СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ (ВАРИАНТЫ)
CONSTRUCTION MACHINE SAFETY SYSTEM (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах защиты и управления грузоподъемных кранов, кранов-манипуляторов, трубоукладчиков, подъемников (вышек), бетононасосов, погрузчиков, бульдозеров, автогрейдеров и других строительных машин.
Известно устройство управления грузоподъемной машины (крана), содержащее гидропривод с элементами управления давлением в гидросистеме и устройство безопасности, соединенное с элементами управления механизмов машины посредством устройств с односторонней проводимостью [1].
Недостатком этой системы является пониженная безопасность работы машины, вызванная наличием в ее системе управления органа ручного отключения устройства безопасности при его срабатывании.
Наиболее близкой к предложенной является система управления грузоподъемной (строительной) машины, содержащая рабочее место машиниста, приводы механизмов машины, имеющие элементы управления, соединенные с рукоятками (органами) ручного управления машиной посредством механических средств передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста, датчики положения органов управления, соединенные с электронным устройством безопасности, и средство для блокирования работы приводов при срабатывании устройства безопасности [2, 3, 4, 5].
В этой системе с целью повышения безопасности работы машины после блокирования работы приводов механизмов машины устройством безопасности обеспечивается возможность включения оператором этого привода в противоположную сторону без отключения устройства безопасности.
Однако при отказах средства передачи управляющих воздействий машиниста либо элементов управления приводами происходит потеря управления машиной, что может привести к ее аварии, а также к невозможности перемещения машины к месту ее ремонта.
Техническими результатам, на достижение которых направлена группа изобретений (в обоих вариантах реализации системы управления), являются:
- обеспечение возможности остановки машины при отказах средств передачи управляющих воздействий машиниста на ее приводы или при отказах управляющих элементов приводов, соединенных с этими средствами, с соответствующим повышением безопасности работы машины;
- сохранение управляемости машины при отказах средств передачи управляющих воздействий машиниста на ее приводы или управляющих элементов приводов, соединенных с этими средствами.
В первом варианте системы управления строительной машины, содержащей гидравлические и/или электрические приводы ее механизмов с элементами управления, по меньшей мере, один орган ручного или ножного управления машиной, соединенный с элементами управления приводов с помощью средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста, указанные технические результаты достигаются за счет дополнительного оснащения этой системы датчиком прикосновения и/или приближения руки или ноги машиниста к органу управления машиной. Выход этого датчика непосредственно и/или через согласующее устройство соединяется, по меньшей мере, с одним указанным или дополнительным элементом управления привода, со средством передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста, которое в этом случае дополнительно оснащается оконечным устройством, приспособленным для этого подключения, и/или с дополнительно установленным средством отключения электрической и/или гидравлической энергии питания и/или управления этого привода, который/которое выполнен/выполнено с возможностью блокирования работы привода.
При этом для осуществления указанного блокирования работы привода при наличии сигнала с датчика о снятии руки или ноги машиниста с органа ручного или ножного управления и/или удалении руки или ноги от него выход этого датчика непосредственно или через согласующее устройство соединен с элементами управления приводом, со средством передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста и/или со средством отключения электрической и/или гидравлической энергии питания и/или управления этого привода.
В этом варианте системы управления датчик прикосновения руки или ноги машиниста к органу ручного или ножного управления машиной может быть выполнен в виде электромеханического, механического, гидромеханического, пневмомеханического выключателя либо бесконтактным - емкостным, ультразвуковым, оптическим или радиоволновым.
Во втором варианте этой системы, содержащей гидравлические и/или электрические приводы ее механизмов с элементами управления, по меньшей мере, один орган ручного или ножного управления машиной, соединенный, по меньшей мере, с одним элементом управления, по меньшей мере, одного привода с помощью средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста, а также, по меньшей мере, один датчик положения этого органа управления, указанные технические задачи решаются путем соединения датчика положения органа управления (непосредственно или через согласующее устройство) с указанным или дополнительным элементом управления привода, или средство передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста дополнительно оснащено оконечным устройством, управляющий вход которого непосредственно или через согласующее устройство соединен с выходом этого датчика положения. При этом в приводе с его, по меньшей мере, одним элементом управления в средстве передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста и/или в оконечном устройстве этого средства реализовано приоритетное управление этим приводом от датчика положения.
