на рабочем органе N_т = T_р • V_д. Одновременно датчиками 3 и 4 измеряют соответственно текущие значения угловой скорости вращения вала двигателя ω_дв и крутящего момента на нем M_дв, которые поступают в блок 6 умножения, где вырабатывается сигнал, пропорциональный развиваемой двигателем мощности N_дв = ω_дв • M_дв. Из блоков 5 и 6 выходные сигналы, пропорциональные N_т и N_дв, поступают в блок 7 деления, где вырабатывается сигнал, пропорциональный КПД машины η = N_т/N_дв. Из блоков 5 и 7 выходные сигналы, пропорциональные N_т и η , поступают в блок 8 вторичного умножения, где вырабатывается сигнал, пропорциональный эффективной тяговой мощности машины N_тэ = N_т • η . Сигналы, пропорциональные T_р и N_тэ из блоков 1 и 8 поступают на соответствущющие блоки 10 и 9 определения знаков приращений одновременно силы тяги и эффективной тяговой мощности где индекс i имеет предыдущие, а индекс i + 1 - последующее значение данного показателя в выбранном интервале реального времени. На выходах блоков 9 и 10 формируются сигналы "Плюс" (+), "Минус" (-), "Равно нулю" (0), которые подаются на выходы блока 11 управления, представляющего собой трехпозиционный релейный элемент, и сравниваются там. Если знаки приращений ΔT_p и ΔN_тэ совпадают, исполнительное устройство 12 включается на заглубление рабочего органа (+h_р), тем самым сила тяги на рабочем органе T_р будет увеличиваться (+), в противном случае исполнительное устройство 12 включается на выглубление рабочего органа (-h_р) и сила тяги T_р будет уменьшаться (-). Если величина приращения эффективной тяговой мощности достаточно близка к нулю ΔN_тэ≈ 0, при этом ΔT_p≠ 0, то исполнительное устройство 12 выключается (0), так как максимум эффективной тяговой мощности N_тэmax найден и в дальнейшем в процессе разработки грунта он будет поддерживаться путем управления тяговой нагрузкой T_р с помощью заглубления - выглубления рабочего органа ±h_р. Тем самым работа машины будет осуществляться на режиме N_тэmax, обеспечивая одновременно высокие значения развиваемой ею тяговой мощности на рабочем органе N_т и КПД η .

Предлагаемый способ позволяет управлять рабочим органом в условиях неопределенности внешней среды, исходя только из энергетических и тяговых возможностей землеройно-транспортной машины и добиваясь эффективного использования их в процессе разработки грунта путем непрерывного поиска и поддержания режима максимальной эффективной тяговой мощности N_тэmax.

В соответствии с функцией N_тэmax = f(T_р) (фиг. 2) алгоритм управления силой тяги на рабочем органе T_р будет следующий:
а) при ΔT_p> 0 (+) и ΔN_тэ> 0 (+) - восходящая ветвь функции N_тэ = f(T_р) - необходимо T_р увеличить (+), т.е. нужно заглубить рабочий орган, увеличивая глубину резания (+ h_р);
б) при ΔT_p> 0 (+) и ΔN_тэ< 0 (-) - спадающая ветвь функции - необходимо T_р уменьшить (-), т.е. нужно выглубить рабочий орган, уменьшая глубину резания (- h_р);
в) при ΔT_p< 0 (-) и ΔN_тэ> 0 (+) - спадающая ветвь функции - необходимо T_р уменьшить (-), т.е. нужно выглубить рабочий орган, уменьшая глубину резания (- h_р);
г) при ΔT_p< 0 (-) и ΔN_тэ< 0 (-) - восходящая ветвь функции - необходимо T_р увеличить (+), т.е. нужно заглубить рабочий орган, уменьшая глубину резания (+ h_р);
д) при ΔT_p≠ 0 и ΔN_тэ≈ 0 - экстремум функции N_тэ = f(T_р), а именно N_тэ = max, необходимо T_р оставить без изменения (0), т.е. рабочий орган не изменяет своего положения (0).

