Методология автоматизированного проектирования рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов

На правах рукописи

Павлов Владимир Павлович МЕТОДОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ОДНОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРОВ Специальности:

05.13.12 – Системы автоматизации проектирования (промышленность) 05.05.04 – «Дорожные, строительные и подъмно-транспортные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Омск – 2012 2

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский фе деральный университет», г. Красноярск

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кудрявцев Евгений Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Холмянский Игорь Антонович доктор технических наук, профессор Мещеряков Виталий Александрович доктор технических наук, профессор Абраменков Дмитрий Эдуардович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

Защита состоится 24 февраля 2012 г. в 1000 час. на заседании объединен ного диссертационного совета ДМ 212.250.03 при Федеральном государствен ном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального об разования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (Си бАДИ)» по адресу: 644080, г.Омск, пр. Мира, 5, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государ ственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессиональ ного образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная акаде мия (СибАДИ)».

Отзывы на автореферат направлять по указанному адресу: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5, тел., факс: (3812) 65-03-23, e-mail: [email protected] Автореферат разослан « » января 2012 г.

Ученый секретарь объединенного диссертационного совета ДМ 212.250.03, кандидат технических наук М.Ю. Архипенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 функциональ ных систем в единый комплекс требует от исследователей создания сквозной технологии автоматизированного синтеза, которая обеспечила бы снижение неопределенности в оценке основных свойств разрабатываемых технологиче ских машин до уровня, позволяющего осуществить обоснованный выбор наи лучшего варианта структуры и параметров систем, а также отдельных видов их подсистем уже на начальном этапе – этапе эскизного проектирования.

Повышение конкурентоспособности создаваемых одноковшовых экскавато ров (ЭО), представляющих собой подкласс многоцелевых технологических ма шин, обеспечивают не только снижением себестоимости, а в большей степени повышением качества машин и максимального соответствия конкретным требо ваниям потребителя за счет разнообразия сменного рабочего оборудования и ра бочих органов. Рабочее оборудование (РО) экскаватора выступает в роли сис темообразующего фактора, определяя концепцию, технико-эксплуатационные свойства и эффективность машины в целом. Последнее обусловливает жесткие требования к этапу проектирования, на котором определяются основные техни ческие, технологические и экономические параметры ЭО.

Здесь особенно важна согласованность математических моделей физических процессов и процедур структурно-компоновочного проектирования ЭО и инте грация связывающих их информационных потоков на базе технологии инфор мационной поддержки жизненного цикла ЖЦ изделия (ИПИ-технологии).

Развитие конструкций, приводов и органов управления ЭО вызывают даль нейший рост сложности проектных задач и сдерживается практической исчер панностью ресурса традиционной технологии теоретического исследования и проектирования РО. Существующие методологические подходы и программные средства проектирования ЭО дают лишь частичное решение проблемы целост ности, не учитывают необходимость информационного обмена по этапам (ЖЦ) машины, не обеспечивают процессов накопления информации, а деятельность разработчиков ЭО должна быть подкреплена усилиями программистов. Исполь зуемые в проектировании ЭО пакеты проектирования и методики не интегриру ются между собой при организации полноценных проектов в рамках информа ционного взаимодействия различных разрабатывающих ЭО предприятий, сдер живая 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 рас четными подразделениями и группами.

Развитие методологии проектирования РО ЭО является сегодня актуальным, способствует ускорению научно-технического прогресса и позволяет вывести проектирование ЭО на качественно новый уровень.

Научная проблема состоит в развитии методологии системного проектиро вания ЭО в компьютерной среде, ориентированной на непрерывную информа ционную поддержку ЖЦ ЭО и объединяющей согласованные процедуры струк турно-компоновочного проектирования машины, модели приводных систем и рабочих процессов.

Идея работы заключается в реализации подходов к проектированию приво дов, конструкций и рабочих процессов ЭО на основе синтеза математических моделей физически неоднородных подсистем, структурно-компоновочных мо делей машины и моделей эффективности в единой компьютерной среде.

Объект исследования – технология и модели проектирования рабочего обо рудования одноковшовых экскаваторов как многоцелевых машин, взаимодейст вующих с рабочей средой.

Предмет исследования – структурно-компоновочные и конструкторские ха рактеристики сменного рабочего оборудования ЭО и автоматизированные методы целенаправленного изменения указанных характеристик за счет технических ре шений, закладываемых в систему на начальных этапах ее проектирования.

Цель работы состоит в обобщении и развитии методологических и теорети ческих 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:

1) разработать логическую модель процесса проектирования РО, ориентиро ванную на автоматизацию основных проектных процедур в различной информа ционной обстановке и адекватной потребностям современного производства;

2) разработать математические модели поведения базовых элементов и аг регатов рабочего оборудования ЭО, удовлетворяющих требованиям процедур структурно-параметрического синтеза РО;

3) определить общую структуру и концепцию компьютерной среды проектиро вания РО, где выделены типы моделей на основе представлений о физически не однородных системах и уровнях конструктивной иерархии ЭО, обоснована техно логия решения проектных задач с использованием баз данных и баз знаний;

4) разработать модели, оценки и алгоритмы расчета эффективности ЭО, включая разработку грунта поворотным движением ковша, с учетом взаимосвя зей конструктивно-технологических и технико-эксплуатационных показателей ЭО и вероятностных факторов условий эксплуатации;

5) провести экспериментальную проверку методологии автоматизирован ного проектирования при анализе и параметрическом синтезе РО ЭО, оптими зации сменных рабочих органов и элементов привода серийно производимых промышленностью ЭО и введенных в эксплуатацию.

Методологической основой работы являются: системный подход;

математи ческое моделирование;

теория рабочих процессов землеройных машин;

механи ка сплошной среды;

методы принятия решений;

теория графов;

информацион ные технологии;

теоретические положения систем автоматизированного проек тирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1) Сформулированы принципы построения и разработана методология авто матизированного проектирования РО ЭО как объекта многоцелевого назначения, обеспечивающая воспроизведение на основе информационно-логической модели основных (релевантных) параметров ЭО при сочетании автоматизированных и не автоматизированных процедур поискового проектирования.

2) Созданы математические модели и перестраиваемые алгоритмы расчета структурно-компоновочных решений и параметров эффективности ЭО, дающие возможность проводить исследования при высокой точности расчета характе ристик ЭО с учетом взаимосвязи конструктивно-технологических характери стик рабочего оборудования и вероятностных условий эксплуатации машины, в отличие от существующих эвристических приближений.

3) Разработан метод и алгоритм генерации вариантов проектных решений при структурно-параметрическом синтезе РО ЭО с учетом требований, выра женных в критериальных функциях различного иерархического уровня;

опреде лен механизм генерации проектных альтернатив с использованием операторов селекции и мутации.

4) Созданы математические модели расчета характеристик рабочих процес сов и параметров привода сменного РО ЭО, позволившие расширить класс ис следуемых задач синтеза и анализа РО, на основе обобщенных подходов к базо вым элементам физически неоднородных систем, многоаспектности анализа и иерархичности используемых проектных процедур.

5) 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.

6) Обоснована концепция автоматизированной технологии и среды проекти рования РО одноковшовых экскаваторов, включающей требования к комплекси рованию компонент, организационную структуру и методическое обеспечение и выполняющей полный цикл проектных исследований в соответствии с основ ными методологическими принципами ИПИ-технологии.

Автор защищает:

- методологические основы автоматизированного проектирования РО ЭО;

- совокупность математических моделей, отражающих выявленные зако номерности рабочих процессов сменного РО, связывающих целевые функции и основные факторы, определяющие эффективность ЭО и компьютерной среды проектирования РО ЭО;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований конструк ций и параметров рабочего оборудования ЭО.

Значение для теории имеют: численный метод расчета структурно компоновочных характеристик ЭО, основанный на учете причинно-следствен-ных связей и позволяющий получить на первых стадиях проектирования основные па раметры машины;

доказанная применимость информационно-логической модели проектирования ЭО на различных стадиях проектирования и уровнях конструк тивной иерархии;

метод комплексного моделирования характеристик ЭО в компь ютерной среде;

расчетная схема и методика расчета силовых и энергетических по казателей процесса копания грунта по траектории большой кривизны, как основа формирования расчетных нагрузок главного вида рабочего оборудования – обрат ная лопата и технологических схем его применения.

Значение для практики состоит в том, что значительное ускорение процес сов моделирования, расчета и всестороннего исследования ЭО, обеспечиваемое использованием разработанных и примененных методов и алгоритмов, автома тизированной технологией и компьютерной средой, позволяют существенно со кратить сроки проведения проектно-конструкторских работ по созданию ЭО (и его конструктивных блоков), повысить качество выполнения и снизить трудоем кость проектных операций, получить более точные данные о развитии парамет ров и эффективности ЭО, изучать физически неоднородные подсистемы РО, ис следование которых по традиционной технологии неэффективно или затрудни тельно. Разработанные эквивалентные схемы (схемы замещения) являются ос новой построения моделей и программ различной сложности. В моделях и про граммном обеспечении реализованы: наглядность представления объекта проек тирования, изменение уровня детализации, иерархичность представления, гиб кость модификации, соответствие действующим стандартам в области информа ционных технологий (CALS-стандартам).

