Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

434

В это же время нижнее окно 4 окажется приоткрытым для слива жидкости из нижней части цилиндра. В результате этого давление в верхней и нижней камерах станет различным, и на поршень механизма 5 будет действовать сила, пропорциональная разности этих давлений.

То же самое произойдет и при перемещении поршня золотника вниз, только

вэтом случае выходное усилие механизма будет действовать в противоположном направлении. Специальным профилем окон золотника можно обеспечить в рабочей области достаточно равномерную зависимость между величиной входного воздействия на шток золотника и усилием исполнительного механизма. Подобные усилители позволяют получать коэффициенты усиления 1000 и более, а усилия – тысячи ньютонов.

На рис. 10. 44, б показан усилитель со струйной трубкой. Конец струйной трубки 6 может легко смещаться. В трубку подается рабочая жидкость под давлением Р1 (несколько атмосфер). На небольшом расстоянии от конца струйной трубки располагаются два приемных канала 7.

Струя жидкости выходит с большой скоростью из струйной трубки и попадает в приемные каналы, где кинетическая энергия струи переходит в потенциальную, и давление в приемных каналах повышается до начального.

При нейтральном положении трубки давление в верхней и нижней камерах цилиндра механизма одинаково. Если же под действием внешнего усилия конец струйной трубки сместится вверх, то давление в верхнем канале станет больше, а в нижнем — меньше, вследствие чего давление жидкости в верхней камере цилиндра также станет больше, чем в нижней. В результате на поршень цилиндра механизма будет действовать сила, пропорциональная разности этих давлений.

Струйная трубка реагирует на очень небольшие перемещения (несколько десятков микрон). При значительных перемещениях усилие имеет релейный характер. Коэффициент усиления со струйными трубками может быть получен еще выше, чем у усилителя с золотником.

Управление давлением газа или жидкости может осуществляться также с помощью сопла и заслонки (рис. 10. 44, в), которые особенно часто используют

впневматических усилителях.

Рассмотрим работу подобного устройства. В трубку 1 нагнетается воздух. Через сопло 9, которое может прикрываться заслонкой 10 , воздух выходит наружу. При изменении положения заслонки меняется сопротивление истечению воздуха через сопло и в результате этого меняется давление за дросселем 11. Подбор профиля заслонки позволяет получить линейную зависимость между положением заслонки и давлением в камере исполнительного устройства 12.

Подобные усилители обладают большой чувствительностью: небольшие усилия, перемещающие заслонку, преобразуются в значительные усилия, перемещающие регулирующие органы.

435

Недостатками гидравлических и пневматических усилителей являются большая инерционность, ограниченность дистанционного действия и необходимость иметь иногда специальные компрессорные установки.

Контрольные вопросы по десятой главе. 1. Как классифицируются датчики контроля и регулирования ? 2. Что следует учитывать при использовании датчиков ? 3. Что из себя представляет бесконтактный концевой выключатель ? 4. Покажите схему включения сельсинов. 5. Из каких элементов состоит манометрический чувствительный элемент ? 6. Принцип действия термоэлектрических преобразователей. 7. Разновидности элементов давления. 8. Показать группу датчиков, наклеенных в «розетку». 9. Особенности чувствительных элементов расхода и количества вещества. 10. Для измерения уровня жидкости различают приборы. 11. Какие усилители применяют для усиления сигнала ? 12. Как реализуется логическая операция ? 13. Представьте схему диодного элемента «ИЛИ». 14. Показать схему моста постоянного тока.14. Чем отличается равновесный мост от неуравновешенного ? 15. Как работает логометр ? 16. Что представляет собой гидравлический усилитель ?

11.АВТОМАТИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ

МАШИН

11.1. Цель и задачи автоматизации машин

Потребность в применении микропроцессорной техники и роботов в строительстве вызвана рядом причин: возрастающим дефицитом кадров механизаторов, занятых на строительных работах; повышенной опасностью многих строительных работ; тяжелыми условиями труда операторов дорожно-строительных машин; сложностью управления машинами, не позволяющей обеспечить высокие качество работ и производительность труда.

Большинство машин является источником опасных уровней шумов и вибраций. При этом средняя амплитуда ускорения рабочего места оператора в вертикальном направлении при движении машины в 2 раза выше, чем при движении грузового автомобиля, а амплитуда ускорения рабочего места при движении грузового автомобиля в 3…4 раза выше, чем при движении легкового автомобиля.

