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 ηmax /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 Nтmax /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 Nтэmax (фиг. 1) содержит датчик 1 измерения текущего значения силы тяги на рабочем органе Tр, датчик 2 измерения текущего значения действительной скорости движения машины Vд, датчик 3 измерения текущего значения угловой скорости вращения вала двигателя ωдв, датчик 4 измерения текущего значения крутящего момента на валу двигателя Mдв. Выходы датчиков 1 и 2 соединены с входом первичного блока умножения 5 (Tр • Vд = Nт). Выходы датчиков 3 и 4 соединены с входом первичного блока умножения 6 ( ωдв • Mдв = Nдв), выход которого, как и выход блока умножения 5, соединены с входом блока деления 7 (Nт/Nдв = η ), выход которого соединен с одним из входов вторичного блока умножения 8 (Nт • η = Nтэ). Выход блока умножения 5 также соединен со вторым входом блока 8, выход которого соединен с входом блока 9 (sign Δ Nтэ) определения знака приращения эффективной тяговой мощности. Выход датчика 1 соединен с входом блока 10 (sing Δ Tр) 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 Tр, 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 Gт (кг/ч) развивает на своем валу мощность Nдв = ωдв • Mдв, где ωдв - угловая скорость вращения вала, а Mдв - крутящий момент на нем. Трансмиссия и движитель, выполняя функцию передаточного механизма, передают и преобразовывают вращательное движение вала двигателя с угловой скоростью ωдв в поступательное движение машины с линейной действительной скоростью Vд, а крутящий момент Mдв в силу тяги Tр, т.е. приводная мощность двигателя Nдв реализуется в тяговую мощность на рабочем органе Nт = Tр • Vд с коэффициентом полезного действия (КПД) η = Nт/Nдв. Таким образом, тяговые возможности ЗТМ будут оцениваться тяговой мощностью на рабочем органе Nт, энергетические - расходом топлива Gт и развиваемой двигателем мощностью Nдв, 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 ωдв, Mдв, Nдв, Gт, δ, Vд, Nт, ηдвж, η = f(Tр), где δ и ηдвж - коэффициент буксования и КПД движителя. Известными характерными режимами работы ЗТМ являются режим максимальной тяговой мощности Nтmax и режим максимального КПД ηmax(или максимального тягового КПД ηтmax ; ηт = Nт/Nтр, где Nтр - мощность, отдаваемая двигателем в трансмиссию; (Nдв - Nтр) - мощность, затрачиваемая на привод вспомогательных механизмов). Режим Nтmax 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 ηmax 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 Nдв и Gт находятся в прямо пропорциональной зависимости. На тяговую характеристику (фиг. 2) нанесена также вновь предлагаемая зависимость эффективной тяговой мощности Nтэ = f(Tр), где Nтэ = η • Nт и связывает основные энергетический и тяговый показатели ЗТМ. Зависимости Nт = f(Tр), η = f(Tт), Nтэ = f(Tр) 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 Nтэ возможно только при одновременно высоких значениях η, Nт и наоборот, одновременно высокие значения η, Nтсоответствуют только высокому значению Nтэ, т.е. режиму максимальной эффективной тяговой мощности Nтэmax. Режимы ηmax и Nтmax соответствуют значениям силы тяги на рабочем органе Tpη и . В интервале силы тяги функция η = f(Tp) монотонно убывает от значения ηmax , а функция Nт = f(Tр) монотонно возрастает до значения Nтmax, поэтому максимальное значение функции Nтэ= η•Nт= f(Tp) должно находиться в этом интервале, т.е.
В данном случае поиск оптимального соотношения Nт и η через Nтэ аналогичен поиску оптимального соотношения Tр и Vд через Nт, когда в интервале Tp∈ [0,Tpmax] Tр монотонно возрастает от нуля до Tрmax, а функция Vд = fTр монотонно убывает от Vдmax до нуля. Поэтому максимальное значение функции Nт = Tр • Vд = f(Tр) находится в интервале Tp∈ [0,Tpmax], т.е. Вышесказанное подтверждается графиками на фиг. 2. Из них видно, что с увеличением силы тяги на рабочем органе Tр приводная мощность двигателя Nдв и расход топлива Gр также увеличиваются. Увеличивается первоначально и тяговая мощность на рабочем органе Nт, но начиная со значения силы тяги, соответствующей максимальному значению КПД движителя ηдвжmax (в данном случае = 21,2 кН), интенсивность увеличения Nт начинает уменьшаться. В окрестности значения силы тяги эта интенсивность становится равной нулю, так как в этот момент Nт = Nтmax, а при с увеличением Tр величина Nт уменьшается до нуля, хотя Nдв и Gт продолжают увеличиваться. Это вызвано тем, что при уменьшение скорости движения Vд из-за увеличения буксирования движителя δ более существенно, чем увеличение силы тяги Tр, а при уменьшение Vд является преобладающим по сравнению с увеличением Tр. Таким образом, при Tp> Tpη прирост энергозатрат (Gт и Nдв) становится не адекватным природу тяговой мощности Nт, который при вообще отсутствует. Поэтому эффективный режим работы ЗТМ с точки зрения максимального использования одновременно ее тяговых и энергетических возможностей должен находиться между режимами ηmax и Nтmax, т.е. в интервале А достигнуть этот режим можно будет соответствующим способом управления силой тяги Tр, т.е. тяговой нагрузкой на рабочем органе, путем регулирования рабочим органом глубины резания грунта hр.