Личный вклад автора в решение проблемы заключается в создании: мето дологии проектирования РО, включающей в себя информационно-логическую модель процесса проектирования ЭО, методы комплексного исследования ха рактеристик ЭО на базе электронного макета и экспертной системы с использо ванием базы знаний, концепцию автоматизированной технологии проектирова ния 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 обо рудованием обратная лопата;

алгоритмов, программного и методического обес печения проектирования РО в компьютерной среде.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтвер ждается методологической базой исследования, основанной на фундаменталь ных теоретических положениях механики, с соблюдением основных принципов математического моделирования, проверкой адекватности построенных моде лей, совпадением расчетных данных, полученных предложенными методами, с экспериментальными данными соискателя и других авторов, а также результа тами практического использования предложенных в диссертации моделей, рас четных 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»;

ООО «ИЗ-КАРТЭКС»;

ООО ПО «КрасТяжМаш», ООО «Сибироника» (г. Красноярск);

учебном процессе ФГА ОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» при подготовке инженеров по специальностям «Подъмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», «Автомобиле- и тракторостроение» и бакалавров по направле нию «Наземные транспортные системы».

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, про веденных в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на:

республ. НТК «Строительные и дорожные машины и их использование в совре менных условиях» (СПбГТУ, 1995 г.);

международной НТК «Высокие интеллек туальные 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, про ектировании 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, г.г.);

VIII Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (г.

Красноярск, ИВМ СО РАН, 2005 г.);

НТК «Современные технологии в машино строении 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 се минаре кафедры «СиПТМ» МГСУ в 2008 г.;

заседании кафедры «ДСМ» МА ДИ(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, статей, 5 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ, 14 ав торских свидетельств на изобретения). В изданиях, рекомендованных ВАК Ми нобрнауки РФ, опубликовано 18 статей.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из вве дения, семи глав, заключения, списка использованных источников (210 наиме нований) и приложения. Общий объем диссертации составляет 350 страниц, включая 124 рисунка и 30 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обосновывается актуальность темы диссертационной работы, из лагаются цель и основные задачи исследования, формулируются научная новиз на, практическая ценность исследования и основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе исследованы особенности ЭО с точки зрения их проектиро вания. Выделены ряд формальных признаков и свойств ЭО, которые характери зуют эти машины с системных позиций: наличие большого числа взаимосвязан ных и взаимодействующих элементов;

многофункциональность и иерархичность строения;

наличие общей цели функционирования системы, общего назначения, определяющего единство сложности и организации;

переменность структуры, обеспечивающей многорежимный характер функционирования;

возможность адаптации к различным производственным условиям как структуры, так и ре жимов работы;

стохастический характер во взаимодействии подсистем и эле ментов в структуре системы и всей системы с внешней средой;

наличие призна ков эргономичности. Современное РО включает в себя большое количество комплектующих элементов, представляющих сложные объекты, характер проте кания физических процессов в которых в значительной степени определяет функциональные и технико-эксплуатационные свойства ЭО.

Большой вклад в теорию и практику проектирования ЭО внесли В.И.Баловнев, Ю.А.Ветров, Д.П.Волков, Н.Г.Домбровский, А.М.Завьялов, А.Н.Зеленин, А.П.Комиссаров, Е.М. Кудрявцев, И.А. Недорезов, Е.Р.Петерс, В.А. Ряхин, Д.И. Федоров, Л.А. Хмара и др. Значительный вклад в разработку методик расчета и стандартов внесли М.Я.Агароник, И.Л.Беркман, С.М.Борисов, А.А.Буланов, В.К.Гойхман, А.С.Иоффе, П.В.Панкрашкин, А.В.Раннев, А.К.Рейш, А.В.Рустанович, Э.А.Смоляницкий и др. (НПО ВНИИстройдормаш).

Вопросы математического моделирования и автоматизированного проектирова ния ЭО рассмотрены в работах В.Г.Ананина, Н.С.Галдина, А.Г.Григорьева, Н.Н.Живейнова, Л.Б.Зарецкого, Г.Н.Карасева, В.Я.Крикуна, Е.Ю.Малиновс кого, В.В.Москвичева, В.С.Щербакова и др. Проблематика моделирования и расчета ЭО активно обсуждается в работах Reece N., Lee S., Chang P., Park J., Kowaguchi N., Kwon S., Krul K., Panov V., Mitrev R., Malaguti F., Koivo A., Krishna M., Janoevi D. и др. Однако, выполненные разработки не ориентированы на рабо ту в едином проектном пространстве, не в состоянии обеспечить методологиче ским аппаратом процессы проектирования ЭО в жестких условиях борьбы за кон курентоспособную продукцию, а именно: временные ограничения на получение проектных решений;

большие потоки и разнообразие типов используемой инфор мации;

сложность формализации семантики процессов проектирования и инфор мационного сопровождения ЭО в течение ЖЦ.

Современные системы проектирования в машиностроении либо строятся на ба зе «тяжелых» дорогостоящих систем, пытающихся вместить в себя как можно больше функций, что приводит на практике к использованию их возможностей максимум на 30–40 %, либо компонуются из множества автономных систем моде лирования, что противоречит принципу модульности САПР. Кроме того, в случае «тяжелых» САПР возникает проблема внедрения в них модулей, созданных сто ронними разработчиками, что требует, как правило, опыта высококвалифициро ванных программистов. Фундаментальные вопросы применения информационных технологий и развития теории автоматизированного проектирования изложены в работах И.П.Норенкова, Н.Г.Малышева, В.П.Корячко, Н.Н.Моисеева, В.В.Павлова, О.Л.Смирнова, А.И.Петренко, В.В.Чкалова, В.В.Шелофаста, Д.Клира и др. Накоп ленный научный и производственный потенциал в области экскаваторостроения адаптируется к условиям компьютерного проектирования.

Зарубежные машиностроительные фирмы используют системы проектирова ния «тяжелого» класса с современными модулями CAD/CAE/CAM/PDM-систем, обеспечивая быстрый выход продукции на рынок и конкурентные преимущества в поддержании эксплуатационных свойств ЭО в течение ЖЦ. Так как фирменные средства моделирования данных характеристик обычно являются секретом про изводителей и не продаются на мировом рынке, а известные программные продукты не обеспечивают моделирования всего комплекса свойств ЭО, в области теории САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали ком плексного подхода к их решению, начиная от совершенствования моделей физиче ских процессов и заканчивая программной реализацией.

Во второй главе разработана информационно-логическая модель (ИЛМ) процесса проектирования ЭО. Исходные положения ИЛМ формируются на ос нове следующего базиса: при постановке и решении задач проектирования нель зя раз и навсегда определить цели, выбрать конкретные действия;

изготовители и потребители экскаваторов могут выстраивать различные модели поведения;

экономические и технологические условия производства у различных произво дителей техники непрерывно изменяются. Процесс проектирования рассмотрен в трех аспектах – принятия решений в многослойной структуре, учитывающей иерархичность строения объекта и процесса проектирования, развернутость процессов во времени и наличие средств автоматизации. Процесс проектирова ния ЭО представлен как элемент жизненного цикла машины (рис. 1). В соответ ствии с принципами системного анализа внешними условиями (реакциями) яв ляются: техническое задание (ТЗ) на проектирование и возможности производ ства, представленные множествами Х0 и Z0.

Рис. 1. Процесс проектирования как элемент жизненного цикла ЭО Для множества рассматриваемых концепций проекта 0 i i 1, 2,..., N реак ции (Х0, Z0) в конкретной концепции проектирования выступают в роли ограни чений. При известных ограничениях возможны, как правило, несколько реали зуемых проектов, удовлетворяющих ТЗ. Из множества таких проектов Dx = {x :

V0(x, Х0, Z0) 0} (V0 формальное условие допустимости проекта x при задан ных Х0, Z0) выбирается предпочтительный на основе критериев Y0 = F0(x, Х0, Z0).

В случае векторного критерия предполагается, что существует некоторое прави ло W0, позволяющее по значениям критериев на всем множестве Dx определить предпочтительный проект x. В формализованном виде задача формирования рационального проекта (П) ЭО представлена в виде кортежа:

П X 0, Z 0, 0,V0, Dx,Y0, F0,W0, x. (1) Понятие «рациональный проект» можно отнести к любой i-й подсистеме (аг регату, узлу и т.д.) ЭО, а совокупность рассматриваемых для ЭО проектов k П П j : X 0, Z 0, 0, V0, Dx, Y0, F0, W0, x, (2) j где k – количество уровней конструктивной иерархии.

Кортеж (2) охватывает основные этапы проектной деятельности, связанной с формированием рационального варианта проекта. Необходимым условием вы полнения этих этапов в автоматизированном режиме является рациональная де композиция процесса проектирования и подготовка проектных модулей, ре шающих определенные задачи (рис. 2).

