CC BY
73
УДК 621.878:658.5
Л. Н. АХТУЛОВА А. Л. АХТУЛОВ В. А. ОСИТ
Омский государственный университет путей сообщений
Тобольский индустриальный институт
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦЕПНОГО ТРАНШЕЙНОГО ЭКСКАВАТОРА
Проведен анализ цепного траншейного экскаватора и представлена совокупность математических моделей отдельных подсистем, на основании которых составлена обобщенная математическая модель цепного траншейного экскаватора. Ключевые слова: землеройно-транспортная машина, подкопочные работы, цепной траншейньй экскаватор, проектирование, эксплуатация, математическая модель, система автоматизации проектирования.
Россия располагает развитой трубопроводной инфраструктурой — это прежде всего газовые магистрали, а также нефтепроводы и нефтепродуктопро-воды, суммарная протяженность которых составляет свыше 217 тыс. км.
На долю этого вида транспорта сегодня приходится более 30 % общего грузооборота страны. Основное развитие трубопроводная транспортная система получила в 70 — 80 годы.
К настоящему времени износ основных ее фондов составляет более 50 %, что приводит к вынужденным остановкам транспорта нефти или другого продукта, что снижает техническую производительность. Так, например, в газотранспортной системе (ГТС) из 154 тыс. км магистральных газопроводов 60 % труб используется уже от 10 до 30 лет, причем срок изоляции, защищающей трубопровод от коррозии, составляет не более 15 лет.
Все это на фоне долговременной эксплуатации трубопроводов, их износа определило необходимость выполнения больших объемов ремонта линейной части трубопровода.
Целью каждой проектно-конструкторской разработки является [1] создание и выпуск изделий на уровне лучших мировых образцов. Достичь этой цели можно лишь путем применения комплекса наиболее эффективных технических решений. Для этого требуется синтезировать и проанализировать много вариантов решений, что по ряду причин затруднительно без применения вычислительной техники.
В настоящее время наблюдается [2] бурное развитие систем автоматизации проектирования (САПР) в машиностроении, которые используются для автоматизации конструкторских и технологических работ. Современные САПР применяются для сквозного автоматизированного проектирования, технологической подготовки, анализа и изготовления изделий в машиностроении, для электронного управления конструкторской и технологической документацией.
Одним из этапов проектирования является [3, 4] проведение статических и динамических расчетов
механизмов цепного экскаватора и проведение динамических расчетов гидроприводов (рис. 1), позволяющие исследовать рабочие процессы с учетом влияния конструктивных и эксплуатационных факторов.
Такие исследования на ранних этапах проектирования экскаватора с использованием систем автоматизации проектирования позволяют сократить затраты на экспериментальные работы по совершенствованию конструкций и средств на создание новых и модернизацию существующих машин.
До настоящего времени не было разработано САПР экскаватора, в полной мере учитывающей закономерности влияния основных конструктивных параметров на подкопочные и тягово-сцепные свойства.
Экскаватор, как землеройно-транспортная машина [4, 5], выполняет широкий круг работ, в том числе работ по возведению земляного полотна. Значительная часть этих работ приходится на подкопочные работы.
Рпс. 1. Расчетная схема взаимодействия рабочего органа с грунтом
Начало
-т,_в Чч
Пчлчлчллчч I мололо!, Т л, I гл алло О чл уолоОол
-В2ч
ВОоЛ
UО2ОЛЛ22
дчллчл
\~сл —ч-
МоЛололоОолоо ро2очооо
ПЛОООООО
,—Ел ч
L чВл
— F л ч
ЗоЛочо учлччлчл
aО2О2ОООООО
АлООЛО22
ITIЛОО0Оч
счччлччч
рООЧО2О
Нчл
—'-Л
( Колоо )
Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета основных параметров экскаватора
В связи с этим возникла необходимость исследования подкопочных, тягово-сцепных характеристик экскаватора и создания научно-обоснованной методики по выбору рациональных конструктивных параметров при эскизно-техническом проектировании экскаватора [6].
