Строительные и дорожные машины. Основы автоматизации

464

помощи переключателя 1П устанавливаются соответствующие рабочие режимы.

На рис. 11.16 приведена схема управления автогрейдером, обеспечивающая связь загрубления рабочего органа машины со степенью буксования. Датчики угловых частот вращения Г11 и Я2 соединены с ведущим и ведомым колесами. Сигналы с чувствительных элементов поступают в дифференциальнотрансформаторный преобразователь. В соответствии с сигналом рассогласования включается обмотка реле РЗ (запаздывание) или РП (опережение) в зависимости от степени отклонения от заданного режима и срабатывает механизм подъема или опускания.

Рис.11.16. Принципиальная схема управления автогрейдером по степени буксования

Когда токи в левой и правой частях схемы равны (сигнал от П1 равен сигналу от Л2), то РЗ и РП не включаются. Меняя величину конденсатора С2 с помощью соответствующего переключателя, можно ступенчато задавать режим работы. Чтобы регулятор не реагировал на кратковременное изменение сопротивления грунта, предусмотрена задержка срабатывания. В цепь включена емкость Сз, которая должна зарядиться прежде, чем ток пройдет через триод и реле.

Грейдер-элеватор является самоходной длиннобазовой машиной. Как отмечалось выше, для таких машин целесообразно применение автоматизированного регулируемого привода типа «мотор — колесо». При этом одной из основных задач автоматизации будет являться согласование механических характеристик колесных двигателей и дизеля с целью обеспечения потребления от дизеля заданной мощности. Особенности использования дизель-электрических трансмиссий для землеройно-транспортных машин будут рассмотрены ниже применительно к скреперу.

465

11.3. Автоматизация землеройно-транспортных машин циклического действия

Основной операцией рабочего цикла, которая в большей мере, чем другие операции, определяет эффективность работы скрепера, является резание грунта. Необходимость автоматизации операции резания объясняется также ее трудоемкостью — от 30 до 50% всех переключений рычагов управления приходится на эту операцию. В рабочем режиме машинист стремится привести силы сопротивления резанию грунта в соответствие тяговым возможностям машины. Последние при высоких сцепных качествах машины определяются мощностью двигателя. Так как по мере внедрения ковша в грунт двигатель будет все более нагружаться, а по мере его выглубления разгружаться, в основу построения автоматической системы управления операцией резания может быть положен принцип стабилизации нагрузки от сил сопротивления резанию путем изменения толщины срезаемой стружки по мере наполнения ковша скрепера. Измерение нагрузки двигателя может производиться непосредственно (измерением величины усилия или момента) или косвенным путем (измерением скорости вращения двигателя). Последнее обеспечивает более простое исполнение системы управления, хотя и не лишено ряда недостатков (например, инерционность датчика, чувствительным элементом которого является сам двигатель).

Рассмотрим особенности автоматизации работы скрепера с дизельэлектрической трансмиссией. Упрощенная схема такой трансмиссии применительно к системе постоянного тока приведена на рис. 11.17.

Рис. 11.17. Упрощенная схема дизель-электрической трансмиссии скрепера: 1−дизель; 2 − генератор переменного тока; 3, 9, 10, 16, 17 − обмотки возбуждения; 4 − тиристорные преобразователи; 5 − тяговый генератор постоянного тока;

6, 7, 11 − блокирующие устройства; 8, 12, 13, 14 − электродвигатели

Дизель 1 приводит во вращение тяговый генератор постоянного тока 5. От тягового генератора питаются электродвигатели, встроенные в колеса передней оси 8 и 13 и задней оси 12 и 14. Генератор и двигатели имеют независимые обмотки возбуждения (соответственно 3 и 9, 10, 16, 17), питаемые от дополни-

466

тельного синхронного генератора 2 через управляемые тиристорные преобразователи 4. В тяговом режиме работы машины производится автоматическое регулирование напряжения генератора путем воздействия на цепь обмотки возбуждения 3 таким образом, что с ростом тока, потребляемого электродвигателями, напряжение генератора уменьшается, изменяясь при этом обратно пропорционально току нагрузки.