Формализованное понятие процесса проектирования в виде кортежа (1) охва тывает основные процедуры и некую семантическую полноту. Однако в плане подготовки компонент кортежа к автоматизированному проектированию такая задача оказывается весьма трудной. Выделив формализованные и неформализо ванные процедуры проекта и методически согласовав их с основными компо нентами ИПИ, предложен второй вариант формализации процесса проектирова ния, отличающийся реалистичностью путем реализации эвристических приемов и экспертных оценок.

Для заданной концепции 0, эвристически определяемых X0, Z0, V0, Dx, Y0, F и W0 процесс разработки ЭО может строиться на основе некоторого множества информационно-логических моделей L, отражающих методическое обеспечение и связывающих на алгоритмическом и информационном уровнях множество мо делей физических процессов и характеристик качества ( M ), композицию опера торов структурно-компоновочной схемы машины ( ), а также множества моде лей эвристических процедур, используемых в процессе проектирования ( Z x, Pp ). Тогда проектное решение для определенной концепции ЭО R L M,, Z x, Pp, M M1 (t ), M 2 (t ),..., M n (t ), (3) Эвристические компоненты задачи проектирования Условия подготовки Формирование Модели, данные и знания действия (необходимые) компонент проекта (достаточные) Прогнозирование Выделение основных Формирование ТЗ воздействующих на ЭО реализуемости проекта X факторов внешней среды Z Формирование Анализ патентной и др.

Выделение альтернатив множества концепций ных (конкурирующих, информации. Синтез смежных) систем машин расчетных моделей Формирование Формирование ограни Формирование критерия условий отбора чувствительности к чений на параметры допустимых вариантов внешним воздействиям Dx (качество критериев) Декомпозиция целей Подготовка данных и Задание критериев многоцелевой системы, обобщение закономерно оценки иерархия критериев и их стей развития параметров Y упорядоченность ЭО и его подсистем Формирование Выбор показателей Подготовка данных по фи критериальных зическим и геометриче качества ЭО функций по правилу F0 ским параметрам ЭО Выделение элементов и Выбор рационального Подготовка данных узлов ЭО с малыми запа- варианта на основе (фактов) к формирова сами работоспособности правила выбора нию базы знаний. Суже и учет другой специфики W0 ние области Парето проекта Накопление положитель Рациональный проект Адаптация ЛПР к усло- ного опыта (прецедентов) виям задачи x Проект П (см. кортеж (1)) Рис. 2. Группировка расчетных и эвристических задач, решаемых на основе информационно логической модели ЭО (проект П – расчетная часть информационно-логической модели) где Mi – оператор, связывающий расчетные характеристики, воздействия и мо дельные параметры i-го физического процесса;

– оператор, связывающий структурно-компоновочные решения с параметрами эффективности (критерия ми);

Z x – множество баз знаний, построенных, например, в системе продукций:

Z x 1, 2,..., i : i fi1 fi 2... fid, где i – i-я база знаний – множество правил (продукций), включающих множество фактов fi1 i-й продукции;

PP – множество неавтоматизированных процедур (рис. 2).

Представление проекта в форме (3) является неполным относительно формы (1), но более реалистичным. Разработчик ЭО должен ориентироваться в про странстве понятий как формы (1), так и формы (3). Мощность n множества M = {M1, M2, …, Mn} моделей физических процессов, исследуемых при проектирова нии ЭО, определяется диаграммой сочетаний возмущающих факторов и j-м уровнем иерархии объекта ЭО.

Критерии выбора Y0 оцениваются путем построения функций принадлежности на основе метода анализа иерархий (Т. Саати) и теории нечетких множеств (Л. За де): для заданного множества концепций a1, a2,..., an каждая концепция ха рактеризуется нечетким множеством ai {ai ( yi ) / yi }, полученным на основе предпочтений лица принимающего решения (ЛПР), yi Y0. Оценки ЛПР исполь зуются при разработке и модификация И-ИЛИ дерева технических решений.

Необходимость в распараллеливании работ обеспечивается в ИЛМ путем ие рархического представления ЭО и членения проектных задач на более мелкие путем выделения вертикальных и горизонтальных структур данного процесса – проектных операций: Sij = { xij, zij, ij, rij, Vij, Yij, Kij, Wij, xij }, (i = 1, 2, …, n, j = 1, o 2, …, m), где rij – новая компонента, выделяющая из xij те проектные параметры, которые зависят от результатов выполнения соседних с Sij операций, причем Sij ;

i = 1, n–1;

j = 1, m (n число уровней детализации проекта, а m число операций детализации на i-м уровне, i =1, 2, …, n). Такое представление Sij явля ется основанием для построения проектных модулей. ИЛМ допускает формиро вание частных задач проектирования, используя наиболее простые и экономич ные модели на начальных итерациях процесса проектирования, когда высокой точности результатов не требуется.

В третьей главе на основе принципа смешанной иерархии (детальная мо дель определенного конструктивного узла более низкого уровня иерархии ком плексируется с макромоделью конструкции более высокого уровня иерархии и т. п.) сформирован набор моделей подсистем ЭО.

Структурно-компоновочные модели ЭО с оборудованием обратная лопата (основным оборудованием для ЭО I-V типоразмерных групп) представлены ря дом нелинейных функций Gi, построенных на основе анализа причинно следственных связей. В качестве основных факторов выделены устойчивость машины, внешнее силовое воздействие, технологические параметры, мощность энергоустановки. Формально задача определения развесовки ЭО для входного вектора Aэ = {q, PM, RM, NДВ} сводится к определению Gэ ={ Gi };

Xэ={ xi };

i = 1, 2, …, N, где Gэ – вектор масс элементов экскаватора;

Xэ – вектор линейных ко ординат центров масс Gi (табл. 1).

Таблица Модель развесовки одноковшового экскаватора № Компоненты Компоненты вектора Gэ Логическая модель вектора Xэ (масса элемента, агрегата) подсистемы ЭО GК 0,5 k 21C q x1 RM k11 RK m1: {C, q, k21} GK: G x2 k12 RM m2: {PM, RM, k22} GРО: G GРО k 22 PM / 3 RM/ 2 2 x3 k13 B GА k 23 N ДВ m3: { NДВ, k23} GА: G x4 k14 B m4: { PM, RM, k24} GДВ: G GДВ k 24 N ДВ 4 0, GПР k у M ОПР M у / L0 x x5 k15 B m5: { Gэ, Xэ, kу, kн, q, гр, Lo, B} GПР: G GПЛ 0,9 k 26 G GПР RХЧ x6 k16 B m6: {G, GПР, RХЧ, k26} GПЛ:

6 2/ 5/ G GТ k 27 GЭ x7 k17 B m7: {G, GПР,GПЛ, B, k27} GТ:

7 1, G G GРО GА GДВ GК m8: {GРО, GА, GДВ, GK } G:

8 Gi xi x8 G G8 m9: {GРО,GА,GДВ,GK, GТ, GПЛ, 18 Масса экскаватора GЭ Gi Gi xi x9 GПР} Gэ: G 9 G9 5 или GЭ G GТ GПЛ GПР m10: { Gэ, k10} B B k10 3 GЭ Примечание. C прочность разрабатываемого грунта;

q вместимость ковша;

PM, RM наибольшая сила и радиус копания;

NДВ мощность двигателя;

kу коэффициент устойчиво сти экскаватора;

kн коэффициент наполнения ковша (в момент потери устойчивости);

гр объемный вес грунта;

Lo, B поперечная и продольная базы ходового устройства;

RХЧ ради ус хвостовой части поворотной платформы;

GK, GРО, GA, GДВ, GПР, GПЛ, GТ, масса соответст венно ковша, рабочего оборудования, гидроагрегатов поворотной платформы, двигателя, про тивовеса, металлоконструкции платформы, ходовой тележки;

Gэ масса экскаватора;

kij ко эффициенты.

Коэффициенты kij модели получены на основе анализа статистических дан ных. Для определения масс элементов конструкции применена гипотеза об из менении массы равнопрочного бруса, подверженного действию изгибающего момента (модели m2, m6, m7), а условие устойчивости ЭО обеспечивается необхо димой массой противовеса (модель m5). В диссертации рассмотрены варианты развития модели. На основе графа модели развесовки ЭО (рис. 3) обеспечивает ся изменение степени ее разукрупнения и/или агрегирования (рис. 3, б).

f3 f GРО PМ, RМ, k k3, NДВ GА GА C, q, k1 k GПР k GК f5 f1 f GПЛ k GК f GПР m1U m q, Xэ, k5, k CC kн NДВ GК qq GПЛ k GТ B Gэ G GРО PМ PМ GДВ Gэ GДВ f10 f9 f4 f RМ RМ B NДВ а б Рис. 3. Ориентированный информационный граф модели развесовки экскаватора (а) и агрегированная модель определения развесовки рабочего оборудования экскаватора (б) На практике каждому типоразмеру экскаватора соответствует диапазон из менения радиуса RM и вместимости ковша q при условии: max (RM) min (q), min (RM) = Rmin max (q), где Rmin – наименьшее значение максимального ра диуса копания. Для сложившегося типоразмерного ряда экскаваторов с обору дованием обратная лопата характеристики массы сопоставлены с расчетными.