Основными направлениями дальнейшего совершенствования экскаваторов непрерывного действия является [4, 7] повышение их эксплуатационных характеристик (производительности и надежности), расширение универсальности и области применения.
Производительность, как одна из важнейших эксплуатационных характеристик, может быть повышена путем увеличения единичной мощности силовых установок для привода рабочего оборудования и совершенствования рабочих процессов разработки в транспортировании грунта.
За последние пять лет мощность экскаваторов непрерывного действия возросла в среднем на 20 %, а для отдельных категорий (экскаваторы-каналоко-патели) — на 30 — 40 %. Цепной траншейный экскаватор на базе трактора для вскрытия магистральных трубопроводов предназначен [4, 5] для разработки
грунтов 1...Ш категории включительно из предварительно разработанного одноковшовым экскаватором приямка одновременно с двух сторон от трубопровода с использованием копирного устройства, без применения подкапывающей и очистной машин, для дальнейшей работы изоляционной машины. Для чего он оборудован сдвоенным цепным рабочим органом для рытья траншей, механизмом изменения положения рабочего органа относительно оси трубопровода.
В данной статье представлен САПР эскизного этапа проектирования траншейного экскаватора.
При проектировании типовые проектные процедуры обычно выполняются в традиционной последовательности, называемой типичной последовательностью проектных процедур. Процедуры, включенные в алгоритм (рис. 2), предусматривают преобразование описания объекта на эскизном этапе проектирования (рис. 3).
В такой последовательности процедура «Формирование ТЗ на нижний уровень» является заключающей и предполагает разработку технического задания для проектных процедур нижеследующего иерархического уровня. Например, техническое за-
о
го >
дание (ТЗ) на проектирование силового привода, рабочего органа, ходового оборудования цепного траншейного экскаватора может появиться лишь как результат синтеза структуры траншейного экскаватора в целом и анализа характерных для него рабочих процессов.
Создание математической модели — создание математического описания (математической модели) функционирования изделия, отражающей существенные, с точки зрения проектировщика, свойства.
Выбор параметров — задание диапазонов или фиксированных значений параметров изделия, знание которых необходимо для выполнения расчетов по математической модели или для организации экспериментальных исследований.
Анализ — выполнение любой процедуры (математический расчет, физический или машинный эксперимент на ЭВМ, обработка информации и т.д.), позволяющей получить результаты, поддающиеся оценке.
ТЗ выполнено? — оценка результатов анализа на соответствие их требованиям технического задания.
Выбор решения — выбор варианта дальнейших действий, который, по мнению проектировщика, поможет добиться соответствия результатов анализа требованиям технического задания.
В зависимости от характера вариантов (рис. 2), выбиравшихся в предыдущих шагах, возможны либо изменение параметров, либо (если диапазон варьирования параметров исчерпан) изменение структуры проектируемого изделия, либо (если рассмотрение возможных вариантов структур не дало желаемых результатов) изменение технического задания, сформированного на предыдущем иерархическом уровне.
Оформление документации — документирование всех принятых решений в случае, если результаты анализа соответствуют требованиям технического задания. Практически это означает изготовление окончательного для данного иерархического уровня и для данной итерации варианта описания.
Формирование ТЗ на нижний уровень — разработка технического задания на проектирование частей (или свойств) объекта, принадлежащих нижеследующему иерархическому уровню.
Совершенствование рабочих процессов предполагает комплексное воздействие на грунт рабочими органами интенсифицирующего действия, применение инерционного способа разгрузки ковшей, использование эффекта обрушения грунта. Принятие указанных мер ведет не только к увеличению производительности, но и к снижению удельных показателей применения.
Надежность экскаваторов непрерывного действия повышают за счет использования современных комплектующих изделий и материалов, более совершенных конструктивных решений, а также высокого уровня их унификации.
При проектировании и эксплуатации экскаваторов непрерывного действия различают техническую производительность для каждой категории грунтов и техническую производительность, усредненную по категориям грунта.
Успешное решение вопроса автоматизированного синтеза новых конструктивных решений предлагаемым методом композиции требует наличия их математических моделей [8].