В этом варианте системы управления, в частности:
- при различных сигналах управления приводом от средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста и от датчика положения этого органа управления управление приводом осуществляется от датчика положения;
- по меньшей мере, один датчик положения установлен с возможностью формирования его выходного сигнала при перемещении органа управления в зону его максимального отклонения от нейтрального положения;
- система содержит четыре датчика положения органа ручного управления, которые выполнены в виде концевых выключателей и размещены с возможностью их срабатывания при перемещении этого органа от нейтрального положения в четырех основных направлениях «вперед/назад/влево/вправо».
Кроме того, для достижения указанных технических результатов в любом варианте системы управления, в частности:
- может быть дополнительно реализовано устройство безопасности, осуществляющее блокирование работы, по меньшей мере, одного привода из условия предотвращения перегрузки и/или перемещения машины и/или ее оборудования в недопустимое пространственное положение посредством воздействия на элементы управления приводами, на дополнительный вход оконечного устройства средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста и/или на средство отключения электрической и/или гидравлической энергии питания и/или управления этого привода;
- средство передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста выполнено механическим, гидравлическим, гидромеханическим, электрогидравлическим, электропневматическим, пневмомеханическим, электромеханическим, электронно-механическим или электронным, а его оконечное устройство - в виде коммутационного устройства соответствующего типа;
- электронное средство передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста выполнено в виде микропроцессорного контроллера, а его оконечное устройство - в виде набора электромеханических или электронных ключей или переключателей;
- орган ручного управления выполнен в виде механического, гидравлического, электромеханического, электрогидравлического, электропневматического или электронного джойстика, или рычага, или аппарата управления, а орган ножного управления - в виде механической, гидравлической, электромеханической, электрогидравлической, электропневматической или электронной педали;
- электронное средство передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста и устройство безопасности выполнены в виде одного микропроцессорного контроллера;
- средство для отключения электрической и/или гидравлической энергии питания и/или управления привода выполнено в виде электрического коммутационного устройства, включенного в цепь электрического питания и/или управления электрического привода, и/или в виде средства разгрузки (сброса давления) силовой и/или управляющей части гидравлической системы;
- привод оснащен объединенными или раздельными элементами управления для подключения средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста, устройства безопасности и, по меньшей мере, одного датчика положения органа управления.
- согласующее устройство в зависимости от конструкции датчика и управляющих элементов привода выполнено электронным, механическим, электромеханическим, гидравлическим, гидромеханическим, электрогидравлическим, электропневматическим, пневмомеханическим или электронно-механическим.
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечивают реализацию автоматической остановки приводов машины при снятии руки или ноги машиниста с органа ручного или ножного управления и/или при удалении руки или ноги от него, а также формирование приоритетных сигналов управления машиной от датчиков положения органов ручного и/или ножного управления (концевых выключателей).
Благодаря этому возможна остановка машины при любых отказах средств передачи управляющих воздействий машиниста на ее приводы и соответствующих управляющих элементов этих приводов, а также сохранение управляемости машины при отказах основного канала управления. Поэтому эти отличительные признаки, не известные из уровня техники, находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемыми техническими результатами.
На фиг.1 в качестве примера реализации изобретения приведена обобщенная функциональная схема системы управления строительной машины. На фиг.2 - вариант ее реализации на основе электронного микропроцессорного контроллера.
Система содержит гидравлические и/или электрические приводы 1 ее механизмов 2 и орган (органы) ручного или ножного управления 3 машиной, соединенный с элементами управления 4 приводов 1 с помощью средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста 6, содержащего, в общем случае, выходное устройство 7.
Система управления в первом варианте ее исполнения содержит датчик прикосновения и/или приближения руки или ноги машиниста 8 к органу ручного или ножного управления машиной 3. Его выход непосредственно и/или через первое согласующее устройство 9 соединен с основным или дополнительным (показано на чертеже) элементом (элементами) управления 4 привода (приводов) 1, с оконечным устройством 7 средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста 6, с дополнительно установленным средством отключения электрической и/или гидравлической энергии питания и/или управления 10 или с этими устройствами в любой их комбинации.