Ошибка определения массы машин 3–5 групп составляет до 3 % и для экскава тора 6-й размерной группы – 9 %. Элементарные модели m2 и m9 корректируют ся для каждого вида сменного оборудования ЭО.

Структурно-компоновочная модель ЭО дает возможность построения авто номных и взаимосвязанных модулей программного обеспечения в системах про ектирования;

варьирования размерности задач на основе процедур агрегирова ния и разукрупнения, отыскания компромиссных решений при распределении ресурсов, выделяемых на управление структурной динамикой (развесовкой) ма шины, обеспечения соответствия декларативной формы математической модели принципам представления знаний в системах проектирования.

Структурно-параметрический синтез рабочего оборудования (на примере обратной лопаты). Принято допущение, что все пространственные элементы рабочего оборудования можно представить как совокупность абсолютно твер дых тел, совершающих поступательное или вращательное движение в локаль ных или основной системе координат, связанной с осью вращения поворотной платформы и опорной поверхностью машины. Для кинематических и силовых расчетов на основе теории графов обеспечена автоматизированная «сборка» уравнений (рис. 4). Уравнения равновесия элементов рабочего оборудования:

aij X j Pix, aij Y j Piy, aij bij X j сij Y j M i, i 1,..., m;

j 1,.., n. (4) jI i jI i jI i Здесь aij элементы матрицы инциденций орграфа рассматриваемого гидроме ханизма;

Xj и Yj реакции в шарнирах гидромеханизма;

Ii множество шарни ров i-го тела;

Рiх, Рiy, Мi внешние нагрузки на i-м элементе;

bij и cij плечи сил Xj и Yj относительно шарниров j = i. Предусмотрены различные способы форми рования матрицы инциденций. Система линейных уравнений (4) сведена к мат ричной форме и обеспечивает решение задач на первых стадиях проектирова ния: стопорные нагрузки на РО, поиск расчетных положений и др.

Рис. 4. Описание структуры гидромеханизмов РО на основе ориентированного графа Геометрические и кинематические характеристики рабочего оборудования определены из уравнений, отвечающих условиям минимального времени расче та и инвариантности к структуре механизма:

q 0;

q = q1, q2,... ;

I L j li 0;

i 1,2... I ;

j 1,2,..., J ;

(5) i M J q M v 0, где q – вектор обобщенных координат механизма;

L j – функционал, определяющий условие замкнутости по j-му контуру с дугами li ;

M J – матрица Якоби;

q – вектор обобщенных скоростей;

M v – вектор, включающий производные по времени от ком понент вектора q ;

I, J – количество связей и количество контуров графа.

Задача оптимального структурно-параметрического синтеза рабочего обору дования разделяется на три подзадачи:

1) Разработка эффективного алгоритма оптимизации дополнительных эле ментов рабочего оборудования с учетом их взаимосвязей (параметрическая оп тимизация).

2) Разработка процедур структурного синтеза рабочего оборудования.

3) Разработка процедур, позволяющих сузить пространство поиска новых структурных схем и их параметрического описания.

Многоуровневая итерационная процедура ориентирована на минимизации нелинейной функции с 2k переменными (координатами вершин xqr ), yqr ) ).

(k (k В общей постановке задача построения оптимальной конструктивной схемы рабочего оборудования на плоскости заключается в следующем: заданы коорди наты базовых точек (шарниров) рабочего оборудования;

требуется дополнить схему дополнительными элементами и связями при условии минимизации функции (r – индекс итерации) K Q yr min p2k 1) R(2 q 1) r p2k 1) R2k 1) pqk ) Rqk ), ( k 1) ( ( ( ( ( (6) q 1 q qr k 1 q 1 где R(2 q 1) r, R2k 1) – длина дуг до дополнительного шарнира;

p2k 1), p2k 1), pqk ) ( k 1) ( ( ( ( q qr q – интенсивность изменения исследуемого параметра по заданной q-й дуге на k-м уровне, которой можно сопоставить физический или экономический смысл.

В зависимости от решаемой задачи параметру pqk ) Rqk ) придается также раз ( ( личный смысл: например, постоянная часть затрат на рассматриваемом уровне иерархии;

затраты на обход «запретных» зон (увеличение стоимости при услож нении конструкции близко расположенных или совмещенных шарниров и т.п.).

Этот параметр используется в качестве штрафной функции, что позволяет ис пользовать критериальную функцию без параметрических ограничений. Длина дуг до дополнительного шарнира вычисляется по координатам шарнира, кото рые определяются на основе кинематического расчета, 1/ R2k 1) ( x(2 q1) r x2k ) )2 ( y(2 q1) r y2k ) ) ( k 1) ( k 1) ( ( (.

qr qr qr Поставленная задача относится к классу многоэкстремальных. Сравнитель ный анализ методов оптимизации показал, что градиентные методы наиболее эффективны в поиске локального минимума, а генетический алгоритм определя ет глобальный минимум за приемлемое время. Определен механизм генерации проектных альтернатив с использованием операторов селекции и мутации.

Для случаев, если известно распределение во времени капитальных и экс плуатационных затрат, коэффициент pqk ) определяется по формуле ( F1 ( I qt ), pt ) (k F2 ( I qt ), pt ) (k Tc Tc pqk ) (, 1 en Tp Tc 1 en t 0 t где F1, F2 – функционалы, учитывающие зависимость капитальных и эксплуа тационных затрат от перечисленных факторов;

en – нормативный коэффициент приведения разновременных затрат;

I qt ) – величина расхода ресурса в t-м го (k ду, связанная с q-й вершиной на k-м ярусе иерархии;

T p – расчетный срок службы элемента оборудования;

Tc – срок создания машины.

Для случая, когда распределение затрат во времени не задано, коэффициент определяется по зависимости pqk ) F3 ( I qk ), p 0 ) En F4 ( I qk ), p 0 ).

pqk ) ( ( ( ( Поиск экстремума критериальной функции связан с многократным повторе нием процедур геометрического, кинематического и силового анализа рабочего оборудования. Поэтому к математическим моделям, используемым в этих про цедурах, предъявляются особые требования компактности представления, ско рости и устойчивости вычислительного процесса, инвариантности относительно структуры, а также учет факторов, относящихся к системам более высокого ие рархического уровня (например, силовые факторы РО связаны с устойчивостью экскаватора).

На первых стадиях проектирования наиболее важными характеристиками яв ляются перемещения и скорости элементов оборудования. Ускорения, опреде ляющие инерционные нагрузки в элементах, рассчитываются на последующих этапах, когда известны не только структура, но и масса элементов системы. По казано, что критерии типа (6) характеризуются достаточной чувствительностью для решения оптимизационных задач. Наибольшей чувствительностью отлича ются критерии, включающие такие «тонкие признаки» как, например, стабиль ность реализуемой силы копания в заданном диапазоне перемещения рабочего органа и т.п.

Задача поиска расчетных положений элементов рабочего оборудования фор мализована следующим образом: определить координаты элементов рабочего оборудования 1, 2 и 3 и положения нагрузки Pk относительно ковша, при ко торых в рассматриваемом элементе оборудования возникают максимальные на пряжения pr :

arg max pr Pk,i,, i i 1,2,3,4, (7) G где – множество неопределенностей, состоящее из четырех элементов:

1, 2, 3, 4. Элементы множества поставлены в соответствие с вероятно стью работы элементов оборудования в конкретных диапазонах изменения i.

При анализе расчетных положений учитываются ограничения силы Pk по устой чивости ЭО, по возможности протаскивания ЭО относительно опорной поверх ности грунта и настройке клапанов гидромеханизмов оборудования. Для этой цели разработаны соответствующие алгоритмы.

Детальное исследование напряженно-деформированного состояния металло конструкции машины при последующем развитии проекта ориентировано на ме тод конечных элементов (МКЭ). Поскольку для некоторых элементов рабочего оборудования необходимая мощность множества i, обеспечивающая решение задачи (7), достаточно велика (|G| 103), то использование МКЭ в этих задачах исключается в связи с катастрофическим ростом затрат машинного времени.

Поэтому предварительный поиск расчетных положений рекомендуется выпол нять по упрощенной методике (без учета реальной податливости элементов), а в ограниченной области изменения i выполнять расчет с использованием МКЭ.

Практическая реализация метода осуществлена в CAD/CAE-среде SolidWorks– visualNastran. Выявлено, что даже при существенном увеличении множества по ложений (|G | 105) степень обоснованности проекта не может быть равна единице, по скольку, во-первых, множество не может быть сужено до нуля, а, во-вторых, всегда можно выделить такие расчетные положения, где сила Pk не ограничивается перечисленными факторами. В связи с этим разработаны конструктивные реше ния (а.с. № 949091 и а.с. № 1313979), исключающие подобные (экстремальные) сочетания факторов.

