УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПРИВОДОМ ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА

Полезная модель относится к строительству, в частности к поддержанию оптимальных значений угла резания грунта и глубины копания (толщины стружки) грунта под проектную отметку при сооружении котлованов и траншей для прокладки магистральных нефте-газопроводов, трубопроводов для подачи воды и пара, кабелей высоковольтных линий электропередач и др.
1. Известно (аналог) гидромеханическое устройство с копировальной системой SU (а.с. №135418, а.с. №142307).
При использовании этого устройства управление рабочим оборудованием экскаватора осуществляется машинистом вручную совмещенной рукояткой управления, а заданная траектория копания обеспечивается копировальным устройством.
Недостатки гидромеханических автоматизированных управляющих устройств определяются ограниченными возможностями механических систем. В этих системах автоматическое управление осуществляется только одним движением (поворотом стрелы) путем поворота рукоятки при постоянном положении ковша относительно рукоятки.
Этот недостаток приводит к изменению угла резания в процессе копания, что, кроме увеличения энергозатрат и снижения качества планировки, вызывает значительное сокращение рабочей зоны копания на тех участках траектории ковша, где угол резания достигает отрицательного значения и экскавация грунта становится невозможной.
Кроме того, при подобных устройствах не может быть использована значительная часть кинематически доступной рабочей зоны экскаватора при производстве планировочных работ, поскольку скорость корректирующего перемещения стрелы может оказаться недостаточной для обеспечения прямолинейного движения ковша при полной скорости поворота рукояти.
Недостатком упомянутых устройств является также необходимость в определенных переделках в конструкции экскаватора и, самое главное, его гидравлической системы управления.
2. Известно техническое решение «Электромеханическое следящее устройство для управления гидроприводом рабочего оборудования одноковшового экскаватора, см. SU (a.c. №334342 от 30.03.1972 и №338603 от 15.05.1972, класс E02f, 9/20), (ближайший аналог - прототип устройства автоматического управления гидроприводом одноковшового экскаватора). Это устройство выполнено в виде копирно-следящей системы, обеспечивающей принудительное движение режущей кромки ковша по заданной траектории, определяемой шаблонами, установленными на копирной панели.
Недостатком известного устройства являются низкие динамические характеристики следящей системы из-за чего в момент задания угла рассогласования происходит гидравлический удар, что приводит к колебаниям гидрораспределителя, передающиеся на рукоятку управления механическим оборудованием экскаватора, которые вносят значительные погрешности в режимы работы копания грунта. Кроме того, в процессе эксплуатации машины за счет изнашивания элементов гидропривода выходит из работы сама следящая система управления.
3. Например, в известном аналоге по патенту Австрии №430739 «Устройство для стабилизации положения копирного механизма землеройных машин цикличного действия», содержащее рычаг совмещенного управления, копирную панель с шаблонами и следящее устройство, приводящее в движение элементы рабочего оборудования и рычага совмещенного управления, относительно шаблонов на копирной панели, что обеспечивает заданную траекторию движения ковша экскаватора.
Недостатком такого устройства является то, что система отсчета геометрических параметров траектории движения ковша привязана к самой машине и поэтому при перемещениях ее с одной захватки на другую по неровной поверхности обеспечение заданной траектории движения ковша осуществляется с большими погрешностями, несовместимыми с требованиями по проекту.
4. В известных аналогах по патентам США №2973593 кл. 37-144 «Система стабилизации положения копирного устройства землеройных машин циклического действия» и №3583585. Недостатком известной системы по патенту №2973593 кл. 37-144 является то, что в системе требуемое продольное перемещение рабочего органа землеройной машины задается с помощью инфракрасного светового луча, создаваемого специально для этого предназначенной аппаратурой.
Такое техническое решение обеспечивает с помощью инфракрасного луча только прямолинейное движение ковша экскаватора и не обеспечивает заданную переменную глубину копания при различных давлениях в узлах сочленения механического оборудования.
Кроме того, создание инфракрасного луча требует монтажа дополнительной сложной аппаратуры и инфракрасный луч вносит большие погрешности при движении машины по неровной поверхности.
