Введение к работе
Актуальность работы. Применение автоматизированного проектирования (АП) в различных отраслях инженерии привело к значительному повышению эффективности труда проектировщика. Детальная проработка методов и средств проектирования, оптимальная композиция совокупности функциональных систем в единый комплекс требует от исследователей создания сквозной технологии автоматизированного синтеза, которая обеспечила бы снижение неопределенности в оценке основных свойств разрабатываемых технологических машин до уровня, позволяющего осуществить обоснованный выбор наилучшего варианта структуры и параметров систем, а также отдельных видов их подсистем уже на начальном этапе - этапе эскизного проектирования.
Повышение конкурентоспособности создаваемых одноковшовых экскаваторов (ЭО), представляющих собой подкласс многоцелевых технологических машин, обеспечивают не только снижением себестоимости, а в большей степени повышением качества машин и максимального соответствия конкретным требованиям потребителя за счет разнообразия сменного рабочего оборудования и рабочих органов. Рабочее оборудование (РО) экскаватора выступает в роли системообразующего фактора, определяя концепцию, технико-эксплуатационные свойства и эффективность машины в целом. Последнее обусловливает жесткие требования к этапу проектирования, на котором определяются основные технические, технологические и экономические параметры ЭО.
Здесь особенно важна согласованность математических моделей физических процессов и процедур структурно-компоновочного проектирования ЭО и интеграция связывающих их информационных потоков на базе технологии информационной поддержки жизненного цикла (ЖЦ) изделия (ИПИ-технологии).
Развитие конструкций, приводов и органов управления ЭО вызывает дальнейший рост сложности проектных задач и сдерживается практической исчерпанностью ресурса традиционной технологии теоретического исследования и проектирования ЭО. Существующие методологические подходы и программные средства проектирования ЭО дают лишь частичное решение проблемы целостности, не учитывают необходимость информационного обмена по этапам (ЖЦ) машины, не обеспечивают процессов накопления информации, а деятельность разработчиков ЭО должна быть подкреплена усилиями программистов. Используемые в проектировании ЭО пакеты проектирования и методики не интегрируются между собой при организации полноценных проектов в рамках информационного взаимодействия различных разрабатывающих ЭО предприятий, сдерживая их экспортные возможности.
На отечественных предприятиях до сих пор существует ярко выраженная дифференциация проектных работ, которая не позволяет на организационном уровне обеспечить необходимый уровень информационного обмена между расчетными подразделениями и группами.
Развитие методологии проектирования РО ЭО является сегодня актуальным, способствует ускорению научно-технического прогресса и позволяют вывести проектирование ЭО на качественно новый уровень.
Научная проблема состоит в развитии методологии системного проектирования ЭО в компьютерной среде, ориентированной на непрерывную информационную поддержку ЖЦ ЭО и объединяющей согласованные процедуры структурно-компоновочного проектирования машины, модели приводных систем и рабочих процессов.
Идея работы заключается в реализации подходов к проектированию приводов, конструкций и рабочих процессов ЭО на основе синтеза математических моделей физически неоднородных подсистем, структурно-компоновочных моделей машины и моделей эффективности в единой компьютерной среде.
Объект исследования - технология и модели проектирования рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов как многоцелевых машин, взаимодействующих с рабочей средой.
Предмет исследования - структурно-компоновочные и конструкторские характеристики сменного рабочего оборудования ЭО и автоматизированные методы целенаправленного изменения указанных характеристик за счет технических решений, закладываемых в систему на начальных этапах ее проектирования.
Цель работы состоит в обобщении и развитии методологических и теоретических основ автоматизации проектирования сменного рабочего оборудования ЭО и создание на этой основе теоретического обеспечения, охватывающего все необходимые аспекты автоматизации и исследование принципов построения среды проектирования РО ЭО.
Задачи исследования.