Моделирование приводных систем и рабочей среды. Элементы приводных систем сменного рабочего оборудования ЭО рассматриваются в сосредоточен ных параметрах, что позволяет представить их в виде физически неоднородной цепи и применить в расчетах развитый аппарат моделирования на основе экви валентных схем и соответствующие прикладные программы, обеспечивая реали зацию типовых проектных процедур (статика, временной анализ, модели чувст вительности, оптимизация и др.).

Математические модели конструктивно-функциональных узлов машины (об ратная лопата, бурильное оборудование, гидропневматический молот), а также моделей рабочих сред представлены как многополюсники (рис. 5–7) и хранятся в библиотеке среды проектирования. Параметры модели прочного грунта (коэф фициенты системы дифференциальных уравнений и соответственно схемная мо дель) получены решением задачи идентификации по экспериментальным данным КФ ВНИИстройдормаш. Схемное представление моделей обеспечивает нагляд ность, изменение уровня детализации, иерархичность представления, гибкость модификации.

Модели процесса копания грунта. Копание грунта по траектории большой кривизны по следующим признакам (рис. 8): глубина и угол резания зависят от положения ковша;

пространственность картины разрушения грунта изменяется в связи с изменением соотношения глубины и ширины резания;

расчетная схема резания грунта трансформируется на этапе выглубления режущей кромки ковша (вырезание грунтового сегмента в условиях действия пригрузки P(x) от грунта, находящегося в ковше). Известные расчетные схемы и математические модели не учитывают указанные особенности.

Для определения касательной силы резания грунта в любой точке траектории используются аналитические зависимости Зеленина–Горовица–Живейнова, ко торые для предложенной расчетной схемы сведены к выражению:

P C0 cos DRla1 gDR 2la2 R 2 D(b3 a3 b4 a4 ) gDRk0la5 вдlш Ra6. (8) Здесь первое слагаемое определяет работу, затрачиваемую режущим пери метром на преодоление сил связности грунта (поверхностных сил), второе – ра боту объемных сил (сил веса грунта в зоне разрушения), третье – работу, харак теризующую пространственность процесса разрушения грунта перед горизон тальным профилем, четвертое – работу объемных сил от пригрузки в зоне реза ния и последнее – работу вертикальных профилей (боковых стенок ковша).

Рис. 5. Схемная модель гидропривода бурильного оборудования Рис. 6.7 Схемная модель гидроприво Рис. Схемная модель гидропневма тического молота (а) и зависимость силы да бурильного оборудования инерции бойка от приведенной жесткости элементов привода (1-4) Рис. 7. Моделирование процесса ударно го разрушения грунта:

а - схема замещения модели грунта;

б - интенсивность внедрения инструмента;

в - к исследованию реологической модели мерзлого грунта;

П – перемещение инструмента;

П З – перемещение упруговязкопластичной зоны грунта а б Рис. 8. Расчетная схема для определения усилия резания при движении режущей кромки по траектории большой кривизны: а – начальный этап;

б – конечный этап резания В более компактном виде с использованием индексированных переменных P ai bi ci, где ai= f(0, ), bi = f( C0,,D) и ci= f(R, l) – элементы слагаемых в i формуле (8), учитывающие кинематические характеристики процесса резания, параметры грунта ( C0 – сцепление грунта, – угол внутреннего трения грунта, вд – сопротивление вдавливанию;

D – функция параметров 0, ) и параметры ковша.

Сопротивление наполнению (рис. 9) представ лено как сумма сил трения и липкости о боковые стенки T7 +T8 и силы липкости о днище ковша T9 в соответствие с выражением r2 T 2 ( Pл ) cos 0 rdrd cos 0 RlPл d, r1 0 где – коэффициент внешнего трения грунта;

– нормальное давление грунта на боковую стенку Рис. 9. Схема к определению сопротивлений наполнению ковша;

Pл – удельная липкость грунта.

Касательная к траектории сила копания PК P T. Работа копания для лю бого участка траектории определяются как 2 9 AК PК Rd или AК R aiI bi ci, а сила копания PК ai bi ci. (9) i 1 i Векторное представление силы и работы копания дает лучшие возможности построения вычислительных алгоритмов. Анализ механики процесса копания и расчеты на основе (9) позволили выявить наиболее энергоемкий участок траек тории копания, обосновать рациональную по энергоемкости копания технологи ческую схему разработки грунта ковшом обратной лопаты, исключающей наи более энергоемкий участок траектории при заглублении ковша в грунт.

В четвертой главе разработана концепция автоматизированной технологии и среды проектирования ЭО. В состав среды проектирования включены модели физических процессов, модели эвристических процедур (базы знаний), элек тронный макет ЭО, макромодели функционирования и эффективности ЭО с де тализированным перечнем требований к комплексированию перечисленных компонент (рис. 10).

Математические модели физических процессов представлены в среду проек тирования в форме (3). Мощность n множества M = {M1, M2, …, Mn} моделей физических процессов, исследуемых при проектировании ЭО, определяется диа граммой сочетаний дестабилизирующих факторов и j-м уровнем иерархии в со ответствие с ИЛМ проектирования. В среде проектирования каждый физический процесс или проектная процедура выделены в отдельную подсистему, определе ны связи между подсистемами, что позволяет исследовать составную единую модель или ее часть как систему. Компоненты среды проектирования, разраба тываемые в диссертации, выделены пунктиром на рис. 10.

Среда проектирования ЭО позволяет реализовать полный цикл проектных исследований, отражаемый в информационном проектном пространстве. В зави симости от комплекса внешних воздействий, типоразмера ЭО, вида сменного оборудования и уровня разукрупнения у разработчика имеется возможность из менять число связей между подмоделями и исследовать наиболее важные эф фекты, проявляющиеся при совместном протекании в ЭО физических процес сов.

Подмодель механи- Подмодель рабочих Информационное ческих процессов процессов проектное прост ранство и модель для работы с ним Подмодель деградацион Подмодель гидравли ных процессов, эргономи ческих процессов ки, надежности, конкурен тоспособности Подмодель тепло вых, электрических Подмодель структурно- Подмодель оценок и аэродинамических компоновочных решений эффективности процессов Рис. 10. Основные компоненты (физических процессов) среды проектирования ЭО В процессе исследований характеристик ЭО в среде проектирования необхо димо импортировать и экспортировать определенный объем информации. Для достижения данной цели предложено использовать электронный макет (ЭМ) – это единое пространство параметров, отражающих структуру, схемотехниче скую и/или конструкторско-технологическую реализацию отдельных частей или ЭО в целом, полученную на основе комплексных исследований характеристик ЭО средствами математического моделирования в рамках информационного взаимодействия разработчиков на любом этапе жизненного цикла ЭО с исполь зованием ИПИ-идеологии (рис. 11).

Единое пространство параметров отражается в ЭМ в виде результатов моде лирования, а также схем, эскизов, чертежей, геометрических (виртуальных) мо делей. Полученная модель перемещается по различным этапам ЖЦ ЭО путем ее конвертации в стандарт STEP для информационного взаимодействия разработ чиков в рамках сетевых технологий (электронных сетевых предприятий или распределенных КБ).

Модель ЭМ ЭО конфигурирования структуры ЭМ ЭО проектирования и технологический Среда проектирова ния ЭО (модели фи Системы автоматизированного зических процессов) (CAD-CAM-CAE-системы) подготовки производства Интегрированная база данных и модель для работы с ней БД Комплект КД и ТД, геометрические модели кон струкций. Электронные технические руководства AP Конвертация ЭМ ЭО в рамках стандарта ГОСТ Р 10303 (STEP) в прикладных протоколах AP-203, AP- Рис. 11. Основные компоненты, обеспечивающие формирование электронного макета одноковшового экскаватора (ЭМ ЭО) Сформулирован ряд требований, необходимый для решения задач проекти рования ЭО в рамках создаваемой методологии. Требования определяют взаим ную согласованность алгоритмических, математических, методических и ин формационных обеспечений.

При синтезе технических решений и подмоделей механических, гидравли ческих и др. процессов наиболее жесткими являются следующие требования:

необходимо учитывать особенности конструкторско-технологических реше ний, используемых разработчиками ЭО;

в процессе синтеза моделей метод должен использовать ранее разработанные модели и в максимально гибкой форме подключать новые классы моделей с целью реализации процедур поис кового проектирования ЭО. Для обеспечения этих требований метод моделиро вания должен оперировать с моделями различных классов. В соответствии со схемой (рис. 12) метод математического моделирования для комплексного ис следования характеристик ЭО ориентируется на автоматизацию двух наиболее сложных, с точки зрения формализации, эвристических процедур, а именно:

формализацию конструкции с точки зрения исследуемого процесса (выделение в геометрической модели электронного макета множеств известных и неиз вестных конструкторско-технологических решений, определяющих специфику протекания исследуемого процесса);

формализацию ряда моделей физических процессов для выделенных множеств конструкторско-технологических решений (определение множества моделей 1–3-го классов, степени их детализации, а также правила их объединения в общую композицию).