Задачей настоящей полезной модели является совершенствование устройства управления гидроприводом одноковшового экскаватора, путем введения новых технических средств, обеспечивающих новый принцип контроля давления, связанного с глубиной копания в узлах механического оборудования и бортового микропроцессорного контроллера с программным обеспечением, позволяющих автоматически поддерживать оптимальный заданный угол резания (глубину копания) по всей траектории движения ковша.
Целью настоящей полезной модели является обеспечение заданных оптимальных угла резания и глубины копания грунта под проектную отметку рабочим органом одноковшового гидравлического экскаватора, что обеспечивает снижение до 78% затрат на выполнение зачистных и планировочных работ, позволяющих получить плоские поверхности дна и откосов траншей и котлованов, расположенных на разных уровнях и под различными углами к горизонту; повышение эксплуатационной производительности гидравлического экскаватора, за счет наилучшего заполнения грунтом ковша; предотвращение перегрузок рабочих механизмов машины и, как следствие этого, увеличение ее надежности и долговечности.
При этом новое техническое решение устройства автоматического управления гидроприводом одноковшового экскаватора лишено недостатков прототипа и аналогов, связанных с обеспечением заданной только прямолинейной траектории копания на основе копировального механизма, который не выполняет основные функции поддержания заданных угла резания и глубины копания, разрабатываемого грунта ковшом гидравлического экскаватора.
На рис.1 показана структурная схема предлагаемой полезной модели.
Устройство автоматического управления гидроприводом одноковшового экскаватора 18 содержит стрелу 1, рукоять 2 и ковш 3, а также их соответствующие приводные гидроцилиндры 4, 5 и 6 включает в себя два тензометрических датчика 7 и 9 контроля давления в узлах сочленения гидроцилиндра 5 с рукоятью 2 и гидроцилиндра 6 с ковшом 3. Тензодатчики 7 и 9 измеряют активное сопротивление в зависимости от фактического давления в узлах сочленения гидроцилиндров 5, 6 и от преобразователей 8 и 10 подают сигнал в виде постоянного напряжения на «Вход 1» и «Вход 2» логического микропроцессорного контроллера ((ЛМК) 17 (PCIARK), где Р - давление, С - регулирование, I - показывающий прибор, А - сигнальная лампа, R - регистрация (самописец), К - программа. Выходные сигналы ЛМК 17, обработанные по адаптивной самонастраивающейся программе по результатам данных внешних факторов с «Выхода 1», «Выхода 2» и «Выхода 3» электрически связаны с электромеханическими приводами (соленоидами) 11, 13, 15, подающих через гидрораспределители 12, 14, 16 жидкость в камеры сжатия I или II силовых гидроцелиндров 4, 5, 6 для перемещения (подъем или опускания) кинематически сочленненых с механическим оборудованием 1, 2, 3 одноковшового экскаватора 18.
Работа устройства управления приводом осуществляется следующим образом. В начале процесса копания машинист контроллером управления приводом наводит ковш 3 на соприкосновение с грунтом забоя и включает привод поворота рукояти 2 экскаватора 18 на копание. При достижении в процессе копания заданного значения давления в узле сочленения гидроцилиндра 5 привода рукояти 2, определяемого сопротивлением грунта копания, датчик контроля давления 9 через преобразователь 10 выдает сигнал на «Вход 2» ЛМК 17, который через «Выход 2» включает соленоид электромеханического привода 15, перемещающий с помощью гидрожидкости (машинное масло) золотник гидрораспределителя 16, который управляет перемещением силового гидроцилиндра 6. Гидроцилиндр 6 начнет поворачивать ковш 3 в направлении уменьшения угла резания грунта и этот поворот будет продолжаться до тех пор, пока давление в узле гидроцилиндра 6 не станет ниже величины, заданной программой микропроцессора 17, которая и определяет глубину резания грунта ковшом 3.
В случае длительного превышения давления в узле гидроцилиндра 6 тензодатчик 7 через преобразователь 8 подает сигнал на «Вход 1» микропроцессора 17, а с его «Выхода 1» преобразованный сигнал дает команду на включение электромагнита 13 и гидрораспределителя 14 на подъем рукояти 2, изменяя угол Р, зависящий от наклона режущей кромки ковша 3, что соответствует глубине копания.