-
разработать логическую модель процесса проектирования РО, ориентированную на автоматизацию основных проектных процедур в различной информационной обстановке и адекватной потребностям современного производства;
-
разработать математические модели поведения базовых элементов и агрегатов рабочего оборудования ЭО, удовлетворяющих требованиям процедур структурно-параметрического синтеза РО;
-
определить общую структуру и концепцию компьютерной среды проектирования РО, где выделены типы моделей на основе представлений о физически неоднородных системах и уровнях конструктивной иерархии ЭО, обоснована технология решения проектных задач с использованием баз данных и баз знаний;
-
разработать модели, оценки и алгоритмы расчета эффективности ЭО, включая разработку грунта поворотным движением ковша, с учетом взаимосвязей конструктивно-технологических и технико-эксплуатационных показателей ЭО и вероятностных факторов условий эксплуатации;
-
провести экспериментальную проверку методологии автоматизированного проектирования при анализе и параметрическом синтезе РО ЭО, оптимизации сменных рабочих органов и элементов привода серийно производимых промышленностью ЭО и введенных в эксплуатацию.
Методологической основой работы являются: системный подход; математическое моделирование; теория рабочих процессов землеройных машин; механика сплошной среды; методы принятия решений; теория графов; информационные технологии; теоретические положения систем автоматизированного проектирования.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Сформулированы принципы построения и разработана методология автоматизированного проектирования РО ЭО как объекта многоцелевого назначения, обеспечивающая воспроизведение на основе информационно-логической модели основных (релевантных) параметров ЭО при сочетании автоматизированных и неавтоматизированных процедур поискового проектирования.
-
Созданы математические модели и перестраиваемые алгоритмы расчета структурно-компоновочных решений и параметров эффективности ЭО, дающие возможность проводить исследования при высокой точности расчета характеристик ЭО с учетом взаимосвязи конструктивно-технологических характеристик рабочего оборудования и вероятностных условий эксплуатации машины, в отличие от существующих эвристических приближений.
-
Разработан метод и алгоритм генерации вариантов проектных решений при структурно-параметрическом синтезе РО ЭО с учетом требований, выраженных в критериальных функциях различного иерархического уровня; определен механизм генерации проектных альтернатив с использованием операторов селекции и мутации.
-
Созданы математические модели расчета характеристик рабочих процессов и параметров привода сменного РО ЭО, позволившие расширить класс исследуемых задач синтеза и анализа РО, на основе обобщенных подходов к базовым элементам физически неоднородных систем, многоаспектности анализа и иерархичности используемых проектных процедур.
-
Разработаны математические модели и алгоритм расчета силовых и энергетических показателей процесса копания грунта по траектории большой кривизны, предусматривающие изменение кинематических параметров процесса и модификацию расчетной схемы взаимодействия рабочего органа с грунтом в зависимости от технологических характеристик процесса.
-
Обоснована концепция автоматизированной технологии и среды проектирования РО одноковшовых экскаваторов, включающей требования к ком-плексированию компонент, организационную структуру и методическое обеспечение и выполняющей полный цикл проектных исследований в соответствии с основными методологическими принципами ИПИ-технологии.
Автор защищает:
методологические основы автоматизированного проектирования РО ЭО;
совокупность математических моделей, отражающих выявленные закономерности рабочих процессов сменного РО, связывающих основные факторы, определяющие эффективность ЭО и компьютерной среды проектирования РО ЭО;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований конструкций и параметров рабочего оборудования ЭО.
Значение для теории имеют: численный метод расчета структурно-компоновочных характеристик ЭО, основанный на учете причинно-следственных связей и позволяющий получить на первых стадиях проектирования основные параметры машины; доказанная применимость информационно-логической модели проектирования ЭО на различных стадиях проектирования и уровнях конструктивной иерархии; метод комплексного моделирования характеристик ЭО в компьютерной среде; расчетная схема и методика расчета силовых и энергетических показателей процесса копания грунта по траектории большой кривизны, как основа формирования расчетных нагрузок главного вида рабочего оборудования - обратная лопата и технологических схем его применения.