Математическая модель низкочастотной составляющей (тренда) была представлена расчетной схе-
Рис. 3. Блок-схема структуры САПР
^^ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
I
в(1о1вявнэне 010Н(1010(1 ониэптнсс1х еэээ1к>(111 01Э1100РС1 иуэУои ионээынеиэхеи ионнэкпдодо еиэхэ крнс1АхмАс1хэ ^ ЭИ,£
»у
т
чщ
г~ л
а г "V.
Ш! !■ Л
У т г
1 J
ША.
ЧЯЦ
т /
щ
ЧУ
).
ХЛ
те/
'У
>1
аАУ
1А
X
ЯП —
"ЯА
— п
п
'А
гА
*м
ХР!Х!{) '»X
ХР(Щ 'РХ ¡V
ХР(Щ ТХ
хр/х;{] '»X Г'хг
ХР/Х/{] ТХ
ХРОО*] 'РХ Гж
,гА
'ЕА
(иуА
(и) /
'■'У эпнэиадШд
у апнаиадабир
■у
/}\
фашйос^хп^
г£у апнаиададир
у
11
апнаиарШЦ
*'у апнс иадайио
1
Ау дпндизддйид
- /Л —
Параметр iii машины, та, 1 г ты а ты Ыыы и уыыыЫыы
—D ы -
пы ы ы ы
Ныыыыы
ВНы
/ ВЫыН
.7 иыыыHыыт 7 дынным
^см ыШ-
МЫныыыныыыыыы
РЫныыыыы
ПНыыыыыы
,— dm ы
Рыыыыш
к, т
,—т EH-
А ни и ритм
оытын
сыатыны
ОШынмыыаыы ри-ны-тытыЫ I
,— EH -
L-Мм
— FH-
ЗыНыыы
уыыыЫаыЫ
оытымыныыыы
А нииры т н
таыыЫын
Сытиными
рыыыыты
Ниш
км-
Киаиы
Рис. 5. Блок-схема алгоритма рабочего процесса цепного траншейного экскаватора
мой (рис. 1) и описана в соответствии с теорией копания, разработанной в [6 — 8].
На основании методики была написана программа для расчета основных параметров траншейного экскаватора.
В нормативных документах система автоматизированного проектирования определена как организа-^ ционно-техническая система, состоящая из комплек-g са средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование.
Предложенная САПР структуры траншейного экскаватора (рис. 3) создана в среде разработки Matlab 7.4.0 GUI Builder, позволяющей создавать Windows-приложения.
Интерфейс САПР позволяет организовать в наглядной форме ввод исходных данных, технического задания, параметров вывода результата.
Программа математического обеспечения САПР объединяет описание математических моделей проектируемых объектов и математических методов, реализованных в данной САПР. В нее входят:
1. Подпрограмма инженерных расчетов — совокупность программных алгоритмов, предназначенных для выполнения различных расчетов.
2. Подпрограмма моделирования предназначена для автоматизированного получения различного рода математических моделей проектируемых объектов или процессов.
Программное обеспечение САПР представляет собой описание алгоритмов проектирования, использованных в данной САПР, а также документы с исходными текстами программ.
Программа оформления результатов в зависимости от выбранных режимов вывода организует вывод результатов автоматизированного проектирования в виде таблиц или графиков.
Программа машинной графики САПР обеспечивает возможность для ввода, обработки, хранения и вывода графической информации, реализуемых программными средствами.
Программа информационного поиска — база данных, предназначенная для хранения различных данных, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования, которые могут быть представлены в виде сведений справочного характера о материалах, комплектующих изделиях, типовых проектных решениях, параметрах элементов, параметрах проектируемых объектов и т.п., возможность корректировки баз данных в процессе проектирования.
Интерфейс системы представляет собой набор последовательно всплывающих окон, вид которых типичен для Windows-приложений. Каждое окно содержит строку заголовка и строку меню.
