2517

ской точности дна траншеи.

Автоматизация операций по второму направлению связана с обеспечением требуемой точности выполнения операций, контроль за которыми со стороны человека-оператора становится невозможным из-за отсутствия измерительных приборов по контролируемым величинам /48, 58, 101/.

Наибольшее распространение в России и за рубежом получили системы управления (СУ) высотной и угловой стабилизации положения РО машины, к которым относятся системы типа

«Профиль»,

CMI (США), RAHCO (Германия), LASERPLANE (США) и др.

В основу отечественной аппаратуры первого поколения были положены потенциометрические преобразователи и схемы,

собранные на электромагнитных реле. Аппаратура второго поколения типа «Профиль-30» построена на универсальных элементах аналоговых и дискретных бесконтактных преобразователях перемещений в электрический сигнал, унифицированных модулях,

что увеличивало серийность производства, позволяло повысить уровень технологического оснащения и качество изготовления аппаратуры. Значительный эффект в области автоматизации машин достигнут благодаря применению лазерных направляющих (УКЛ-1) /53, 101/.

Применение в качестве копирных СУ лазерных направляющих обеспечивало возможность круглосуточного эффективного использования ЦТЭ, повышение их эффективности и качества производимых работ. К таким системам относятся системы СКП-1,

17

САУЛ-1, УКЛ-1, УКЛ-2. Одной из типовых СУ по оптическому лучу является система УКЛ-1. В состав лазерной аппаратуры УКЛ-1 входят светоизлучатель, фотоприемник и блок выработки команд,

расположенный в кабине. Светоизлучатель формирует в пространстве световую плоскость, которая устанавливается под определенным углом, относительно горизонтальной плоскости. При попадании лазерного луча на фотоприемник последний преобразует световые сигналы в электрические, которые поступают на блок выработки команд. Сигналы с блока выработки команд поступают на электромагниты гидрораспределителя, управляющего положением РО /53/.

Отдельного рассмотрения заслуживает также система

«СУСТАВ», которую производит корпорация TOPCON. Основная идея использования системы «СУСТАВ» – определение положения и управление РО машины непосредственно в процессе выполнения земляных работ с целью переноса проекта на местность с максимально возможной точностью. Системы управления по принципу задания и использования проектной информации подразделяются на 2D и 3D. Системы 2D требуют закрепления на местности проектных направлений и плоскостей /106/.

При работе с системой 2D РО машины копирует проектную поверхность с определенным постоянным смещением по высоте относительно струны, плоскости лазерного луча или уже подготовленной поверхности /106/.

Недостаток систем 2D заключается в том, что выполнение работ возможно только на ограниченном участке и с необходимостью

18

привязки к струнам или лазерному копиру. Кроме того, затрачивается определенное время на установку и закрепление держателей и струн,

а значит, требуется их вынос на местность /106/.

Наиболее эффективными при производстве земляных работ в настоящее время являются 3D системы, которые лишены ограничений, присущих системам 2D. Машина, оснащенная такой системой, может свободно перемещаться по всей рабочей площадке,

формируя поверхность с погрешностью < 0,02 м в плане и по высоте,

обеспечивая необходимые уклоны. При этом работа может выполняться в любое время суток и в любую погоду. В настоящий момент корпорация TOPCON предлагает два типа 3D-систем: 3D LPS

и 3D GPS, использующих в качестве основных измерительных средств соответственно роботизированные электронные тахеометры и приемники сигналов спутников GPS+ГЛОНАСС /106/.

Системы 3D LPS обеспечивают наилучший контроль положения РО машины с погрешностью до нескольких миллиметров, но имеют ряд недостатков. Установленный на рабочем объекте тахеометр может одновременно следить за работой только одной машины в прямой видимости между ними. Ограничивается и общее количество машин на одной площадке, оснащенных системами 3D LPS,

поскольку каждой машине необходим дорогостоящий персональный тахеометр. Тем не менее сейчас это самый точный способ выполнения земляных работ. Для начала в бортовой компьютер загружаются данные рабочего проекта. Тахеометр устанавливается на объекте на известную реперную точку и ориентируется в пространстве. На РО закрепляется мачта со специальным отражателем кругового обзора. В

19

процессе работы тахеометр непрерывно отслеживает перемещения машины и измеряет координаты отражателя. Эти данные сравниваются с проектом и при необходимости вносятся корректировки в положение РО. Управление полностью берет на себя автоматика /106/.