Если предельные значения давлений возникнут одновременно в узлах гидроцилиндров 5 и 6, что указывает на слишком большую глубину копания (толщину стружки) тензодатчики 7 и 9 через преобразователи 8 и 10 подадут сигнал одновременно на оба входа («Вход 1» и «Вход 2») микропроцессора 17. Выходной сигнал с «Выхода 3» микропроцессора 17 поступает на обмотку соленоида электромагнитного привода 11, который воздействует на гидрораспределитель 12, заставляя гидроцилиндр 4 поднимать (выглублять) стрелу 1, изменяя угол наклона α. При этом глубина копания будет уменьшаться, давление на тензодатчики 7 и 9 будет снижаться, выходной сигнал на «Выход 1» и «Выход 2» микропроцессора 17 будет также снижаться, который с «Выход 1», «Выход 2», «Выход З» вернет силовые гидроцилиндры 4, 5, 6 в исходное состояние, обеспечивая заданное (по программе) значения углов α, β и угла резания γ.
3
ЛМК 17 на «Входе 1» и «Входе 2» имеет элементы небольшого времени задержки (I=2-3 с) на срабатывание, что позволяет исключить случайные кратковременные перегрузки рабочего оборудования гидравлического экскаватора 18.
Поэтапное регулирование глубины копания рабочим механизмом 3 с помощью силовых гидроцилиндров по программе: 6→5→4→0 наиболее эффективно, так как значительно снижает количество циклов и времени проведения технологических операций заглубления и выглубления ковша 3, что, в свою очередь, повышает производительность и надежность работы механического оборудования машины.
Микропроцессор (МП) - это программно-управляемое вычислительное устройство, реализованное на одной или нескольких больших цифровых интегральных схемах (БИС), имеющих большую степень интеграции (по приему и выработки управляющих сигналов) за счет содержания в БИС на одном полупроводниковом кристалле от 1000 до 10000-40000 тысяч электронных элементов (диодов, транзисторов, усилителей, резисторов, конденсаторов).
Для выполнения задач по преобразованию, обработке, хранению входных и формированию выходных сигналов управления исполнительными механизмами машины, в составе МП должны быть запоминающие устройства, устройства ввода информации от чувствительных элементов и вывода управляемых сигналов на исполнительные механизмы (интерфейсы). При наличии указанных элементов микропроцессорное устройство, которая называется логическим микропроцессорным контролером (ЛМК), назначение и функции которого, полностью определяются программами, содержащимися в ПЗУ и ОЗУ. На рис.2 показаны: КДС - коммутатор входных двухпозиционных сигналов; ОЗУ - оперативная память: Т - блок временных задержек; БЛ - блок логической обработки; СЧ - двоичный счетчик адресов постоянной памяти; БУ - блок формирования управляющих сигналов; ПЗУ - постоянная память; РДС - распределитель выходных (управляющих) двухпозиционных сигналов; M1, M2 и М3 - магистральные шины.
ЛМК - это вычислительное устройство на основе микропроцессора, предназначено в основном для задач управления. Отдельные элементы (модули) соединены между собой с помощью магистральных шин M1, M2 и М3.
Функции хранения информации осуществляют запоминающие устройства ЛМК: ПЗУ - постоянные запоминающие устройства и ОЗУ - оперативные (текущие) запоминающие устройства, которые определяют способы передачи информации между МП и периферийными устройствами объекта управления. ПЗУ используются для хранения программ, не изменяющихся в процессе обработки информации. В ОЗУ МП производит считывание и запись информации, изменяющейся в процессе функционирования системы управления.
Интерфейс определяет совокупность методов и средств сопряжения адресных, информационных и управляющих линий связи. В ЛМК предусмотрены следующие виды интерфейса: микропроцессора, памяти, устройств ввода-вывода, связи с объектом управления (с тензодатчиками и гидроцилиндрами).
Логическое управление работой ЛКМ производится блоком управления БУ, который реализует основную функцию управления за счет выбора команд программы.