Предложенный способ управления рабочим органом реализован на автогрейдере легкого класса ДЗ-40А с механической трансмиссией, тяговая характеристикам которого представлена на фиг. 2 (суглинистый грунт с прочностью 7-8 ударов динамического плотномера ДорНИИ и массовой влажностью 23%, первая передача), и на автогрейдере среднего класса Д3-146 с гидромеханической трансмиссией. Основные показатели автогрейдера Д3-40А на режиме работы N_тmax и предлагаемом N_тэmax по данным фиг. 2 приведены в таблице (см. в конце описания).

Как видно из таблицы, работа автогрейдера Д3-40А на предлагаемом режиме N_тэmax позволяет по сравнению с известным режимом N_тmax сохранить высокие тяговые показатели (N_т = 16,7 кВт ≈ N_тmax = 17,0 кВт) и одновременно значительно повысить энергетические показатели (расход топлива G_т уменьшен на 7,18%, необходимая мощность двигателя N_дв уменьшена на 10,73% и как следствие этого - КПД машины η увеличен на 10,15%) в результате уменьшения коэффициента буксования движителя δ на 25% (что способствует также уменьшению износа шин) и как следствие этого - увеличение КПД движителя η_двж на 8,27% и общего КПД машины η на 10,15%.

Уменьшение необходимых энергозатрат (G_т и N_дв) способствует также увеличению ресурса двигателя и трансмиссии в целом при работе машины с максимальной тяговой мощностью, т.е. с максимальной производительностью.

Итак, предлагаемый режим работы землеройно-транспортной машины - режим максимальной эффективной тяговой мощности N_тэmax и основанный на его применении способ управления рабочим органом позволяет одновременно использовать высокие тяговые и энергетические показатели машины при разработке грунта, что принципиально отличает его от известного режима работы N_тmax.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 972355, кл. E 02 F 9/20, 1981 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 1488403, кл. E 02 F 9/20, 1987 г.

Изобретение относится к землеройно-транспортным машинам и позволяет автоматизировать процесс разработки грунта ими. Задачей изобретения является снижение энергетических затрат на разработку грунта землеройно-транспортной машиной за счет повышения эффективности одновременного использования ее тяговых и энергетических возможностей. Для этого в процессе разработки грунта датчиками измеряют силу тяги на рабочем органе и действительную скорость движения машины. Получают текущие значения тяговой мощности машины в первом блоке умножения. Одновременно измеряют датчиками угловую скорость вращения вала двигателя и крутящий момент на нем, а во втором блоке умножения получают текущие значения развиваемой двигателем мощности, после чего в блоке деления получают текущие значения КПД машины, а в третьем блоке умножения - текущие значения ее эффективной тяговой мощности. Определяют знаки приращений эффективной тяговой мощности машины и ее силы тяги в соответствующих блоках, сравнивают их в блоке управления и формируют управляющий сигнал на перемещение рабочего органа. Выходной сигнал с блока управления поступает на исполнительное устройство. 2 ил.

Способ управления рабочим органом землеройно-транспортной машины, при котором измеряют текущие значения силы тяги на рабочем органе и действительной скорости движения машины, получают текущие значения тяговой мощности машины путем перемножения величин силы тяги и действительной скорости, определяют знаки приращений силы тяги и тяговой мощности и в зависимости от их соотношений формируют управляющий сигнал на заглубление-выглубление рабочего органа землеройно-транспортной машины, отличающийся тем, что одновременно с измерением силы тяги на рабочем органе и действительной скорости движения машины измеряют текущие значения угловой скорости вращения вала двигателя и крутящего момента на нем, получают текущие значения развиваемой двигателем мощности путем перемножения величин угловой скорости и крутящего момента, после чего получают текущие значения КПД машины путем деления тяговой мощности машины на величину мощности двигателя и получают текущие значения эффективной тяговой мощности машины путем перемножения величин ее тяговой мощности и КПД, а знаки приращений определяют одновременно эффективной тяговой мощности машины и ее силы тяги.