Операторы одноковшовых экскаваторов при копании грунта и загрузке машин в основном выполняют монотонно повторяющиеся операции, состоящие из 12 элементов, средняя длительность которых 24 с. За смену оператор выполняет более 350 таких операций; при этом число необходимых включений и выключений муфты сцепления многих дорожно-строительных машин в 2…3 раза превышает число включений и выключений муфты сцепления автомобилей, работающих в городе.

Подобные условия работы операторов дорожно-строительных машин являются причиной их быстрой утомляемости и профессиональных заболеваний, что отрицательно влияет на качество работ и производительность труда. Для устранения указанных недостатков, которые усугубляются с усложнением конструкций современных машин, с повышением их скоростей и рабочих нагрузок,

436

необходимо внедрить средства автоматизации. Основными задачами автоматизации машин являются следующие:

1.Повышение производительности труда и высвобождение рабочей силы на основе внедрения прогрессивных строительных технологий и сокращения продолжительности операций рабочего цикла;

2.Повышение качества работ путем повышения точности установки рабочих органов и постоянного слежения и корректировки их положения в процессе ;

3.Улучшение условий труда оператора путем автоматизации часто повторяющихся операций и освобождения оператора от больших физических нагрузок;

4.Повышение безопасности труда при работе в неблагоприятных и опасных условиях путем дистанционного управления машиной и ее рабочим оборудованием, а также установки датчиков и контрольно-предохранительных устройств на базе микрокомпьютеров, сигнализирующих о приближении опасных ситуаций и блокирующих привод машины при перегрузках и неисправностях;

5.Повышение надежности машин и рабочего оборудования путем оптимизации силовых и скоростных режимов работы привода и информации оператора о состоянии систем и агрегатов машины;

6.Повышение экономической эффективности работы машин благодаря оптимальному использованию мощности двигателя, созданию оптимальных условий сгорания топлива в двигателе, а также более экономичному расходу строительных материалов при производстве планировочных работ, бетонировании сооружений и других видов работ.

Автоматизация систем управления и контроля за работой машин. Систе-

мы автоматизированного управления и контроля выполняют функции управления приводом машины путем постоянного сравнения фактических характери-

стик и параметров машины и ее рабочего оборудования с оптимальными характеристикам и параметрами, запрограммированными в памяти микрокомпьютера. С помощью такой системы может осуществляться управление моментом искрообразования для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя, либо управления экономайзером, через жиклер которого топливо подается в смесительную камеру карбюратора, откуда обогащенная смесь поступает в цилиндры двигателя.

Все большее распространение получают компьютерные системы, управляющие вращающим моментом и скоростью движения машины путем воздействия на ее коробку передач. Автоматический выбор и переключения передач в этих машинах основывается на показаниях датчиков, расположенных на валу двигателя и на выходном валу коробки передач. Эти датчики воспринимают изменение нагрузочных и скоростных режимов работы двигателя и трансмиссии и в виде входных сигналов передают эту информацию компьютеру. Поступающие в компьютер входные сигналы сравниваются с запрограммированным аналогом и уже в виде выходных сигналов-команд через усилители сигналов поступают к магнитным переключателям передач, которые непосредственно

437

осуществляют переключение передач, соответствующей в данный момент времени оптимальному режиму работы машины.

На рис. 11.1 показана схема автоматического переключения передач на базе компьютера. В этой схеме микрокомпьютер 4 обрабатывает данные, поступающие от индукционных датчиков частоты вращения насосного и турбинного колеса гидротрансформатора. При достижении предельного значения скольжения гидротрансформатора выдается команда на переключения передач, чем обеспечивается оптимальное согласование характеристик двигателя, трансмиссии и дорожных условий.

Схема электронного управления приводами машин обычно одинаковы для всех машин данного типа, но программы различны для каждого типа размера. В таких системах предусматривается возможность переключения программ при изменении условий работы.