Реализация программы ЛМК представляет последовательность выполнения отдельных команд, связанных с глубиной L резания ковша, которая функционально зависит от усилий Р в узлах сочленения механических звеньев гидравлического экскаватора (рис.3).
ЛМК производит: преобразование, обработку, хранение входного сигнала [R=f(p)] (рис.3), поступающего из мостовой схемы преобразователей 8, 10, который в виде напряжения поступает на Вход 1 и Вход 2.
После усиления сигнала осуществляется выработка команды управления с Выхода 1, Выхода 2 и Выхода 3 исполнительными механизмами 4, 5, 6 в реальном времени в соответствии с фиксированным набором прикладных рабочих программ, которые определяют предельные значения глубины копания рабочим механизмом гидравлического экскаватора.
Коммутатор входных двухпозиционных (дискретных и аналоговых) сигналов КДС является нормализатором, который необходим для преобразования сигналов, поступающих от мостовой схемы с тензодатчиками на Вход 1 и Вход 2 различной амплитуды и полярности в унифицированный сигнал, обеспечивающий с Выхода 1, Выхода 2 и Выхода 3 оптимальную работу исполнительных механизмов 4, 5, 6 по поддержанию заданной глубины копания рабочим органом машины.
В целом ЛМК решает следующие основные задачи:
- определение текущих и прогнозируемых значений контролируемых параметров режима копания: глубины резания L, и углов а, Р, у поворота механических звеньев рабочего органа машины;
- расчет технологических показателей, зависящих от значений измеряемых параметров;
- сигнализацию о нарушении хода технологического процесса или работы машины;
- регистрацию информации о выполнении заданных технологических параметров и режимов работы механического оборудования гидравлического экскаватора.
Копирная (жесткая) программа не обеспечивает оптимальные углы резания, глубину копания грунта траншей магистральных газонефтепроводов и прямолинейность движения машины, так как при этом учитывается внешние влияющие воздействия: прочность грунта, глубина резания, неровность разрабатываемой поверхности и др., контролируемые изменением давления с помощью тензодатчиков в узлах сочленения гидроцилиндров с рукоятью ковша.
Только адаптивная самонастраивающая система управления (приспосабливающая к заранее неизвестным внешним влияющим воздействиям), которая формируется при введении в устройство тензометрически датчиков 7 и 8 контроля давления в узловых соединениях силовых гидроцилиндров, преобразователи 8 и 9 активного сопротивления в электрический сигнал и бортовой логический перепраграмируемый под заданную глубину копания микропроцессорный контроллер 17, при этом датчик давления через преобразователи сигналов электрически подключены к «Входу 1» и «Входу 2» бортового логического микропроцессорного контроллера, а обработанные им по заданной программе выходные сигналы с «Выхода 1», «Выхода 2» и «Выхода 3» электрически связаны через гидрораспределители с электромеханическим гидроприводом силовых гидроцилиндров, кинематически сочлененными с механическим оборудованием одноковшового экскаватора.
Положительный эффект от внедрения настоящего устройства достигается за счет обеспечения заданных опимальных угла резания и глубины копания грунта под проектную отметку рабочим органом одноковшового гидравлического экскаватора, что обеспечивает снижение до 78% затрат на выполнение зачистных и планировочных работ, позволяющих получить плоские поверхности дна и откосов траншей и котлованов, расположенных на разных уровнях и под различными углами к горизонту;
повышение эксплуатационной производительности гидравлического экскаватора, путем наилучшего заполнения грунтом ковша; предотвращение перегрузок рабочих механизмов машины и, как следствие этого, увеличение ее надежности и долговечности, по сравнению с известным техническим решением «Электромеханическое следящее устройство для управления гидроприводом рабочего оборудования одноковшового экскаватора (а.с. №334342 от 30.03.1972 и №338603 от 15.05.1972, класс E02f, 9/20), в котором следящая (жесткая по копиру), не учитывающая внешние факторы и обладает низкой работоспособностью система управления заменяется на систему адаптации, позволяющая обеспечить более высокий уровень автоматического управления механическим оборудованием одноковшового гидравлического экскаватора. Такая самонастраивающая по программе система автоматизации позволяет обеспечить поставленную задачу.