Рис. 12. Схема метода моделирования характеристик конструкции и приводных систем ЭО в компьютерной среде проектирования: БЗ (М) – база знаний по синтезу математических моделей из набора моделей 1-го и 2-го классов;

БЗ (КД) – база знаний по распознаванию кон структорских решений;

файл ТР – файл с техническими решениями (агрегаты, элементы), мо делями и процедурами;

ФИ – файл интерпретации (распознавание, визуализация, интерпрета ция, управляющая информация) Процесс синтеза математической модели физического процесса (механиче ского, гидравлического и т. д) представлен параметрической схемой синтеза:

, Fijk ij Z n, Fijk U k, i 1,I ;

j 1,J ;

k 1,K где ij – концепция ЭО при использовании i-й модели конструкции j-го физиче ского процесса;

Fijk – правило синтеза i-й модели конструкции ЭО j-го физиче ского процесса;

Z n – n-я база знаний, определяющая правила синтеза;

Fijk U k – множества моделей 1-го и 2-го классов проектируемых k-х узлов (элементов) j го физического процесса.

Процесс экспертного анализа вышеописанных процедур выполняется в рам ках метода средствами экспертной системы, использующей базы знаний Z1 d и Z 2 k, состоящие из конечного множества продукций P (правил) и конечных множеств фактов fim. Продукции i в базах знаний являются неза висимыми и устанавливаются для любого множества фактов fim. Факты, в свою очередь, могут являться взаимосвязанными, создавать единое знание из не скольких фактов ( P : fi1 fi 2... fid F ), что позволяет трансформировать i простые знания в более сложные (метазнания). Таким образом обеспечено акку мулирование фактов, конструкторских прецедентов и проектов, что актуально для проектных организаций, столкнувшихся со сменой поколений или накопив ших множество конструкторских решений, не отраженных в литературе. При обращении к экспертной системе разработчик получает выбранный из базы зна ний запрос в формате si fi1 fi 2... fim. В результате ответа на запрос экспертная система, применяя продукцию, получает новый факт и снова выдает запрос и т. д. Экспертная система осуществляет логический вывод, оперируя ха рактерными признаками определенного конструктивного узла, конструктивного элемента или конструкции в целом. Такие признаки хранятся в справочном фай ле и описываются так же, как и модели при помощи множества пар «объект = значение».

Необходимым атрибутом среды проектирования является диалог, в процессе которого от ЛПР требуется получение дополнительной информации в виде весо вых коэффициентов, условий предпочтения и т. д. Предпочтительными для ЛПР операциями являются: упорядочение критериев по важности;

выделение части критериев, значение которых неудовлетворительно в наибольшей степени. Ком промисс между своими потребностями ЛПР осознает в результате реализации проектной процедуры и представляет собой адаптацию ЛПР к задаче. Разрабо танные среда проектирования, компоненты для формирования электронного ма кета ЭО и требования к комплексированию моделей и методов отражают основные составляющие методологии проектирования ЭО в компьютерной среде (рис. 13).

Принципиальное отличие возможностей методологии от известных состоит в том, что математические модели строятся на основе обобщенных подходов к фи зически неоднородным процессам в приводных системах и рабочих процессах и ориентированы на широкую номенклатуру схемно-конструкторских реализаций рабочего оборудования ЭО.

В пятой главе представлены методика, оборудование и результаты эксперимен тальных исследований1 процесса копания грунта по траектории большой кривизны и определению рациональных технологических схем копания ковшом обратной ло паты. Исследования выполнены на стенде и на экскаваторах с установленными на них экспериментальными и серийными ковшами (q = 0,4 м3 и q = 0,5 м3). Опыты проводились на трех типах грунтов: уплотненном песке, суглинке (C = 4–5) и глине (C = 5–6) естественного залегания. Режущая часть ковша выполнена в виде пери метра, закрепленного при помощи шарнира и тензотяг для измерения силы резания.

Сила копания фиксировалась по тензоосям в шарнирах ковша.

Экспериментальные исследования выполнены совместно с МАДИ и НПО ВНИИстройдормаш Выделение основных ТЗ Эвристический синтез взаимодействующих на разработку конструкции РО ЭО факторов РО ЭО (концептуальные решения i) Синтез моделей физиче Методика Методика ски неоднородных про Методика идентифи- иденти- цессов на разных уров оценки струк кации ра- фикации нях конструктивной ие турно- бочих парамет рархии РО ЭО компоновоч- ров и эф процессов ных решений фектив ности ЭО Модели эвристических процедур. Базы данных.

...

Базы знаний Комплексное исследование Электронный макет ЭО характеристик ЭО ЭОЭО Метод Метод Методика оценки эффективно-...

параметрического структурного сти ЭО с учетом вероятностных синтеза синтеза факторов эксплуатации Методики и типовые процедуры расчета и проектирования Схемотехниче- Конструиро- Расчет проч- Прогнозирование ское проекти- вание (в т.ч. ности и долго- надежности ЭО, рование приво- вечности эле построение вир- работающих при ком дов, конструк- туальных моде- плексе внешних и ментов обору ций и оборудо- лей, прототипи- внутренних дестабили дования вания зирующих факторов рование) Статика и динамика (анализ временных характеристик);

анализ наихудшего … случая;

частотный и спектральный анализ;

анализ чувствительности;

пара метрическая оптимизация;

оптимизация допусков Метод управления данными Построение множества недоминируемых решений, оптимальных по Парето (yП) Исследование области Парето и ее сужение Проект ЭО с наилучшими показателями технического уровня Электронный макет ЭО в формате стандарта ГОСТ Р 10303 (STEP) Рис. 13. Методология проектирования одноковшовых экскаваторов, базирую щаяся на основных принципах ИПИ-идеологии и комплексном математическом мо делировании структурно-компоновочных решений, физических процессов и технико экономической оценки параметров Установлено, что форма грунтового тела, поступающего в ковш, не соответству ет известным геометрическим представлениям о пластах грунтах при послойной их разработке и представляет собой частично разрушенный грунтовый сегмент.

Сопоставление расчетных и экспериментальных зависимостей сопротивле ния наполнению показывает, что с учетом фактической площади контакта грун та с элементами ковша расчетные величины отличаются от опытных не более чем на 15 %. Известные формулы обеспечивают аналогичную точность только для несвязных грунтов, а для связных грунтов (в частности для С 5) ошибка расчетов по ранее предложенным формулам составляет более 100 %.

Сравнение расчетных значений силы и энергоемкости копания по формулам (8) показало удовлетворительное соответствие экспериментальным данным.

Наибольшая ошибка (19 %) получена для условий разработки грунта экскавато ром в полевых условиях.

Технологическая схема разработки грунта поворотом ковша (схема 1), в ко торой каждый последующий рез в за бое выполнялся выше предыдущего, обеспечивает наименьшую энергоем кость процесса и ее следует считать рациональной независимо от конст руктивных особенностей рабочего ор гана и жесткости подвески ковша.

При наличии колебаний у центра подвески ковша нормальная к траек тории сила копания может принимать отрицательные значение (рис. 14). При Рис. 14. Соотношение нормальной и каса этом увеличивается энергоемкость ко тельной к траектории сил копания: max – пания за счет дополнительных сопро наибольшее смещение подвески ковша ( x2 );

тивлений от трения грунта по внешней – текущий угол поворота ковша ( x1 ) части днища ковша. Уравнение рег рессии в безразмерных координатах 0,337 0,039 x1 0,342 x2 0,36 x12 0,048x2 0,33x1 x2, (9) определяет для серийных машин расчетный диапазон 0,3 0,45, что соот ветствует x2 = –0,33(–0,6) в формуле (9). При расчете силового потенциала ЭО значения необходимо определять для каждого значения угла.

На основе аналитических и экспериментальных исследования получена фор мула минимальной ширины ковша обратной лопаты из условия гравитационной выгрузки грунта a7 K 7 R 2 K a8 K 8 RPл Bк min 2, k 0 K н Rg a9 K 9 Pл где a7, a8, a9 и др. соответствуют обозначениям в формулах (8);

k0 – параметр, характеризующий боковую площадь грунтового сегмента.

Выявленные в процессе исследований рабочего процесса закономерности явились основой повышения эффективности экскаваторных ковшей (а.с. 751912, а.с. 825781, а.с. 941477, а.с. 1021722, а.с. 1105561, а.с. 1313957).

В шестой главе обоснована технологическая схема проектирования, реали зующая предложенную методологию проектирования ЭО. Она представлена в виде общей (ОЗП) и частных (ЧЗП) задач проектирования. Соподчиненность в последовательности выполнения проекта П определяется следующей цепочкой:

проектная операция проектная процедура ЧЗП П. Здесь стрелка обозна чает отношение «принадлежит к».

Технологическая схема проектирования. Проект П отражает результаты вы полнения процедур на определенной стадии проектирования, он включает све дения из ЧЗП. Формирование ЧЗП для заданного входного вектора q осуществ ляется на основе методики Q M. При заданном q методика Q M позволяет полу чить различные варианты ЧЗП при заданных критериях, ограничениях, неуправ ляемых параметрах, а также выбранного метода оптимизации. Входной вектор q = (х, Х0, Z0) должен быть задан таким образом, чтобы существовала необходи мая для его разрешения методика Q M. Решение ЧЗП является основой создания очередного вектора qi 1 с помощью операции Q q, причем такого q, для которо го существует методика Q M.