Таким образом, тяговый генератор имеет гиперболическую внешнюю характеристику U (I), а так как произведение UI = Р = const, то от дизеля отбирается постоянная мощность. За счет обратных связей токи в обмотках возбуждения двигателей пропорциональны токам якорной цепи, и двигатели имеют механическую характеристику (Мс), также близкую к гиперболе. При этом частота вращения якоря двигателей (скорость движения скрепера) и момент нагрузки почти обратно пропорциональны, а мощность двигателя приблизительно постоянна ( Мс = const).

При использовании системы переменного тока в качестве тяговых электродвигателей могут быть применены асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, отличающиеся простотой конструкции, надежностью в эксплуатации и имеющие меньшую массу. Наиболее перспективна система переменного тока со статическими преобразователями частоты. В этом случае регулирование частоты вращения электродвигателя производится изменением частоты (и напряжения) питающей сети. Как и в системах постоянного тока, механическая характеристика электродвигателя должна быть близка к гиперболической, что достигается наличием соответствующих обратных связей.

Эффективное использование бульдозера на строительных работах также определяется обеспечением стабилизации нагрузки двигателя и качества обрабатываемой поверхности.

Автоматическая система стабилизации угла наклона отвала бульдозера унифицирована с системой управления рабочим органом автогрейдера и состоит из аппаратуры автоматики (рис. 11.18) и гидравлической системы.

В аппаратуру автоматики входят блок управления I, пульт управления II, датчик углового положения III и реверсивный золотник IV.

Блок управления I установлен в кабине машиниста. Он служит для задания требуемого угла продольного уклона и преобразования сигнала датчика в команду, которая подается на электромагниты реверсивного гидрозолотника. Пульт управления II обеспечивает кнопочное дистанционное управление подъемом и опусканием отвала бульдозера. Датчик углового положения III с поворотным устройством расположен в защитном кожухе на толкающем брусе (раме) бульдозера вблизи поворотной цапфы и представляет собой маятник, соединенный с подвижным контактом потенциометра. Величина сигнала датчика пропорциональна его угловому отклонению от заданного положения относительно рабочего органа, на котором он установлен. Реверсивный золотник расположен на задней стенке корпуса бортовых фрикционов трактора, служит для управления гидроприводом перемещения рабочего органа.

467

Рис. 11.18. Аппаратура автоматики системы стабилизации угла наклона отвала бульдозера

Принцип работы системы стабилизации состоит в том, что при отклонении отвала от заданного углового положения датчик выдает сигнал, поступающий после усиления на один из электромагнитов гидрозолотника, в результате чего обеспечивается возвращение отвала в первоначальное положение.

11.4. Автоматизация работы экскаваторов непрерывного действия

Одним из наиболее трудоемких видов работ, выполняемых с помощью экскаваторов непрерывного действия, является копание траншей и каналов с планировкой дна по заданному продольному уклону, обеспечивающему работоспособность трубопроводов, дренажных устройств и гидротехнических систем. При выполнении этих работ машинист должен непрерывно следить за положением рабочего органа, регулировать глубину копания и удерживать экскаватор в створе заданной трассы, что приводит к его быстрому утомлению, снижению производительности и качества работы.

Указанные обстоятельства определяют необходимость автоматизации процесса выдерживания экскаватором заданных продольных уклонов дна траншей (каналов). Системы автоматического управления могут быть выполнены с заданием уклона дна по местности и с программным заданием движения рабочего органа в функции времени или пройденного пути.

На экскаваторах с автоматическим регулированием глубины копания по проволочному (канатному) копиру или оптическому лучу, направленному вдоль траншеи с заданным углом (рис. 11.19), на раме рабочего органа 1 устанавливается кронштейн 4, к точке А которого отвесно подвешен датчик 8 с контактным устройством 5. Копир а-а натягивается между стойками 2 на опреде-

468

ленном расстоянии от дна траншеи в-в. Это расстояние («постоянная экскаватора» К) при работе должно оставаться неизменным.

Рис. 11.19. Система автоматического управления глубиной копания траншейного экска ватора: 1− рабочий орган; 2 − стойка копира; 3 − датчик; 4 − кронштейн;

5 − контактное устройство датчика

Система автоматического управления обеспечивает поддержание такого положения рабочего органа, при котором ни один из контактов не замкнут, а копир находится в зоне нечувствительности контактного устройства. Это положение является равновесным для системы.

При нарушении равновесия вследствие действия внешних возмущений копир замыкает один из контактов, чем вызывает срабатывание соответствующей аппаратуры автоматики и восстановление равновесия.