Значение для практики состоит в том, что значительное ускорение процессов моделирования, расчета и всестороннего исследования ЭО, обеспечиваемое использованием разработанных и примененных методов и алгоритмов, автоматизированной технологией и компьютерной средой, позволяют существенно сократить сроки проведения проектно-конструкторских работ по созданию ЭО (и его конструктивных блоков), повысить качество выполнения и снизить трудоемкость проектных операций, получить более точные данные о развитии параметров и эффективности ЭО, изучать физически неоднородные подсистемы РО, исследование которых по традиционной технологии неэффективно или затруднительно. Разработанные эквивалентные схемы (схемы замещения) являются основой построения моделей и программ различной сложности. В моделях и программном обеспечении реализованы: наглядность представления объекта проектирования, изменение уровня детализации, иерархичность представления, гибкость модификации, соответствие действующим стандартам в области информационных технологий (С4-стандартам).
Личный вклад автора в решение проблемы заключается в создании: методологии проектирования РО, включающей в себя информационно-логическую модель процесса проектирования ЭО, методы комплексного исследования характеристик ЭО на базе электронного макета и экспертной системы с использованием базы знаний, концепцию автоматизированной технологии проектирования РО и компьютерную среду, функциональность которой согласована с ИПИ-технологией; расчетной схемы и методики определения силы и работы копания грунта поворотным движением ковша (по траектории большой кривизны), а также обоснования рациональных технологических схем разработки грунта оборудованием обратная лопата; алгоритмов, программного и методического обеспечения проектирования РО в компьютерной среде.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается методологической базой исследования, основанной на фундаментальных теоретических положениях механики, с соблюдением основных принципов математического моделирования, проверкой адекватности построенных моделей, совпадением расчетных данных, полученных предложенными методами, с
экспериментальными данными собственными и данными других авторов, а также результатами практического использования предложенных в диссертации моделей, расчетных методов и алгоритмов, использованных в среде проектирования.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены в: ООО ОМЗ - Горное оборудование и технологии (Группа «Урал-маш-Ижора»); ОАО «Тверской экскаватор»; 000 «ИЗ-КАРТЭКС»; 000 ПО «КрасТяжМаш», 000 «Сибироника» (г. Красноярск); учебном процессе ФГА-ОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» при подготовке инженеров по специальностям «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», «Автомобиле- и тракторостроение» и бакалавров по направлению «Наземные транспортные системы».
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на: республ. НТК «Строительные и дорожные машины и их использование в современных условиях» (СПбГТУ, 1995 г.); международной НТК «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (СПбГТУ, 1996 г.); международной НТК «Механизация и автоматизация строительства и открытых горных работ» (МГСУ, 1996 г.); всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: Экспертные системы и принятие решений» (г. Н. Новгород, НГТУ, 1999, 2000 гг.); международной НТК «Проблемы адаптации техники к суровым условиям» (г. Тюмень, ТГНГУ, 1999 г.); всероссийской НТК «Политранспортные системы» (г. Красноярск, КГТУ, 2003, 2004, 2006, 2007 г.г.); VIII Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (г. Красноярск, ИВМ СО РАН, 2005 г.); НТК «Современные технологии в машиностроении и автомобилестроении» (г. Ижевск, ИжГТУ, 2005 г.), международной НТК «ИНТЕРСТРОЙМЕХ» (г. Харьков, ХГАДТУ, 2000 г.; г. Воронеж, ВГАСУ, 2004 г.; г. Москва, МГСУ, 2006 г.; г. Самара, СГАСУ, 2007 г.; г. Владимир, ВГУ, 2008 г.; г. Бешкек, КГУАСТА, 2009 г.; г. Белгород, БГТУ, 2010 г.); научном семинаре кафедры «СиПТМ» МГСУ в 2008 г.; заседании кафедры «ДСМ» МАДИ(ГТУ) в 2008 г.; НТК ГОУ «СибАДИ» в 2010 г.; НТС МГТУ им. Н.Э.Баумана в 2011 г.
Публикации по работе. По материалам диссертационных исследований опубликовано 56 работ (том числе одна монография, семь учебных пособий, 29 статей, 5 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ, 14 авторских свидетельств на изобретения). В изданиях, рекомендованных ВАК Ми-нобрнауки РФ, опубликовано 18 статей.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников (210 наименований) и приложения. Общий объем диссертации составляет 350 страниц, включая 122 рисунка и 29 таблиц.