Линейная последовательность проектных операций представлена в виде тех нологической схемы процесса проектирования, которая включает как методоло гические вопросы проектирования, так и методики решения ЧЗП. Последова тельность действий, задаваемых технологической схемой, определяется исход ной информацией к проекту (х, Х0, Z0), а также циклом проектирования, вклю чающем распознавание ситуации Q P, методику Q q, методику решения ЧЗП Q M. Цикл завершается разработкой подпроекта на уровне ЧЗП, часть которого помещается в общий проект П.

Реализация этой последовательности подразумевает: построение многоуров невого графа, вершины которого отражают проектные операции по агрегатам ЭО, а дуги – по информационным потокам и последовательности развития ОЗП по времени, формулирование ЧЗП, в том числе условия компромисса для их со гласования (нисходящее проектирование), решение поставленных ЧЗП (восхо дящее проектирование).

При разработке технологической схемы решены вопросы координации в ка ждом из процессов, вопросы неопределенности принятия решений. Разреши мость указанных вопросов возможна, во многих случаях, лишь с участием ЛПР и использованием экспертных процедур (рис. 12). Ниже приведены методики решения ЧЗП ЭО различного системного уровня.

Оценка силового потенциала ЭО. Под силовым потенциалом экскаватора оп ределена средняя реализуемая сила копания на режущей кромке ковша во всем рабочем диапазоне перемещения ковша в пределах забоя. Для машины с задан ными параметрами (конструктивно-кинематической схемой рабочего оборудо вания и мощностью силовой установки) силовой потенциал ограничен устойчи востью экскаватора относительно ребер опрокидывания, настройкой клапанов реактивного давления запертых гидроцилиндров, а также сдвигом экскаватора относительно опорной поверхности. Численное значение силового потенциала экскаватора определяется по формуле:

1 N P Pki, где Pki наибольшая сила копа N i ния, реализуемая в i-м положении рабочего оборудования, с учетом действующих ограни чений;

N число сочетаний положений силы Pki с положениями стрелы, рукояти и ковша. Сило вой потенциал характеризует копающую спо собность ЭО. Из данных рис. 15 следует, что копающая способность экскаватора уменьшает Рис. 15. Зависимость относитель- ся до 60 % в вариантах увеличения технологи ной величины силового потенциа- ческих параметров рабочего оборудования об ла экскаватора 3-й размерной ратная лопата. Оценка силового потенциала P группы от глубины копания при использована для определения эффективности удлинении стрелы (1 и 2) или ру разработки грунта с прочностной характери кояти (3 и 4) стикой Сi ковшом qj. Таким образом, при оцен ке эффективности процесса копания грунта различной прочности учитывается реальная (а не заявленная в проекте или проспекте) копающая способность экс каватора с заданными конструктивно-кинематическими характеристиками рабо чего оборудования.

Производительность ЭО. Каждому j-му ковшу различной вместимости соот ветствует j-й вариант конструктивно-технологических параметров рабочего обо рудования, в котором максимальная глубина копания Hкj определена при кон кретных соотношениях длины стрелы и рукояти. Для выполнения объемов зем ляных работ до глубины Нкj необходимо разработать грунт на всех глубинах от нуля до Нкj. Сменная эксплуатационная производительность ЭО учитывает объ ем работ, выполненный каждым ковшом qj, F (0, H кj ) J I J k П K вTсм k в П (С, q, H ) Pi k j ;

k j ;

j 1, 2,..., J ;

1, j I F (0, H кj ) i j j j 1 i 1 j j где ПС q H – часовая техническая производительность ЭО, оснащенного ком i, j, j плектом сменных ковшей, при разработке грунта с прочностной характеристи кой Ci j-м сменным ковшом;

Pi – вероятность появления в эксплуатационном фоне экскаватора грунта с прочностной характеристикой Ci (по данным Зелени на-Недорезова);

kв – коэффициент использования машины по времени, учиты вающий потери времени на переоборудование экскаватора;

Tсм – продолжитель ность смены;

k j – относительный объем работ по глубине выемки, выполняе мых j-м ковшом, который пропорционален значению интегральной функции F(Н кj ) распределения объемов работ по глубине выемки. С учетом силового по тенциала разработаны рекомендации по комплекту сменных ковшей обратной лопаты.

Для непрерывного ряда изменения массы ЭО получена диаграмма изменения эффективности при следующих допущениях: принадлежность к рассматривае мому типоразмеру экскаватора определяется по массе машины с возможным от клонением от номинала до 12 %;

глубина и радиус копания определяются для номинального (расчетного) значения массы ЭО;

в пределах отклонения от но минала массы ЭО сохраняется конструктивно-геометрическое подобие вариан тов РО;

экскаватор оборудован одним (основным) ковшом. Интервальные оцен ки производительности ЭО характеризуются следующими основными особенно стями: общий рост производительности согласуется с увеличением типоразмера ЭО по зависимости, близкой к линейной;

с увеличением массы ЭО производи тельность уменьшается (при C = 10) для машин больших типоразмеров более интенсивно (вследствие более интенсивного увеличения энергозатрат на пово рот платформы), а для C = 40 увеличение массы машин 3–4 типоразмерных групп дает увеличение производительности вследствие увеличивающегося си лового потенциала, но для 5-6 групп ЭО увеличение энергозатрат на поворот становится снова превалиру-ющим фактором.

Полученные закономер ности изменения произво дительности следует учитывать при формировании многокри териальных оценок, когда ЛПР выполняет уступку по крите риям «производи-тельность» или «масса машины». Напри мер, для ЭО 5–6-х типоразмер ных групп критерии П max или Gэ min непротиворечивы для условий разработки грунта любой прочности (рис. 16).

Выполненные расчеты про Рис. 16. Интервальные оценки изменения про изводительности экскаватора от массы (типоразме- изводительности для C = ра) ЭО для различной прочности разрабатываемого (наиболее вероятный по проч грунта: 3, 4, 5, 6 – номер типоразмерной группы ЭО;

ности грунт в условиях экс С – прочность разрабатываемого грунта (по числу плуатации) и C = 30 (предель ударов плотномера ДорНИИ) ная прочность грунта для ЭО) показали возможности прогнозирования производительности ЭО на стадии про ектирования на основе методов математического моделирования, включающих оценки интегральных показателей: структурно-компоновочные решения, сило вой потенциал, особенности конструктивно-технологических параметров рабо чего оборудования, а также наличие сменных ковшей, вероятностные характе ристики прочности разрабатываемых грунтов и глубины выемок. Линейный рост производительности ЭО обеспечивается при нелинейном росте мощности двигателя и наибольшего радиуса копания.

Оптимизация стрелоподъемного гидромеханизма. Основной целью проекти рования стрелоподъемного гидромеханизма следует считать минимизацию уси лия на штоке гидроцилиндра при условии выполнения кинематических требова ний ТЗ. Для заданного грузового момента от веса рабочего оборудования G не обходимо определить координаты нижнего и верхнего шарниров гидроцилинд min c max;

ра, если амплитудные значения перемещений:

0 x xmax;

min c max c ;

c c. Здесь x – ход штока гидроци линдра. Проектными параметрами механизма являются величины a, c и. На грузка Rc на шток гидроцилиндра и скорость поворота стрелы зависят от поло жения стрелы: Rc f1 x, M ;

f 2 x, V, где f1. и f 2. – нелинейные функции.

X a, b Для вектора проектных параметров определить X arg min max Rc a, b при ограничениях на ход штока.

Полученный вариант модели позволяет выполнить не только статический, но и динамический расчет. Нелинейные функции f1. и f 2. помещены в систем ную библиотеку. Задача решалась на основе комбинаций метода случайного по иска с уменьшением интервала поиска и равномерным распределением пробных точек, а также метода переменного порядка. Для ЭО третьей группы определен вектор оптимальных параметров X a 0,8;

b 2 при min maxRc 165,68 кН.

Использование метода переменного порядка оказалось излишним, так как не привело к уточнению решения, полученного на первом этапе оптимизации. Вме сте с тем именно сочетание математических моделей и методов оптимизации да ет возможность модификации критериальных функций и ограничений в иной постановке задачи.

Оптимизация параметров гидромолота. Модель в виде системы алгебро дифференциальных уравнений формируется в автоматизированном режиме на основе схемы замещения. Для вектора проектных параметров X S, F0,, M З, hЛ, hП рассмотрены две критериальные функции:

X1 arg max F S, F0,, M З, hЛ, hП, X 2 arg max E S, F0,, M З, hЛ, hП, где F – сила удара;

E – энергия удара (определяется кинетической энергией бойка в начальный момент удара);

S – площадь сервоцилиндра переключения золотника;

F0 – предварительный натяг пружины;

– жесткость пружины;

M З – масса золотника;

hЛ, hП – начальное открытие соответственно левой и правой дросселирующей кромки.