Нагрузка рабочего органа экскаваторов, предназначенных для рытья траншей и каналов, имеет неравномерный характер, обусловленный как конструктивными особенностями и назначением машины, так и внешними природными условиями. Такова, например, неравномерность нагрузки, определяемая выходом очередного ковша из зацепления с грунтом, изменением положения рабочего органа (в том числе с целью поддержания заданного уклона дна), обрушением грунта на рабочий орган и т. д.

Изменения нагрузки, обусловленные внешними природными условиями, носят вероятностный характер и определяются, например, наличием различных включений в почве, изменением категории грунта, рельефа местности, растительного покрова и другими причинами. Кроме нагрузки, величина которой не приводит к нарушению непрерывной работы машины, имеет место нагрузка аварийного характера, сопровождающаяся срабатывнием соответствующей защиты и вынужденной остановкой машины (например, при встрече ковша с непреодолимым препятствием). Повторный пуск исполнительных механизмов экскаватора обычно затруднен (ввиду наличия, например, грунта в ковшах рабочего органа) и требует ряда дополнительных вспомогательных операций (освобождение ковшей от грунта и т. д.) с затратой значительного времени.

Имеющие место на практике отклонения нагрузки от некоторого заданного значения и наличия аварийных нагрузок приводят к недоиспользованию установленной мощности двигателя и снижению производительности машины, что может быть в значительной мере устранено выравниванием нагрузки и предот-

469

вращением аварийных остановок как путем улучшения конструкции машин, так и автоматическим регулированием скоростей основных рабочих движений.

Принимая во внимание, что мощность, потребляемая рабочим органом землеройной машины, составляет основную часть мощности силовой установки и определяется как поступательной скоростью движения экскаватора, так и скоростью резания, наиболее рационально применение совместного регулирования указанных скоростей. Техническое решение такой задачи достаточно сложно. В то же время плавное регулирование только скорости движения может значительно повысить эффективность использования машины и увеличить ее производительность. При этом, когда, например, рабочий орган недогружен (сопротивление грунта копанию незначительно), необходимо увеличить скорость движения траншейного экскаватора и толщину срезаемой «стружки», увеличив тем самым нагрузку рабочего органа. Если сопротивление грунта копанию увеличивается настолько, что нагрузка, потребляемая рабочим органом, а следовательно, и двигателем (например, дизелем), превышает заданную, скорость движения экскаватора необходимо уменьшить, уменьшив тем самым толщину «стружки» и разгрузив за счет этого рабочий орган.

Экскаваторы непрерывного действия имеют различные типы приводов; механический, гидравлический и электрический. В экскаваторах с гидроприводом рабочие скорости движения выдерживаются автоматически при помощи дрос- сель-регуляторов, изменяющих скорость движения в зависимости от величины нагрузки рабочего органа (рис. 11.20).

Дроссель-регулятор 16 состоит из плунжера 14 и связанного с ним дроссельного золотника 15, уравновешенного регулируемой пружиной. С увеличением нагрузки рабочего органа и давления в магистрали плунжер с гидрозолотником сдвигаются, дросселируя при этом поток жидкости, подаваемой насосом 8 к ходовым магистралям. При значительном увеличении давления в магистрали (например, при встрече рабочего органа с непреодолимым препятствием) гидрозолотник перекрывает окна подачи жидкости к гидромоторам 20 и 22 ходовых механизмов, и экскаватор останавливается.

В гидропривод экскаватора входит также регулятор 10, стабилизирующий частоту вращения вала дизеля в рабочем режиме. Он состоит из дросселя 11, обратного клапана 12 и гидроцилиндра 13, шток которого сблокирован с рейкой топливного насоса дизеля и золотником гидрораспрелелителя 3. Дроссель регулируется на определенную подачу насоса 8, соответствующую оптимальной частоте вращения вала дизеля. При этом весь поток жидкости проходит через дроссель, и разность давления в полостях цилиндра не оказывает действия на поршень, который остается в покое.

При увеличении частоты вращения вала дизеля увеличивается подача жидкости и повышается давление в напорной магистрали перед дросселем. Поток жидкости от насоса при возросшем сопротивлении со стороны дросселя направляется в обход через клапан 12, чем выравнивает давление в обеих полостях цилиндра.

