Интеллектуальная система автоматического выбора режимов работы фронтального погрузчика в зависимости от характеристик материала

Abstract

Настройка силового контура фронтального погрузчика на площадке с несколькими штабелями остаётся ручной, из-за чего одна и та же машина работает на песке и на разборно-скальном грунте с одинаковыми уставками подачи и тяги. Действующие стандарты описывают результат черпания геометрически: вместимость ковша рассчитывается по ГОСТ 29290-92 через плотную часть и материал над кромками при откосе 2:1, номинальная грузоподъёмность определяется по ГОСТ ISO 14397-1-2015, а коэффициент наполнения ковша не нормирован ни одним из них. Цель работы состояла в построении и расчёте модели системы, опознающей класс материала по силовым и кинематическим сигналам начальной фазы внедрения и назначающей режим работы силового контура без участия оператора. Расчёт выполнен на авторской модели процесса черпания для модельного погрузчика класса 5 т с ковшом вместимостью 3,0 м³; численный эксперимент охватил серию из 1 240 циклов. Материалы сведены в пять классов по значению авторского индекса трудности черпания от 1,00 до 2,35. Предельная глубина внедрения по условию сцепления снижается с 1,35 до 0,88 м, коэффициент наполнения – с 1,06 до 0,76, а масса материала в ковше при этом изменяется всего на 8,7% между сухим песком и щебнем крупной фракции. Класс материала опознаётся по четырём признакам окна 0,4 с с долей верных отнесений 0,914; наибольшая путаница приходится на пару смежных гранулометрических классов. Переход к адаптивному назначению режима увеличивает эксплуатационную производительность на 1,4-10,7% и снижает удельный расход топлива на 12,9-17,4% в зависимости от класса. Выигрыш растёт с трудностью черпания и распределяется между производительностью и топливной экономичностью неодинаково: на связном грунте прирост выработки максимален при наименьшем снижении удельного расхода. Соотношение показывает, что коэффициент наполнения ковша ведёт себя как управляемая переменная, а не как справочная константа машины, и подлежит включению в контур управления наравне с давлением и частотой вращения. Power train tuning of a front loader operating at a site with several stockpiles remains manual, so the same machine handles sand and blasted rock with identical feed and traction settings. Current standards describe the outcome of the digging phase geometrically: bucket capacity is computed under GOST 29290-92 from the struck volume plus the material above the cutting edges at a 2:1 slope, rated operating load follows GOST ISO 14397-1-2015, and the bucket fill factor is not covered by either document. The purpose of the study was to construct and compute a model of a system that recognises the material class from force and kinematic signals of the initial penetration phase and assigns the power train mode without operator involvement. The computation rests on the author's model of the digging process for a modelled 5 t class loader with a 3.0 м³ bucket; the numerical experiment covered a series of 1,240 cycles. Materials are grouped into five classes by the author's digging difficulty index ranging from 1,00 to 2,35. The limiting penetration depth under the traction condition falls from 1,35 to 0,88 m and the fill factor from 1,06 to 0,76, while the mass carried in the bucket varies by only 8,7% between dry sand and coarse crushed stone. The material class is recognised from four features of a 0,4 s window with a correct assignment share of 0,914, the heaviest confusion falling on the pair of adjacent granulometric classes. Adaptive mode assignment raises operational output by 1,4-10,7% and lowers specific fuel consumption by 12,9-17,4% depending on the class. The gain grows with digging difficulty and splits unevenly between output and fuel economy: on cohesive soil the output gain peaks while the specific consumption gain is smallest. This relation shows that the bucket fill factor behaves as a controlled variable rather than a reference constant of the machine and belongs in the control loop alongside pressure and engine speed.