Первый вариант оптимизации дает наибольшее значение критериальной функции F = 4348 кН. При этом кинетическая энергия в момент удара равна E = 709,7 Дж. Второй вариант оптимизации обеспечивает большую энергию удара E = 815,4 Дж при значительно меньшей силе удара F = 1807 кН. Приори тет критериальной функции в виде кинетической энергии удара E обычно счи тают наивысшим.

Эффективность использования ЭО. Эффект и прибыль от ЭО в сфере экс плуатации представлены в виде модели максимизации объема работ (10) и при были (11) на основе производственной функции (ПФ) с учетом ограничений по бюджету фирмы B: max y( L, K ), CL L CK K B;

(10) (C CM ) y( L, K ) CL L C0, max PR( L, K ) max (11) y где Cy – цена реализации продукции;

y – объем работ;

С – полные издержки за заданный период;

C0 – плата за основные фонды (амортизационные отчисления за собственную технику или плата за аренду техники);

y(L,K) – ПФ в виде y d 0 Ld1 K d 2 ;

L годовая зарплата;

K стоимость машин.

Для строительной фирмы, специализирующейся на производстве земляных работ показано, что: увеличение объемов работ ymax ограничено по основным средствам и персоналу фирмы;

оптимальный по критерию прибыли PR объем работ оказался меньшим по сравнению с максимальным ymax при соответствую щем бюджете B;

увеличение бюджета фирмы дает прирост прибыли только в ог раниченном диапазоне изменения бюджета;

если при максимизации y(L,K) всту пили в силу ограничения по величинам L и K, то при максимизации прибыли имеет место ограничение только по верхнему пределу K, а величина Lопт ограни чилась экономическими факторами. Постановка задачи отражает общие черты производственных систем, что позволяет рекомендовать использование подоб ных метамоделей для разработки ТЗ на проектирование ЭО и их сменного обо рудования, т.е. на уровне принятия концептуальных решений.

В седьмой главе представлена программная реализация составных частей среды проектирования ЭО на основе созданных в работе математических и вир туальных моделей, используемых для подготовки электронного макета ЭО. Ос новой функционирования среды являются ИЛМ и технологическая схема проек тирования ЭО, обеспечивающие реализацию основных методических положе ний созданной методологии. Реализация методологии проектирования ЭО на практике осуществляется за счет стандартной функциональности CAD/CAM систем, частично достигается организационными мерами и, в определенной ме ре, обеспечивается средствами настройки программных продуктов (проектных модулей) среды проектирования, позволяющими поддерживать необходимые функции и методологические решения в целом.

Основным программным модулем на первых стадиях проектирования ЭО яв ляется модуль расчета развесовки экскаватора. Модуль выполнен в двух вариан тах, обеспечивающих два режима использования: автономное функционирова ние (программа в пакете Mathcad);

работа в составе среды проектирования (про грамма написана на m-языке пакета Matlab). Авторские права на программу за щищены (Свидетельство о регистрации № 8931 от 20.08.2007 г.).

Для задач моделирования нагрузок в элементах рабочего оборудования ЭО разработана программа MC (язык С++, свидетельство ГОСФАП, 2007г.). Ре зультаты работы программы MC используются для оценки силового потенциала ЭО и напряженного состояния элементов рабочего оборудования. В основу оп ределения напряжения положены упрощенные зависимости. Реальная податли вость металлоконструкции здесь не учитывается. Это допущение дает возмож ность выполнить сравнительный анализ расширенного множества расчетных положений элементов рабочего оборудования (104–106 положений элементов).

Сравнительный анализ напряжений выполняется в проектном модуле NAGR.

Детальное исследование напряженно-деформированного состояния металло конструкции машины оценивается на основе метода конечных элементов. Для работы в среде проектирования используется виртуальная (3D-модель) модель ЭО, выполненная в среде Solid Works-visualNastran. Важными признаками раз работанного методического и программного обеспечения расчетов рабочего оборудования является: работа со «сборками» рабочего оборудования, что ха рактерно для САПР высокого уровня;

виртуальная модель экскаватора и пакеты автоматизированного анализа взаимодействуют с основными компонентами, участвующими в формировании электронного макета ЭО.

Оценка производительности ЭО выполняется на основе программы PROIZV.

Программа включает оценку энергетических затрат на копание грунта с учетом его прочности и возможностей реализации силового потенциала при заданных кинематических параметрах рабочего оборудования и вместимости ковша.

Анализ технико-экономической эффективности внедрения методологии про ектирования РО ЭО в ОМЗ ГОиТ «Уралмаш-Ижора» показал на примере реали зации инвестиционного проекта улучшение показателей по всем элементам ЖЦ, время и стоимость проектирования сокращены на 70 % и могут быть далее су щественно улучшены на организационном уровне.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В диссертационной работе теоретически обоснована и решена крупная науч но-техническая проблема развития методологии и вошедших в нее моделей, ме тодов, программных средств и методик для проектирования РО ЭО, базирую щихся на основных принципах ИПИ-технологии и комплексном исследовании характеристик ЭО средствами математического моделирования. Основные на учные и практические результаты, полученные в рамках указанной проблемы, состоят в следующем:

1. Рассмотрен и проанализирован системный подход к обоснованию требо ваний к технологическим машинам многоцелевого назначения как объектам технического проектирования. Определены аспекты и этапы проектирования машины как сложной технической системы и требования к модели выбора наи лучшей структуры и параметров. Показано, что структура и параметры ма шины определяются набором ее математических моделей.

2. Обоснована информационно-логическая модель проектирования одно ковшового экскаватора как машины многоцелевого назначения, рассматриваю щая процесс проектирования как элемент жизненного цикла машины, ориенти рованная на деятельность разработчиков в интегрированной информационной среде и реализующая принципы работы с виртуальной моделью машины, под держивающая коллективную разработку на основе сетевых технологий и дейст вующих стандартов в области информационных технологий.

3. Композицией нелинейных алгебраических уравнений представлена мо дель структурно-компоновочного проектирования одноковшового экскаватора, как представителя класса технологических машин многоцелевого назначения. В качестве основных факторов модели выделены устойчивость машины, внешнее силовое воздействие, технологические параметры, мощность энергоустановки.

Разработанная модель позволяет: построить модульную структуру модели развесовки экскаватора;

варьировать размерность задач на основе процедур аг регирования и разукрупнения;

проводить согласование и взаимную интерпрета цию результатов, полученных на различных моделях;

осознанно находить ком промиссные решения при распределении ресурсов, выделяемых на управление структурной динамикой машины;

осуществлять одновременно синтез функцио нальной и конструктивной структуры экскаватора в рамках одного формального описания;

обеспечить соответствие декларативной формы математической мо дели принципам представления знаний в системах проектирования.

Для сложившегося типоразмерного ряда отечественных экскаваторов ошиб ка определения массы машин 3–5 групп составляет до 3 % и для экскаватора 6-й размерной группы – 9 %.

4. На основе совокупности основополагающих принципов композицион ного проектирования сложных технических систем разработан метод струк турно-параметрического синтеза РО ЭО, определен механизм генерации про ектных альтернатив с использованием операторов селекции и мутации.

5. Разработан и исследован набор математических (схемных) моделей при водных систем и конструкций сменного рабочего оборудования экскаваторов (обратная лопата, бурильное оборудование, гидропневматический молот), а так же моделей рабочих сред, ориентированных на автоматизацию проектных про цедур. Показана возможность использования моделей в составе задач оптималь ного проектирования. Модели обеспечивают: наглядность и иерархичность представления, изменение уровня детализации, гибкость модификации.

6. Разработаны расчетная схема и аналитическая модель для определения силы и энергоемкости процесса копания грунта по траектории большой кривиз ны (процесса, характерного для копания грунта поворотным движением ковша экскаватора). Расчетная схема специфична по следующим признакам: глубина и угол резания зависят от положения ковша;

пространственность картины разруше ния грунта изменяется в связи с изменением соотношения глубины и ширины ре зания;

расчетная схема резания грунта трансформируется на этапе выглубления режущей кромки ковша. Математическая модель представлена в матричной форме, наиболее приспособленной для реализации вычислительных алгоритмов.

Оценка ошибки составляет: 14 % – по силе резания для наибольшей глубины копания;

16 % – усредненная по всей траектории;

23 % – максимальная по всем участкам траектории.

7. Выявлены закономерности изменения силовых и энергетических показа телей процесса копания грунта при различных траекторных перемещениях ра бочего органа, соотношения нормальной и касательной к траектории сил копа ния, представленные соответствующими уравнениями регрессии, а также наи более эффективная технологическая схема разработки грунта, обеспечивающая повышение производительности ЭО за счет уменьшения энергоемкости копания и улучшения наполнения ковша.

8. Разработан метод оценки эффективности ЭО с учетом вероятностных фак торов эксплуатации (распределения объемов работ по глубине выемки и вероят ности появления в условиях эксплуатации грунта с заданной трудностью разра ботки), включающий оценку реальной копающей способности экскаватора (си лового потенциала). С учетом изменения энергозатрат по элементам цикла и взаимосвязи параметров РО для грунтового фона по данным Зеленина Недорезова показаны варианты выбора рационального комплекта сменных ков шей.