Во втором варианте исполнения система дополнительно содержит датчики (датчик) положения 11 органа (органов) управления 3, которые непосредственно или через второе согласующее устройство 12 соединены с элементами управления 4 привода (приводов) 1 и/или с оконечным устройством 7 средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста 6. Это средство по способу преобразования и передачи усилия машиниста может быть механическим, электрическим, гидравлическим или комбинированным (например, электропневматическим или электрогидравлическим).
Оконечное устройство 7 может быть выполнено, в частности, в виде электромеханического, гидравлического, пневматического или электронного ключа или переключателя либо набора этих ключей и переключателей.
Система может дополнительно содержать устройство безопасности 13 с соответствующими датчиками нагрузки и пространственного положения машины и ее рабочего оборудования 14. Его выход соединен с элементом (элементами) управления 4 привода (приводов) 1 механизмов машины 2, со средством передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста 6 и/или со средством отключения электрической и/или гидравлической энергии питания либо управления 10 этого привода (приводов) 1.
Орган ручного управления 3 в зависимости от вида (физической природы формируемого им сигнала) может быть выполнен в виде механического, гидравлического, электромеханического, электрогидравлического, электропневматического или электронного джойстика, рычага или аппарата управления (см. фиг.2), а орган ножного управления - в виде механической, гидравлической, электромеханической, электрогидравлической, электропневматической или электронной педали.
Соответственно, средство передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста 6 в зависимости от способа преобразования перемещений органа управления 3 и воздействия на элементы управления 4 привода (приводов) 1 может быть выполнено механическим (виде системы рычагов, шарниров, тяг и т.п.), гидравлическим, гидромеханическим, электрогидравлическим, электропневматическим, пневмомеханическим, электромеханическим (в виде электродвигателя или электромагнита), электронно-механическим (в виде электродвигателя или электромагнита с электронной схемой управления) или электронным, а его оконечное устройство 7 - в виде коммутационного устройства (ключей, переключателей) соответствующего типа.
Электронное средство передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста 6, а также устройство безопасности 13 реализуются преимущественно в виде микропроцессорных контроллеров. Они могут быть объединены также в один микропроцессорный контроллер. При необходимости в состав этого контроллера может быть включено одно из согласующих устройств 9, 12 либо оба этих устройства. Такой вариант показан на фиг.2.
Средство передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста 6, кроме преобразования вида сигнала, может обеспечивать его усиление, а также формирование необходимой характеристики управления соответствующим приводом. Например, характеристики «угол отклонения органа управления 3 - скорость работы привода 1». Это средство 6 в случае необходимости содержит собственные датчики положения органа (органов) управления 3, размещенные, в частности, в аппарате управления (в дополнение к датчикам 8, 11).
Датчик прикосновения руки или ноги машиниста 8 к органу управления машиной 3 в зависимости от требуемого вида его выходного сигнала может быть выполнен в виде электромеханического, механического, гидромеханического или пневмомеханического выключателя. Если в системе осуществляется контроль не только прикосновения, но и приближения (удаления) руки или ноги машиниста к органу управления 3, то этот датчик 8 выполняется бесконтактным - емкостным, ультразвуковым, оптическим или радиоволновым.
Датчики положения 11 могут иметь такую же конструкцию. В частности, в системе могут быть установлены четыре датчика 11, выполненные в виде концевых выключателей, срабатывающих при максимальном отклонении органа управления 3 от нейтрального положения в четырех основных направлениях «вперед/назад/влево/вправо».
Согласующие устройства 9 и 12 устанавливаются в случае необходимости преобразования вида или параметров выходных сигналов датчиков 8, 11. Например, для преобразования электрического сигнала в механический, гидравлический или пневматический, для усиления сигнала с какого-либо датчика 8, 11 и т.д.
Элементы управления 4 привода (приводов) 1 (валики, рычаги, штоки, золотники гидравлических распределителей, электромагниты или обмотки управления электрогидравлических или электропневматических распределителей, обмотки управления электромагнитных реле или пускателей электрических приводов и т.д.), реализующие необходимую логику управления приводом (приводами) 1, к которым подключаются (присоединяются) различные функциональные устройства системы 9, 7, 12 и 13, могут быть выполнены как раздельными (показано на фиг.1), так и общими (объединенными).