Челябинским заводом дорожных машин им. Колющенко по проекту ВНИИСтройдормаш начат серийный выпуск автоматизированного скрепера с лазерной установкой. Этот скрепер используется для планировки земляных площадей, требующей особой точности выполнения работ (с погрешностью 3 см). Лазерная установка, предназначенная для дистанционного управления высотным и угловым положением рабочего органа (ковша), состоит из двух частей: лазерного передатчика (излучателя), установленного неподвижно на местности в некоторой точке с известной высотной отметкой, и приемного устройства, размещенного на ковше скрепера. Излучатель создает оптическую опорную плоскость, которая может быть горизонтальной или наклонной.

Рис.11.1. Схема автоматического переключения передач на базе компьютера: 1−педаль отключения; 2−блок переключения передач;3−колодка питания; 4− микрокомпью-

тер; 5,7, 8, 9 − кабели; 6 − гидромеханическая коробка передач

Приемное устройство состоит из фотоэлектрического датчика (индикатора) и опоры, на которой установлен датчик; высотное положение фотоэлектриче-

438

ского датчика в пределах от 0 до 200 мм задается дистанционно при помощи задатчика с пульта управления. Лазерный излучатель и фотоэлектрический датчик устанавливают таким образом, чтобы лазерный луч, имеющий заданный уклон, попадал в рабочую зону фотоэлектрического датчика.

На рис.11.2 показана схема автоматической системы управления рабочим оборудованием скрепера с лазерной установкой. Приемное устройство связано кабелями с золотником гидравлического распределителя рабочего оборудования и вместе с ним образует следящую систему, т.е. такую систему, которая автоматически устраняет возникающее рассогласование между входными сигналами, поступающими в виде внешних воздействий со стороны разрабатываемого грунта или материала на рабочий орган машины, и выходными сигналами, поступающими в виде управляющих воздействий на рабочий орган со стороны гидрораспределителя, непосредственно осуществляющего перемещение рабочего органа.

При движении скрепера по неровностям изменяется его положение и соответственно положение фотоэлектрического датчика относительно опорной плоскости лазерного луча, что вызывает рассогласование. В момент попадания луча на фотоэлектрический датчик возникают импульсы, передающиеся на логическое устройство. Последнее определяет знак отклонения рабочего органа от заданного положения и включает электромагнит золотникового гидрораспределителя, подающего рабочую жидкость к гидроцилиндрам подъема ковша скрепера, с помощью которых изменяется его положение до устранения рассогласования. Аналогичной лазерной установкой можно оборудовать бульдозеры.

Рис.11.2. Схема автоматической системы управления рабочим оборудованием скрепера с лазерной установкой:

1−лазерный излучатель; 2−фотоэлектрический датчик приемного устройства; 3−лазерный индикатор; 4−пульт управления; 5−блок перегрузки; 6−электрогидравлические исполнительные механизмы (реверсивные золотники) управления приводом ковша и задней стенкой ковша; 7− датчики управления задней стенкой ковша; 8−датчик частоты вращения; 9− датчик углового положения ковша; 10−опора приемного устройства

В этом случае фотоприемник непосредственно устанавливают на отвале,

439

т. е. он выполняет роль датчика фактического положения отвала. Команды на соответствующие перемещения отвала через гидрораспределитель передаются гидроцилиндрам подъема-опускания отвала.

Описанные микропроцессорные системы выполняют основные функции. Одна из них состоит в оптимизации режимов работы привода машины, что позволяет снизить нагрузки на элементы привода и металлоконструкцию рабочего оборудования, уменьшить износ деталей двигателя и трансмиссии, сократить расход топлива и путем оптимизации скоростных режимов и максимального использования возможности машины без чрезмерного физического напряжения оператора повысить производительность труда. Вторая функция микропроцессорных систем состоит в постоянном контроле за состоянием и работой узлов и агрегатов машины, что способствует повышению ее надежности и безопасности. Третья функция – обеспечение точности и высокого качества выполняемых работ. Применяемые автоматические системы могут быть рассчитаны на выполнение либо одной функции, либо двух-трех одновременно.

Отметим особенности применения и задачи автоматизации таких грузоподъемных машин, как строительный подъемник и кран. Строительные подъемники применяются при производстве строительно-монтажных или ремонтных работ, когда использование подмостей и кранов становится нецелесообразным и затруднительным. Подъемники бывают грузовые и грузопассажирские; мачтовые, шахтные и скиповые.