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 Tр и действительной скорости движения машины Vд, которые поступают в блок 5 умножения, где вырабатывается сигнал, пропорциональный тяговой мощности на рабочем органе Nт = Tр • Vд. Одновременно датчиками 3 и 4 измеряют соответственно текущие значения угловой скорости вращения вала двигателя ωдв и крутящего момента на нем Mдв, которые поступают в блок 6 умножения, где вырабатывается сигнал, пропорциональный развиваемой двигателем мощности Nдв = ωдв • Mдв. Из блоков 5 и 6 выходные сигналы, пропорциональные Nт и Nдв, поступают в блок 7 деления, где вырабатывается сигнал, пропорциональный КПД машины η = Nт/Nдв. Из блоков 5 и 7 выходные сигналы, пропорциональные Nт и η , поступают в блок 8 вторичного умножения, где вырабатывается сигнал, пропорциональный эффективной тяговой мощности машины Nтэ = Nт • η . Сигналы, пропорциональные Tр и Nтэ 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 ΔTp и ΔNтэ совпадают, исполнительное устройство 12 включается на заглубление рабочего органа (+hр), тем самым сила тяги на рабочем органе Tр будет увеличиваться (+), в противном случае исполнительное устройство 12 включается на выглубление рабочего органа (-hр) и сила тяги Tр будет уменьшаться (-). Если величина приращения эффективной тяговой мощности достаточно близка к нулю ΔNтэ≈ 0, при этом ΔTp≠ 0, то исполнительное устройство 12 выключается (0), так как максимум эффективной тяговой мощности Nтэmax найден и в дальнейшем в процессе разработки грунта он будет поддерживаться путем управления тяговой нагрузкой Tр с помощью заглубления - выглубления рабочего органа ±hр. Тем самым работа машины будет осуществляться на режиме Nтэmax, обеспечивая одновременно высокие значения развиваемой ею тяговой мощности на рабочем органе Nт 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 Nтэmax.
В соответствии с функцией Nтэmax = f(Tр) (фиг. 2) алгоритм управления силой тяги на рабочем органе Tр будет следующий:
а) при ΔTp> 0 (+) и ΔNтэ> 0 (+) - восходящая ветвь функции Nтэ = f(Tр) - необходимо Tр увеличить (+), т.е. нужно заглубить рабочий орган, увеличивая глубину резания (+ hр);
б) при ΔTp> 0 (+) и ΔNтэ< 0 (-) - спадающая ветвь функции - необходимо Tр уменьшить (-), т.е. нужно выглубить рабочий орган, уменьшая глубину резания (- hр);
в) при ΔTp< 0 (-) и ΔNтэ> 0 (+) - спадающая ветвь функции - необходимо Tр уменьшить (-), т.е. нужно выглубить рабочий орган, уменьшая глубину резания (- hр);
г) при ΔTp< 0 (-) и ΔNтэ< 0 (-) - восходящая ветвь функции - необходимо Tр увеличить (+), т.е. нужно заглубить рабочий орган, уменьшая глубину резания (+ hр);
д) при ΔTp≠ 0 и ΔNтэ≈ 0 - экстремум функции Nтэ = f(Tр), а именно Nтэ = max, необходимо Tр 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 Nтmax и предлагаемом Nтэmax по данным фиг. 2 приведены в таблице (см. в конце описания).
Как видно из таблицы, работа автогрейдера Д3-40А на предлагаемом режиме Nтэmax позволяет по сравнению с известным режимом Nтmax сохранить высокие тяговые показатели (Nт = 16,7 кВт ≈ Nтmax = 17,0 кВт) и одновременно значительно повысить энергетические показатели (расход топлива Gт уменьшен на 7,18%, необходимая мощность двигателя Nдв 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 ηдвж на 8,27% и общего КПД машины η на 10,15%.
Уменьшение необходимых энергозатрат (Gт и Nдв) 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 Nтэmax 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 Nтmax.
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.
SU 1488403 А1, 23.06.89 | |||
Автоматический регулятор положения рабочего органа землеройной машины | 1981 |
|
SU972355A1 |
Способ управления копающим механизмом экскаватора и устройство для его осуществления | 1980 |
|
SU901417A1 |
Способ регулирования рабочих процессов землеройно-транспортных машин и устройство для его осуществления | 1984 |
|
SU1234537A1 |
Способ управления процессом копания | 1985 |
|
SU1307041A1 |
Способ регулирования рабочих процессов землеройно-транспортной машины | 1985 |
|
SU1315571A1 |
Устройство для автоматического управления рабочим режимом землеройно-транспортной машины | 1980 |
|
SU891868A1 |
Способ регулирования рабочих процессов землеройно-транспортных машин | 1974 |
|
SU569683A1 |
Устройство для автоматического управления рабочим органом землеройно-транспортной машины | 1986 |
|
SU1420126A1 |
Устройство для контроля эффективности управления процессом копания экскаватора | 1973 |
|
SU502100A1 |
Тарасов В.Н | |||
Динамика систем управления рабочими процессами землеройно-транспортных машин | |||
- Омск, Зап.Сиб.книжное изд-во, 1975, с | |||
Аппарат для передачи изображений на расстояние | 1920 |
|
SU171A1 |
Авторы
Даты
1999-06-20—Публикация
1997-07-08—Подача