Системы 3D GPS лишены недостатков тахеометрических систем.

Один базовый приемник обеспечивает одновременную работу на строительной площадке в диапазоне нескольких километров всего возможного парка машин и не требует прямой видимости, так как для передачи основной координатной информации используется радиоканал. Для обеспечения работы нескольких землеройных машин используется один общий базовый приемник GPS, устанавливаемый в точке с известными координатами, и бортовые приемники,

размещаемые в кабинах. Приемные антенны закрепляются на РО и соединяются с приемниками. Традиционный комплект системы 3D GPS, устанавливаемый на каждой машине, помимо приемника и бортового компьютера, включает датчик перемещения РО, датчики поперечного и продольного уклона, а также комплект гидравлических клапанов для конкретной модели машины. После установки компонентов системы на землеройную машину выполняются замер геометрических параметров и калибровка датчиков. Для функционирования системы 3D необходимо загрузить проект в цифровом виде в бортовой компьютер. Такой проект может быть подготовлен любой программой, формирующей трехмерную модель рельефа /106/.

Анализ СУ современных ЦТЭ показал, что они отвечают современным требованиям точности и успешно применяются при

20

строительстве инженерных сооружений. Данные СУ могут быть успешно применены на новых видах ЦТЭ.

Однако следует отметить, что СУ положением РО оснащаются в основном экскаваторы, предназначенные для строительства дренажных систем и ирригационных каналов. Также можно сказать,

что большинство известных СУ положением РО относятся к копирным системам. Автономные системы применяются крайне редко. В городских условиях на ЦТЭ общестроительного назначения СУ положением РО не используются, что ограничивает их применение при строительстве водоводов, канализации и т.п.

1.4. Обзор предшествующих исследований траншейных

экскаваторов

Общим вопросам совершенствования систем управления земле-

ройных и землеройно-транспортных машин были посвящены следующие работы: Т.В. Алексеевой /3, 4, 5, 6, 30, 42, 60/, В.Ф.

Амельченко /7, 92/, А.М. Васьковского /20/, В.С. Дегтярева /35, 36/,

В.П. Денисова /37/, В.Г. Зедгенизова /48, 64/, Ю.М. Княжева /51/, Б.Д.

Кононыхина /53, 54/, Э.Н. Кузина /58/, Е.Ю. Малиновского /70/, В.А.

Мещерякова /63/, В.Н. Тарасова /90/, А.М. Холодова /96/, В.С.

Щербакова /5, 6, 100, 101, 102, 103, 104/ и др.

Все вышеперечисленные работы можно условно разделить на 2

группы:

1)работы, направленные на повышение производительности ЗМ;

2)работы, направленные на повышение качества выполняемых

работ.

21

Ко второй группе относятся работы исследователей В.А.

Алексеева, Э.Н. Кузина, В.С. Щербакова и др. В этих работах представлены исследования, посвященные проектированию и совершенствованию СУ таких машин, как роторный траншейный экскаватор (Э.Н. Кузин), автогрейдер (Б.Д. Кононыхин, В.С.

Щербаков) и бульдозерный агрегат (В.А. Алексеев). Все эти работы направлены на повышение точности позиционирования РО, за счет чего достигаются требуемые геометрические параметры возводимого земляного сооружения.

Работа В.Г. Зедгенизова относится к первой группе, но посвящена, в частности, ЦТЭ, и поэтому должна быть рассмотрена. В

работе изучена проблема распределения мощности силовой установки между движителем машины и приводом РО, предложен коэффициент распределения мощности. Исследование носит в основном экспериментальный характер и представляет собой ценную информацию об основных процессах в динамической системе ЦТЭ, в

частности о взаимодействии скребкового РО с грунтом.