Мачтовый грузопассажирский подъемник используется для подъема рабочих и строительных грузов при строительстве зданий повышенной этажности. Шахтные подъемники применяются, главным образом, для перемещения бетонной смеси, растворов и сыпучих материалов. Скиповыми подъемниками также оснащаются машины, используемые для приготовления бетонных смесей и растворов.

Системы автоматического управления работой строительных подъемников относительно просты и предусматривают, в основном, автоматизацию отдельных операций. Находят применение системы автоматического управления работой строительных подъемников с автоматическим адресованием грузов.

Автоматизация работы строительных подъемников решает задачи повышения производительности указанных видов строительных работ, улучшения условий труда обслуживающего персонала и сокращения его численности.

К машинам с вертикальным перемещением грузов относятся также лифты, что обусловливает аналогию в принципах построения систем автоматического управления работой указанных машин.

Кран является более распространенной машиной, применяемой на строительстве. С помощью кранов выполняются основные вертикальные и горизонтальные перемещения грузов и наиболее ответственные установочномонтажные операции. Большое распространение на объектах строительства получили башенные краны и самоходные стреловые краны, а на складах и в цехах производственных предприятий – мостовые и козловые краны.

440

Кран как объект автоматизации состоит из комплекса механизмов, отличающихся по назначению, мощности и конструктивному исполнению. Наиболее ответственными являются механизмы подъема и опускания грузов, а также механизмы перемещения груза в горизонтальной плоскости. К приводу этих механизмов предъявляется ряд требований: реверсивность, возможность большого диапазона изменения нагрузки и регулирования скорости движения, надежное и плавное торможение, специфический вид механических характеристик.

Степень автоматизации работы кранов может быть также различной. Широкое применение для кранов получили системы с частичной автоматизацией управления, когда автоматизация работы крана ограничивается выполнением отдельных операций после подачи команды машинистом. Таковы, например, операции по плавному автоматическому уменьшению скорости перед остановкой и по обеспечению точной посадки груза.

При выполнении операций по управлению машинист быстро утомляется, в результате чего производительность крана снижается. Так как человек может получить и переработать только определенное количество информации, важнейшей задачей, стоящей перед автоматическими системами управления краном, является снижение интенсивности потока информации, поступающей к машинисту.

Одним из методов решения такой задачи является использование систем дистанционного управления краном, позволяющих максимально приблизить машиниста к месту производства технологической операции (например, при работах с крупногабаритными изделиями), что одновременно улучшает видимость, повышает надежность и точность выполнения работ. Дистанционное управление необходимо и в том случае, когда по условиям работы (например, работа со взрывоопасными материалами) машинист должен находиться на определенном расстоянии от транспортируемого груза.

Другим методом решения задачи снижения потока информации, поступающей к машинисту, является разработка систем автоматического управления по заданной программе. Современные технологические процессы нуждаются в таких автоматических системах управления, которые могут изменять свою программу в соответствии с условиями работы и требованиями технологии. При этом программа должна задаваться не только в функции времени (так как при этом происходит неизбежное накопление ошибки), но и в функции положения рабочих элементов крана. Для осуществления программного управления применимы различные способы, простейшим из которых является введение программы путем установки электромеханических выключателей, действующих по мере выполнения тех или иных технологических операций. Этот способ программирования достаточно прост и надежен. Однако если условия работы и программа должны изменяться, этот способ программирования оказывается неудовлетворительным.

441

При другом способе программирования задание программы производится записью на магнитную ленту. Данный способ обеспечивает относительную простоту перестройки программы, но не лишен недостатков, таких, например, как необходимость коррекции появляющейся нарастающей ошибки.

При наличии типичных программ целесообразен способ задания программы с помощью перфокарт с использованием различных способов считывания. Отметим особенности задач автоматизации применительно к отдельным типам кранов. В автоматических системах управления башенными кранами, выполняющими работу по монтажу полносборных сооружений, находят применение системы программного управления с автоматическим адресованием транспортируемых грузов к месту назначения. Применение таких систем управления значительно ускоряет процесс доставки грузов и уменьшает число рабочих, занятых на транспортировке.