В строке заголовка указывается название системы («Расчет параметров экскаватора»). Строка меню состоит из трех пунктов: «Файл», «Библиотеки», «Графика». Пункт «Файл» состоит из пяти типичных для Windows-приложений групп, которые предназначены для создания проектов («Новый расчет»), открытия существующих проектов («Открыть»), сохранения проектов («Сохранить» и «Сохранить как...») и выхода из системы («Выход»).
Пункт «Библиотеки» содержит подпункты работы с библиотеками нормативно-технической документацией: техническими регламентами, стандартами, строительными нормами и правилами, техническими характеристиками оборудования и т.п. Эти пункты позволяют просматривать данные библиотек, добавлять и удалять элементы из библиотек.
Пункт «Графика» содержит подпункты «Геометрические параметры», «Профиль поверхность», позволяющие получить наглядное представление о результатах проектирования.
Стартовое окно программы расчета параметров экскаватора предлагает выбрать вариант расчета: конструкторский или проверочный. Конструкторский расчет основывается на предложенной инженерной методике и предполагает по исходным данным и предъявляемым требованиям получение рациональных параметров экскаватора. Проверочный расчет имеет обратную логику, т.е. траншейный экскаватор с определенными параметрами проверяется на соответствие требованиям и исходным данным.
Далее необходимо ввести исходные данные и требования технического задания, нажать на кнопку «Расчет», и программа выдаст результаты в текстовой и графической форме (рис. 4).
Таким образом, разработанная программа позволяет рассчитать основные параметры траншейного экскаватора.
Блок-схема алгоритма реализации рабочего процесса цепного траншейного экскаватора (рис. 5) является составной частью САПР основных параметров устройства управления гидравлической объемной трансмиссией цепного траншейного экскаватора.
Библиографический список
1. Ахтулов, А. Л. Методика оценки качества процессов проектирования сложных технических устройств / А. Л. Ахтулов, Л. Н. Ахтулова, А. В. Леонова // Омский научный вестник. — 2013. — № 3 (123). — С. 87-92.
2. Ахтулов, А. Л. Методология построения и практическое применение системы автоматизации проектирования транспортных машин / А. Л. Ахтулов // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). — Омск : Издательский дом «ЛЕО», 2005. — Вып. 3. — С. 14-29.
3. Ахтулов, А. Л. Алгоритм числового расчета реакций связи динамической системы сложной структуры / А. Л. Ахтулов, Л. Н. Ахтулова // Инновации. Интеллект. Культура : материалы XVIII Всерос. науч.-практ. конф. — Тюмень : Изд-во Нефтегазовый ун-т, 2010. — С. 96-100.
4. Зедгенизов, В. Г. Машины для прокладки гибких подземных коммуникаций. Теория и расчет : моногр. / В. Г. Зедгенизов. — Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2005. — 176 с.
5. Домбровский, Н. Г. Многоковшовые экскаваторы / Н. Г. Домбровский. — М. : Машиностроение, 1972. — 432 с.
6. Дорожные машины. Часть I. Машины для земляных работ / Т. В. Алексеева [и др.] — М. : Машиностроение, 1972. — 504 с.
7. Разработка мероприятий по улучшению технологического процесса вскрытия и подкопа трубопроводов траншейным экскаватором / А. Л. Ахтулов [и др.] // Омский научный вестник. — 2008. — № 1 (64). — С. 57-59.
8. Недорезов, И. А. Моделирование взаимодействия скребкового рабочего органа цепного траншейного экскаватора с грунтом / И. А. Недорезов [и др.] // Строительные и дорожные машины. — 2002. — № 12. — С. 24-26.
АХТУЛОВА Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Экономики транспорта, логистика и управление качеством» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС).
АХТУЛОВ Алексей Леонидович, доктор технических наук, профессор (Россия), действительный член Международной академии авторов научных открытий и изобретений и Академии проблем качества, почетный работник высшего профессионального образования, профессор кафедры электроэнергетики Тобольского индустриального института Тюменского государственного нефтегазового университета; профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Омского государственного университета путей сообщения.
ОСИТ Вероника Александровна, аспирантка кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПС. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 07.03.2014 г. © Л. Н. Ахтулова, А. Л. Ахтулов, В. А. Осит