Средство для отключения электрической и/или гидравлической энергии питания и/или управления 10 привода (приводов) 1 выполнено в виде электрического коммутационного устройства (контактора, силового реле) или средства разгрузки силовой и/или управляющей части гидравлической системы, например электрогидравлического клапана разгрузки (сброса давления). Оно также может иметь объединенные либо раздельные входы для подключения различных функциональных устройств системы 7, 9, 13.
Контроль нагрузки и пространственного положения строительной машины и ее рабочего оборудования, например положения стрелы и грузозахватного органа грузоподъемной машины, осуществляется при помощи датчиков 14, входящих в состав устройства безопасности 13, которое реализуется, как правило, с использованием микроконтроллера (цифрового вычислителя), оснащенного интерфейсными устройствами (выходными усилителями, устройствами сопряжения с датчиками, запоминающими устройствами и т.д.).
Устройство безопасности 13 может содержать дополнительные органы управления (кнопки, клавиши или переключатели), обеспечивающие возможность ввода в его цифровой вычислитель параметров, определяющих режимы работы этого устройства, и параметры машины (вид стрелового оборудования, степень запасовки грузового полиспаста, выдвижение опор, параметры координатной защиты и т.п.), а также элементы звуковой и световой индикации (светодиодные индикаторы, сигнальные лампы, дисплеи, стрелочные указатели и т.п.), выполненные в виде отдельных устройств или общей панели оператора (машиниста) 15 (см. фиг.2).
Датчики 14 включают в себя, например, датчик массы груза (тензометрический датчик силы или тензометрические датчики давления), датчик длины и угла наклона рабочего оборудования (стрелы), датчик угла азимута поворотной платформы машины и другие датчики, необходимость установки которых определяется конструкцией конкретной строительной машины.
Для контроля управляющих воздействий машиниста дополнительные выходы согласующих устройств 9, 12 и средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста 6 могут быть соединены с дополнительными входами устройства безопасности 13.
Система управления машины работает следующим образом.
Перед началом работы машины машинист при помощи органов управления, входящих в устройство безопасности 13 и расположенных, например, на панели оператора (машиниста) 15, осуществляет ввод параметров, определяющих режимы работы машины (положение выдвижных опор, конфигурацию рабочего оборудования, положение противовеса и т.д.), если для данной конструкции строительной машины ввод этих параметров является необходимым и предусмотрен в системе.
Зона допустимых значений положения машины и ее рабочего оборудования, а также допустимые значения нагрузки (например, в виде грузовых характеристик машины) заранее установлены (записаны) в памяти устройства безопасности 13 или вводятся в него машинистом или наладчиком строительной машины при помощи этих же органов управления.
Управление строительной машиной осуществляется машинистом путем перемещения органов управления (рукояток, рычагов, педалей и т.п.) 3 в соответствующих направлениях. С их помощью машинист осуществляет пуск, регулирование скорости, реверс и остановку всех рабочих механизмов 2 строительной машины. Управляющие воздействия машиниста с помощью средства передачи и преобразования управляющих воздействий 6 преобразуются в воздействия на элементы управления привода (приводов) 1.
Если при этом на выходах согласующих устройств 9, 12 и устройства безопасности 13 отсутствуют сигналы блокирования работы привода (приводов) 1, то управляющие воздействия машиниста приводят к запуску привода (приводов) 1 и к перемещению механизмов машины 2. Машина при этом выполняет соответствующие строительные работы, в частности подъем и перемещение груза, людей и т.п.
При работе машины датчики 14 осуществляют измерение параметров загрузки машины, а также пространственного положения машины и ее рабочего, например стрелового, оборудования.
После получения информации от датчиков 14 микроконтроллер устройства безопасности 13 по программе, определенной при проектировании устройства безопасности 13 и предварительно записанной в его память, по известным функциональным зависимостям определяет текущую нагрузку, а также пространственное положение машины и ее рабочего оборудования.
Далее микроконтроллер устройства безопасности 13 осуществляет сравнение фактического нагружения машины с предельно-допустимым, а также сравнение фактического положения машины и ее рабочего оборудования с зоной допустимых положений, заданных при введении координатной защиты. Устройство безопасности 13 в зависимости от результатов указанных сравнений подает сигнал остановки работы соответствующего привода 1 на средство для отключения его электрической и/или гидравлической энергии питания и/или управления 10, на элемент (элементы) его управления 4 или на оконечное устройство 7 средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста 6, что приводит к остановке данного движения строительной машины, инициированного машинистом с помощью органов управления 3. Благодаря этому осуществляется автоматическая защита машины от перегрузки и от столкновений с препятствиями (координатная защита).