470

Рис. 11.20. Схема гидропривода траншейного экскаватора:

1, 8, 18 – насосы постоянной производительности; 2, 3, 4, 17, 19, 21, 23 – гидрораспределители; 6, 7 – гидромоторы рабочего органа; 9 – трубопровод подъема рабочего органа; 10 – регулятор оборотов дизеля; 11 – дроссель; 12 – обратный клапан; 13 – гидроцилиндр; 14 – плунжер; 15 – дроссель-золотник; 16 – дроссель-регулятор; 20, 22 – гидромоторы

привода хода

Поршень перемещается вверх, ограничивая подачу топлива и снижая частоту вращения вала дизеля. Одновременно снижается подача жидкости в гидромоторы 6 и 7.

Для траншейных экскаваторов с электрическим приводом рабочих механизмов автоматическое регулирование скорости движения может осуществляться за счет обратной связи по нагрузке электродвигателя рабочего органа, В такой системе для электрического привода рабочего органа наиболее рационально применение простого по исполнению и надежного в эксплуатации асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, а для привода механизма передвижения — двигателя постоянного или переменного тока с различной системой управления (например, тиристорный привод). Рассматривая вопросы автоматизации процессов поддержания заданной величины нагрузки и ограничения аварийных перегрузок рабочего органа, необходимо правильно представлять характер нагрузки, регулирование которой возможно за счет соответствующего изменения скоростей рабочих движений.

Нагрузка неаварийного характера может быть разделена на кратковременную и длительную, периодическую и случайную. Нагрузка аварийного характера может быть классифицирована на нагрузку, требующую мгновенного срабатывания соответствующей защиты (первая категория), и нагрузку, допус-

471

кающую регулирование в течение некоторого промежутка времени (вторая категория). Последняя может быть полностью предотвращена или частично ограничена.

По природе своего возникновения нагрузка рабочего органа классифицируется на два вида: нагрузка, саморегулируемая рабочим органом (например, удаление дополнительного грунта ковшами), и нагрузка, регулируемая только скоростью движения машины (например, дополнительная нагрузка, обусловленная изменением свойств грунта, рельефа местности). В первом случае величина дополнительной нагрузки постепенно уменьшается, во втором — может оставаться неизменной достаточно длительное время. В зависимости от интенсивности приложения нагрузка может иметь плавный и крутой фронт нарастания.

Отметим некоторые особенности регулирования нагрузки при решении вопросов автоматизации экскаваторов.

1.Стабилизация средней величины нагрузки рабочего органа может быть достигнута путем регулирования:

а) периодической длительной нагрузки, обусловленной некоторыми конструктивными особенностями машины и наличием дополнительного грунта после обрушения;

б) длительной нагрузки случайного характера, обусловленной изменениями свойств грунта, рельефа местности, растительного покрова и другими причинами;

в) длительной нагрузки, изменение которой обусловливается необходимостью обеспечения заданного уклона дна канала (траншеи).

2.Ограничение аварийной нагрузки второй категории также может быть достигнуто путем своевременного уменьшения избыточного момента сопротивления изменением скорости рабочего хода машины (при перегрузках, обусловленных, например, изменениями свойств грунта, рельефа местности, обрушением грунта на рабочий орган и другими причинами). В то же время аварий-

ная нагрузка первой категории требует обязательного применения специальных средств защиты, так как ее ограничение не может быть достигнуто уменьшением скорости рабочего хода (стопорение рабочего органа при встрече с жесткими непреодолимыми препятствиями и другие аварийные режимы).

Если для поддержания некоторой средней нагрузки не требуется достаточно широкого диапазона непрерывного регулирования скорости, то при аварийной нагрузке рабочего органа скорость движения должна быть уменьшена почти до нуля. С этой точки зрения для стабилизации среднего значения нагрузки может быть применено комбинированное регулирование скорости (например, ступенчатое механическое и непрерывное электрическое между механическими передачами), тогда как для ограничения аварийных нагрузок необходимо непрерывное регулирование скорости во всем диапазоне.

Автоматизация работы одноковшовых экскаваторов. Отметим в заключе-

ние общие принципы автоматизации работы одноковшовых экскаваторов.

472

Как объект автоматизации, одноковшовый экскаватор представляет собой машину, на координаты положения рабочего органа которой накладываются многие ограничения.

