автоматизированные системы управления
automated control systems
DOI: 10.12731/wsd-2015-6-1 УДК 004.82
Мониторинг и моделирование режимов работы транспортных и технологических машин
Николаев А.Б.1, Пашаев М.Я.г, Смирнов С.Ю.1, Атаева С.К.3
'ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», Российская Федерация, г. Москва, http://www.madi.ru, nikolaev.madi@mail.ru 2ФГБОУ ВПО «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени акад. М.Д. Миллионщикова (ГГНТУ имени акад. М.Д. Миллионщикова)», Российская Федерация, Чеченская Республика, г. Грозный, http://www.gsoi.ru, ranas@rambler.ru 3ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»
В статье рассмотрены вопросы моделирования и мониторинга работы транспортных и технологических машин на строительных объектах, где подъездные пути представляют грунтовые дороги, т. е. встает вопрос использования высокопроходимых машин. При этом встает во-
прос моделирования взаимодействия таких машин на грунтах со слабой несущей способности. Для решения поставленной задачи в работе предполагается решение многоуровневого комплекса связных задач, включающих: выбор типов транспортных и технологических машин и режимов движения; оптимизацию и адаптацию взаимодействия машин на слабонесущих грунтах; моделирование взаимодействия транспортных и технологических машины с грунтом; расчет характеристик взаимодействия одиночного колеса с грунтом; разработку статистических и физико-математических моделей слабонесущего грунта.
Ключевые слова: Транспортные машины, слабонесущий грунт, модели погружения штампа, взаимодействие колесной машины с грунтом, вложенная структура моделей
monitoring and simulation models transport and technological machines
NikolaevA.B.1, Pashayev M.J.1, Smirnov S.Y.1, Ataeva S.K.3
1 State Technical University - MADI, Russian Federation, Moscow, http://www.madi.ru, nikolaev.madi@mail.ru 2Grozny State Oil Technical University by Acad. M.D. Millionshikov (GSOTU by acad. M.D. Millionshikov), Russian Federation, Chechen Republic, Grozny, http://www.gsoi.ru/, ranas@rambler.ru 3State Technical University - MADI, Russian Federation, Moscow, http://www.madi.ru, v7801@yandex.ru
The paper deals with the modeling and monitoring of transport and technological machines on construction sites, where access roads are dirt roads, i.e. question to use high-throughput machines. This raises the question of modeling the interaction of these machines on soils with low bearing capacity. To solve the problem in the supposed solution of multilevel complex connected problems, in-
cluding: the choice of types of transport and technological machines and driving modes; optimization and adaptation of interaction machines on soft soil; simulation of transport and technological machines with the ground; calculation characteristics of the interaction of a single wheel with the ground; development of statistical and mathematical models of physical and non-cohesive soils.
Keywords: transport machines, non-cohesive soils, model dive stamp, wheeled machine interaction with the ground, nested structure models.
введение
Эффективность работ транспортных и технологических машин на строительных объектах весьма существенное влияют на общую эффективность всего строительного цикла, особенно при реализации дорожно-строительных работ, где на их долю приходится более половины всего производства [1]. Довольно часто приходится доставлять грузы в условиях бездорожья, что ставит необходимым этапом решение задач оценки взаимодействия различных машин с наиболее типичным грунтом для данной строительной площадки. Данная задача может быть решена на основе базовых подходов террамеханики, которые дают основу расчетным методам оценки тяговых характеристик транспортных машин.
К настоящему времени разработаны методы и модели, которые позволяют выполнять расчеты процессов буксования колесных движителей. Однако, для произвольного грунтового покрытия все еще возникают проблемы, связанные с точностью моделирования в плане оценки тяговых характеристик движителей транспортных и технологических машин. В данной статье рассмотрены проблемы решения комплексной задачи анализа выбора типов и режимов работы машин при выполнении строительных работ на грунтах слабой несущей способности. В данной ситуации необходим выбор адекватной физико-математической модели взаимодействия движителя с грунтом в зависимости от угла наклона системы движителей, скорости перемещения и т.д. При этом встают вопросы расчета пробуксовки и нагрузки на ось, которые необходимы для анализа взаимодействия планировочных машин и т.п.