При снятии руки или ноги машиниста с органа ручного или ножного управления машиной 3 либо при удалении руки или ноги от него датчик 8 формирует соответствующий сигнал, который используется в системе для автоматической остановки приводов 1 и, соответственно, движений механизмов машины 2.
Остановка (блокирование) работы привода (приводов) 1 при этом осуществляется путем отключения его электрического или гидравлического питания с помощью средства (коммутационного устройства, клапана разгрузки и т.п.) 10 путем непосредственного воздействия на основной или дополнительный элемент управления 4 этого привода 1 либо воздействия на общий элемент управления 4 через оконечное устройство 7.
В последнем случае осуществляется снятие сигнала управления приводом путем отключения преобразованного управляющего воздействия машиниста. Например, путем отключения выходного электрического сигнала контроллера с помощью электромеханического реле.
Канал блокирования работы привода (приводов) при этом выполняет свои функции независимо от работоспособности основного канала управления машиной. В том числе независимо от работоспособности органов управления 3, средства передачи и преобразования управляющих воздействий 6, устройства безопасности 13 и т.д. Это достигается путем независимой реализации этого канала (с использованием отдельных компонентов), а также раздельного электрического или гидравлического питания датчика 8 и согласующего устройства 9 либо автоматического формирования выходного сигнала блокирования работы привода (приводов) 1 при отключении энергии питания этих функциональных узлов 8, 9 системы управления.
При наличии в системе датчиков положения 11 органа (органов) управления 3 и при необходимости второго согласующего устройства 12 в системе реализуется приоритетное управление приводом (приводами) 1 от датчиков 11.
Эти датчики, например концевые выключатели, устанавливаются преимущественно в конечных положениях органов управления 3 либо в специально предусмотренных положениях, не использующихся при нормальной работе машины.
При срабатывании какого-либо датчика 11 управление привода (приводов) 1 осуществляется от этого датчика независимо от выходных сигналов средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста 6 (его оконечного устройства 7), согласующего устройства 9 и устройства безопасности 13. При различных (противоречивых) сигналах управления проводом (приводами) 1, поступающих от различных устройств системы управления машиной, сигнал от датчика (датчиков) 11 имеет наивысший приоритет.
Это достигается конструктивным исполнением элементов управления 4 привода (приводов) 1, т.е. соответствующим выбором кинематической, электрической, гидравлической или пневматической схемы управляющей части привода (приводов) 1, либо конструкцией оконечного устройства 7, осуществляющего отключение выходного сигнала (управляющего воздействия) от средства передачи и преобразования управляющих воздействий машиниста 6 при поступлении на его оконечное устройство 7 сигнала от датчика 11.
Датчики 11 и согласующее устройство 12 (при его наличии) реализованы независимо от остальных функциональных узлов системы управления (с использованием отдельных компонентов) и имеют раздельные цепи электрического или гидравлического питания. Благодаря этому машинист имеет возможность осуществить любое перемещение машины и ее рабочего оборудования при отказах основного канала ее управления.
При этом элементы управления приводов 6 и связанные с ними функциональные узлы системы управления машины с целью обеспечения безопасности ее работы при отказах каких-либо функциональных узлов системы выполнены таким образом, что отключение напряжения питания либо падение давления в силовой или управляющей части гидравлической или пневматической системы машины приводит к остановке ее приводов.
В данном описании схематично приведены лишь частные варианты реализации предложенной системы управления строительной машины. Изобретение охватывает и другие возможные варианты ее исполнения и их эквиваленты без отступления от сущности изобретения, изложенной в его формуле.
Источники информации
1. SU 449873, В66С 13/42, 13/44, 15.11.1974.
2. RU 47341 U1, B66C 13/18, 27.08.2005.
3. RU 2078021 С1, B66C 23/00, 27.07.1997.
4. RU 2250192 С2, B66C 13/40, 13/54, G05G 13/00, 20.04.2005.
5. RU 2376238 С1, B66C 13/18, 20.12.2009.