Трудности полной автоматизации управления работой одноковшовых экскаваторов обусловливают применение таких систем управления, в которых рабочий цикл разукрупняется на простые операции, доступные для автоматизации, а машинист может вмешиваться в работу системы, например, как источник информации и корректор работы. Задача автоматизации управления рабочим процессом разделяется при этом на ряд самостоятельных задач применительно к условиям использования экскаватора.

Основными требованиями, предъявляемыми к операции копания, являются оптимальность загрузки подъемного механизма, соответствие величины заглубления ковша мощности подъемного механизма, высоте забоя и свойствам грунта, а также достаточно хорошая планировка плоскости подошвы забоя. На транспортных операциях должны быть обеспечены оптимальные режимы разгона и торможения привода поворотного механизма, остановка ковша в заданной точке и оптимальная высота разгрузки.

При разработке грунтов для механизмов подъема и напора характерна возможность принудительной остановки, например, при слишком большом заглублении ковша или в случае встречи ковша с непреодолимым препятствием. Такой режим работы называется стопорным режимом, или режимом работы «на упор».

Возможность стопорного режима работы экскаватора предъявляет к приводу требование ограничения усилия на ковше в момент стопорения. Если ограничения усилия не произойдет, то кинетическая энергия, запасенная во вращающихся частях привода и механизма, обусловит значительные, динамические перегрузки в элементах привода и металлоконструкциях. В экскаваторах с электрическим приводом ток в цепи увеличится в несколько раз по сравнению с номинальным, что является опасным для электродвигателей и электроаппаратуры. Указанные обстоятельства определяют задачу автомати-

ческого ограничения в стопорном режиме величины вращающегося момента (тока) электродвигателя, а следовательно, и усилия на ковше. При этом двигатель быстро снижает обороты и останавливается.

С другой стороны, для сохранения наибольшей производительности необходимо, чтобы уменьшение частоты вращения двигателя начиналось только с момента наступления стопорения, а до наступления этого момента двигатель работал бы с номинальной частотой вращения. Обеспечение указанных требований производится автоматической системой управления, уменьшающей напряжение на двигателе с момента начала стопорения.

Траектория движения ковша экскаватора, оборудованного напорным механизмом, определяется работой подъемного и напорного механизмов. Поддержание нагрузки подъемного механизма на заданном уровне производится за счет изменения толщины срезаемой стружки грунта путем регулирования ско-

473

рости напорного механизма в функции отклонения нагрузки подъемного механизма от заданного значения (аналогия с процессом поддержания нагрузки рабочего органа экскаватора непрерывного действия за счет регулирования скорости движения). При этом основная работа по резанию и перемещению грунта выполняется подъемным механизмом, а напорный механизм осуществляет функцию управления. Датчик нагрузки подъемного механизма динамического типа включается в глухой конец каната подъема ковша посредством рычажного промежуточного механизма. Электрический сигнал от датчика через усилитель поступает в цепь управления реле, контакты которых управляют контакторами двигателя напора.

Для обеспечения оптимальной загрузки подъемного механизма (определяемой, например, из условия минимума времени заполнения ковша) и хорошей планировки плоскости подошвы забоя система автоматического управления должна координировать управление подъемным и напорным механизмами экскаватора,

В гидравлических экскаваторах применяются следящие системы для привода рулевых колес и рабочего оборудования. Следящие системы в приводах рабочего оборудования используются с целью получения заданных траекторий копания, когда задаваемая на пульте управления траектория повторяется рабочим органом.

Для осуществления следящего привода одновременно нескольких шарнирно связанных элементов рабочего оборудования рычажная система управления ими выполняется кинематически подобной управляемой системе и имитирует движение последней. Такова, например, система, обеспечивающая совмещенное следящее управление стрелой и рукоятью прямой лопаты.

Автоматизация транспортных операций экскаватора (поворот платформы, изменение высоты ковша, изменение выдвижения рукояти, выгрузка грунта), составляющих часть единого рабочего процесса, ввиду сложности технического решения, производится по программе, задаваемой человеком. При этом системы автоматизации одноковшовых экскаваторов строятся аналогично системам управления кранами, которые предусматривают перемещение рабочего органа по заранее заданной траектории с определенными оптимальными скоростями для данной загрузки. При производстве земляных работ необходимо проверять глубину разработки, что усложняет систему автоматизации одноковшовых экскаваторов. На рис. 11.21 показана принципиальная схема глубиномера с потенциометрическими датчиками положения рабочего органа

Рис. 11.21. Принципиальная схема глубиномера