Регрессионные модели погружения штампа в слабонесущий грунт
Как было отмечено выше, свойства грунта вычисляются, в основном, на базе применения многомерных статистических методов анализа (регрессионного, факторного, кластерного и др.) к экспериментальным данным результатам кинематических и силовых схем сдвига и погружения штампа. При этом используемые в экспериментах штампы имеют различные размеры, формы (круг, квадрат, прямоугольник и т.п.), а также специфические детали в виде грунтозацепов. Количество найденных и предложенных для расчетных схем таких эмпирических моделей достаточно много. В связи с этим в работе предлагается достаточно универсальный механизм сравнительного анализа по точности и адекватности всей совокупности включенных в единую базу данных эмпирических зависимостей. Данные механизмы представляют систему автоматизации планирования эксперимента и открыты для включения, как новых моделей грунтового основания, так и новых экспериментальных данных, полученных в различных условиях с вариацией влажности, температуры и т.д. Разработанная схема автоматизации имеет достаточно разнообразные средства визуализации результатов анализа экспериментальных данных, что позволяет оперативно выполнять анализ адекватности [1-15]. Имеется возможность построения объемных моделей погружения от сдвига и нагрузки (рис. 1).
Диаграммы Кокса-Бокса показывают результаты дисперсионного анализа по сравнению различных моделей (рис. 2) и других, что позволяет более эффективно реализовать схемы синтеза новых эмпирических зависимостей.
С помощью данной системы проведен сравнительный анализ адекватности большого количества классических моделей динамики погружения в штамповых эксперимента и апробирована методика получения точностных характеристик на основании методов дисперсионного, регрессионного, факторного и других видов анализа.
3D Scatterplot (С1Е 4v*67c)
о
рис. 1. Зависимость погружения от сдвига
Categorized Plot for Variable: Z5
III-
0 1 2 3 4 5 13 n Median value
P
рис. 2. Сравнительный анализ моделей
Методы расчета характеристик взаимодействия колеса с грунтовым основанием
Основой для расчета тяговых характеристик транспортных и технологических машин, которые естественно представляют многоколесный движитель, на грунтах со слабой несущей способности являются модели и методы расчета одиночного колеса. При этом характеристики взаимодействия определяется как свойствами грунта, так и непосредственно параметрами колеса, а именно: конфигурацией рабочей поверхности, размерами, давлением воздуха и рядом других параметров. В основном, предложенные исследователями расчетные модели основаны на решении интегрального уравнения Е (а0) = 0, где
а* а* 2-Ж Р= |д(а)-5,шсс-й?а+ |т(а)со,уа£/а--, т(а) и д(а) - тангенциально а0
ная и нормальная нагрузки соответственно, В - ширина колеса, Б - диаметр колеса, ак и а0 - конечный и начальный угол контакта, Ж - нагрузка на ось.
Основу новым моделям взаимодействия одиночного колеса с грунтом слабой несущей способности также дают экспериментальные исследования, которые направлены на измерение показателей напряженного состояния внутри грунта непосредственно под зоной контакта с колесом.
Данные экспериментов дают возможность включения в расчетные модели новых более адекватных зависимостей, которые на интерполяцию тангенциальной т(а) и нормальной д(а) составляющих нагрузки по колесом. Кроме того, постановка и решение задач построения моделей взаимодействия одиночного колеса достаточно плотно связано с задачами моделирования взаимодействия штампа с грунтом слабой несущей способности. С другой стороны, данные, полученные в результате экспериментов по взаимодействию одиночного колеса некоторым образом позволяют дать в свою очередь оценку адекватности моделей взаимодействия штампа с грунтом. Такая обратная связь приводит к необходимости взаимной параметризации моделей колесных и штамповых экспериментов, а также созданию интегрированного программно-мо-
делирующего комплекса автоматизации планирования эксперимента по анализу экспериментов на грунтах слабой несущей способности.
Предложенные в работе механизмы построения методик расчета направлены на возможность создания программного комплекса инвариантного к включаемым моделям и методам расчета характеристик взаимодействия как штампа так и одиночного колеса (рис. 3).
Методика выбора типов транспортных и технологических машин [1, 2, 4] а также режимов их работы предполагает поэтапное применение моделей расчета чувствительности характеристик к исследуемым параметрам грунта.
рис. 3. Иерархическая структура вложенных моделей взаимодействия колеса с грунтом слабой несущей способности
В плане методов анализа (Metanl) в систему включены подсистемы анализа чувствительности (Met_inf), функциональных зависимостей (Metfun), дисперсий (MetDis), регрессии (Met reg), главных факторов (Met fact) и др.
синтез режимов движения колесных машин
Для решения задач принятия решений по выбору типов транспортных и технологических машин и режимов их движения необходима вся совокупность методов анализа. Принятие оперативных решений позволяет существенно повысить эффективность всего цикла строительных работ. В области моделей синтеза параметров представляется наиболее целесообразным использование классических поисковых методов, где в качестве процедур оценки включаются
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.