Работы Э.Н. Кузина посвящены машинам для прокладки подземных коммуникаций и в том числе траншейным экскаваторам.

Автор рассмотрел и описал основные причины возникновения ошибки позиционирования РО в пространстве.

Б.Д. Кононыхин разработал и исследовал лазерные СУ положением РО автогрейдеров, описал динамику процесса управления РО.

В работе В.С. Щербакова рассмотрены и описаны математические модели машин с разным расположение РО: перед

22

машиной, в базе машины и за машиной, выведены теоремы и следствия, раскрывающие планировочные свойства машин. В работе также предложены в качестве критериев эффективности коэффициенты сглаживания – отношение среднеквадратичного отклонения микрорельефа до и после прохода машины.

Анализ работ, посвященных совершенствованию СУ землеройных машин, показал, что основным направлением совершенствования таких систем является снижение неуправляемых перемещений РО. При этом необходимо учитывать как неуправляемые перемещения машины, вызываемые воздействием микрорельефа на ходовое оборудование, так и управляемые перемещения подъема-опускания РО.

1.5. Анализ и обоснование критериев эффективности рабочего

процесса цепных траншейных экскаваторов

Под эффективностью рабочего процесса любой землеройной машины понимается нормированный по отношению к затратам материальных ресурсов результат действия машины на определенном интервале времени /47/.

При формировании показателей эффективности необходимо,

чтобы они обеспечивали /47/:

отражение влияния на эффективность машины всего многообразия факторов: технических параметров, эксплуатационных

ипроизводственных условий и т.д.;

получение обоснованных рекомендаций для выбора рациональных технических параметров машины и ее СУ,

23

совокупность которых определяет ее технико-экономическую эффективность.

Кроме того, показатели эффективности должны удовлетворять

следующим требованиям /47/:

-иметь технико-экономическую основу;

-соответствовать цели, достигаемой в результате применения оборудования;

-иметь иерархическую структуру, обеспечивая включение частных показателей в более общие.

Для оценки эффективности ЦТЭ целесообразно использовать

систему показателей, сформулированных на базе такого обобщенного показателя, как приведенные удельные затраты, который с учетом

соответствующих ограничений наиболее полно отвечает

рассмотренным требованиям и позволяет оценить эффективность ЦТЭ как в сфере производства, так и в сфере эксплуатации /47/.

Приведенные удельные затраты на единицу продукции /47/

где сУД = СМС / ПСМ – себестоимость единицы продукции; СМС –

себестоимость машиносмены; ПСМ – эксплуатационная

производительность машины в смену; kУД = Ц / ТСМ ПСМ – удельные капитальные затраты, т.е. сумма производственных основных фондов на единицу годового выпуска продукции; Е – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, характеризующий средний размер экономии от снижения себестоимости продукции,

приходящийся на

1 руб. дополнительных капиталовложений; Ц – расчетная стоимость машины; ТСМ – число смен работы машины в году в соответствии с установленным режимом работы.

24

Для показателей эффективности характерна иерархическая структура построения с точки зрения охвата параметров,

определяющих протекание процесса с включением частных показателей более низкого уровня в более общие (табл. 1.2) /47/.

Показатель первого уровня применяется для оценки комплексов систем и машин, если известно, что коэффициенты удельных приведенных затрат для сравниваемых объектов существенно разнятся /47/.

Показатель второго уровня применяется для тех же целей, что и показатель первого уровня, но при условии, что для нового объекта коэффициенты приведенных затрат на эксплуатацию и основные фонды незначительно отличаются от эталонных /47/.

Показатели третьего уровня оценивают основные группы подсистем РП ЦТЭ. При этом важнейшим показателем является эксплуатационная производительность, так как все показатели более высокого уровня не могут быть определены без известного значения этого показателя /47/.

Таблица 1.2

Система моделей для оценки эффективности землеройных машин и

отдельных рабочих процессов /47/