При решении вопросов автоматизации работы самоходных стреловых кранов, представляющих собой сложный комплекс одновременно работающих приводов, одним из исходных положений при проектировании систем управления является оптимальная скоростная диаграмма разгона и замедления, а также обобщающий параметр этой диаграммы—рывок. Оптимальная скоростная диаграмма обеспечивает максимальную производительность крана и ограничивает динамические нагрузки в его механизмах. Обеспечение оптимальной величины рывка снижает раскачивание груза при вращении поворотной платформы и время его установки.

Допустим, что кран имеет четыре рабочих движения: передвижение крана, подъем-опускание груза, поворот, подъем-опускание стрелы. Основная задача автоматической системы управления – создать оптимальный общий цикл этих операций. Для этого система управления должна произвести поиск оптимального соотношения между скоростями совмещенных рабочих движений (условие: быстродействие и кратчайший путь), найти оптимальное время включения исполнительных механизмов с минимальным рывком, обеспечить оптимальный режим работы в целях ограничения амплитуды колебаний груза на канате и динамических перегрузок в отдельных звеньях конструкции крана, определить точки включения и выключения механизмов в цикле, при которых обеспечивается наибольшая производительность крана, и т. д. Для оптимизации цикла в системе в сложных случаях необходимо включать счетно-решающие устройства или цифровые вычислительные машины для координирования операций, совершаемых в цикле.

Мостовые и козловые краны, применяемые на складах и в цехах производственных предприятий, в большинстве случаев выполняют работу в течение части рабочего времени. Это обусловливает необходимость систем автоматизации с вызовом крана и адресованием груза в определенное место. Для кранов, предназначенных обслуживать склады и цехи со специфическими условиями работы (повышенной температурой, запыленностью и т. п.), должно быть предусмотрено дистанционное управление.

442

Системы программного управления применяются при использовании крана в определенном технологическом цикле. При этом в системах с жесткой программой кран совершает строго установленную последовательность движений. В более совершенных системах применяются устройства с записью программы на магнитную ленту, используемые в комплексе с селектором, обеспечивающим изменение программы. В системах с координатным программированием пути перемещения программа набирается с помощью номеронабирателя и хранится в запоминающем устройстве. В комплексных автоматических системах управления технологическими процессами команды управления мостовыми кранами вырабатываются электронными вычислительными машинами.

С разработкой автоматизированных систем управления производством и технологическими процессами значительно возрастает роль погрузочноразгрузочного, транспортного и складского оборудования. Эффективность по- грузочно-разгрузочных работ во многом определяется производительностью контейнерных и грейферных кранов, зависящей от степени автоматизации их работы. Наиболее рациональной является система программного управления. В системах числового программного управления (ЧПУ) поступающая информация выражается в числовой форме в отличие от систем циклового программного управления (ЦПУ), где пути перемещения рабочих органов задаются настройкой упоров, воздействующих на путевые выключатели. При этом для систем ЧПУ кранами используются те же устройства, которые применяются для систем ЧПУ станками, а так как к системам управления станками предъявляются более высокие требования, применение тех же устройств в системах управления кранами позволяет иметь значительный резерв в отношении точности и надежности. Устройства ЧПУ с использованием малых вычислительных машин во многих случаях заменяют обычные системы программного управления.

В приведенных ниже конкретных решениях средств автоматизации работы строительных машин следует различать указанные выше классификационные признаки систем автоматического управления и особенности задач автоматизации применительно к изучаемым типам строительных машин, определяемые технологическими задачами производства.

Системы с частичной автоматизацией управления. В системах с частичной автоматизацией используются главным образом релейно-контакторные аппараты, управление которыми производится с помощью контроллеров, конечных и путевых выключателей, кнопок в маломощных цепях управления катушками аппаратов.

Мачтовый грузопассажирский подъемник состоит из мачты головки с блоками, кабины, будки машинного отделения и этажных площадок. Электроаппаратура управления, лебедка и ограничитель скорости размещаются в будке машинного отделения. С целью безопасности работы подъемник снабжен ловителями, удерживающими кабину при обрыве троса. Система управления обеспечивает также световую и звуковую сигнализацию.

443

Системы автоматического управления работой строительных подъемников строятся с учетом опыта автоматизации лифтов применяемых в период эксплуатации зданий, что обусловливает целесообразность их рассмотрения. Ниже приведена схема рычажного управления тихоходным грузовым лифтом с асинхронным короткозамкнутым двигателем (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Схема управления грузовым лифтом