Опыт этой работы может быть полезен при создании систем управления экскаватором для работы в сложных условиях работы, там, где желательно дистанционное управление и вместе с тем нужна система, позволяющая автоматизировать рабочий цикл экскаватора полностью или частично. Основой для синтеза системы является анализ его рабочего цикла, определение последовательности работы механизмов и управляющих воздействий для управления с помощью элементов гидроавтоматики.
Перед копанием оператор выполняет подготовительные действия по выбору зоны забоя для работы, ориентации рабочего оборудования, выбору метода копания. Зона забоя - элемент возводимого земляного сооружения (или разрабатываемого забоя) имеет положение в пространстве относительно экскаватора. Можно определить зону забоя, как объем грунта, вынимаемый с одной установки экскаватора без передвижения (с одной стоянки). Зона забоя ограничена глубиной копания и шириной траншеи.
Источник фото: exkavator.ruЗона забоя - элемент возводимого земляного сооружения
Ориентация рабочего оборудования - установка стрелы рукояти и ковша под углами, обеспечивающими копание выбранным методом. При ориентации учитываются такие факторы, как безопасность, последовательность выемки элементов забоя по глубине и по ширине, соответствующий ориентации метод копания.
СНИП ведения земляных работ предусматриваются определенное расстояние от крайней опоры экскаватора до кромки забоя в зависимости от несущей способности грунта, которая определяет угол естественного откоса. С учетом этого фактора расстояние от опоры экскаватора до кромки забоя может быть принято равным приблизительно одному метру.
Источник фото: exkavator.ruРасстояние от опоры экскаватора до кромки забоя может быть равным одному метру
Метод копания - последовательность движений механизмов рабочего оборудования при заполнении ковша. В общем случае управление экскаватором при выполнении копания должно учитывать: зону забоя, ориентацию и метод копания. В задачи управления рабочим циклом следует включить поворот оборудования на заданный угол, разгрузку, передвижение экскаватора в забое от одного элемента к другому. Траншея или котлован имеют проектные геометрические параметры, которые заданы с некоторыми допусками. Оценка готовности очередного элемента забоя после копания и переход к следующему - также в составе задач управления.
Ориентация и выбор метода копания
Метод копания должен обеспечивать такую траекторию движения режущей кромки, при которой угол резания находится в пределах, обеспечивающих минимум затрат энергии при копании. Из работ по определению оптимального угла резания, можно определить его диапазон равным ?р=30... 50°.
К первой группе отнесены методы, предусматривающие несовмещенные движения, например, копание рукоятью, копание ковшом, а также в последовательно: рукоятью, затем ковшом. Траектории движения режущей кромки в этих случаях - дуги окружностей и углы, характеризующие геометрию копания, не изменяются. Переход от копания рукоятью к копанию ковшом возможен в любой точке траектории при оптимальных углах резания. При переходе от копания ковшом к копанию рукоятью угол резания не сохраняется, поэтому этот метод не прменяется.
Источник фото: exkavator.ruМетод копания - последовательность движений механизмов рабочего оборудования при заполнении ковша
Ко второй группе отнесены методы, предусматривающие совмещение двух движений. Гидросприводы экскватваторов обычно двухпоточные, поэтому добиться независимого совмещения трех движений невозможно. Кроме того, координация трех движений затруднительна. Операторами используются совмещения движений: стрелы с ковшом, стрелы с рукоятью, рукояти с ковшом. При сохранения диапазона углов резания необходимо выдерживать отношения между угловыми скоростями стрелы и рукояти, рукояти и ковша и т.д. Кроме того, эти совмещения могут быть применены для коррекции траектории копания.
Отношения между угловыми скоростями легко выводятся из кинематики рабочего оборудования. При выполнении операций рабочего цикла одноковшового гидравлического экскаватора оператор решает две основные задачи: организация рабочего процесса и контроль состояния привода. В общем случае, оптимальное выполнение цикла заключается в его выполнении за минимальное время, с наименьшей нагруженностью и энергетическими затратами, поэтому требования к системе управления копанием следующие.
Система управления операцией копания должна обеспечивать:
- возможность перехода в любой момент на ручное управление;
- копание грунта, заполнение ковша, подъем рабочего оборудования из забоя при использовании копания: поворотом ковша (метод К), поворотом рукояти (метод Р), последовательно: сначала поворотом рукояти, затем ковша (метод РК);
- коррекцию траектории копания для снижения нагрузок на привод и рабочее оборудование, выполнение коррекции траектории при совмещении движений: рукояти со стрелой (движение стрелы на подъем) или рукояти с ковшом (движение рукоятью от экскаватора), ковша со стрелой;
- адаптацию к изменяющимся в процессе копания нагрузкам.
Для синтеза схемы применялся метод циклограмм. Этот метод специально предназначен для циклически работающих механизмов и дает возможность воспользоваться большим числом переменных. Метод заключается в получении логических функций состояний элементов управления по циклограмме движений механизмов. Последовательность движений механизмов при копании тем или иным методом, совмещения движений механизмов при выполнении коррекции определяются выше указанными требованиями. При синтезе схемы учтено необходимое требование перехода в любой момент на ручное управление.
Условия, при которых возникают рабочие состояния механизмов или элементов управления, называются условиями срабатывания, к ним относится наличие (отсутствие) сигнала управляющего элемента. В условиях срабатывания этот сигнал записывается в том состоянии, в котором он находился в такте, предшествовавшем включению такте. Условия, вызывающие нерабочие состояния, называются условиями несрабатывания. К ним относится сигнал управляющего элемента в такте, предшествовавшем отключению.
Источник фото: exkavator.ruУсловия, вызывающие нерабочие состояния, - это условия несрабатывания
Условие срабатывания логически умножается на условие несрабатывания, взятое с инверсией. Структурная формула для одного периода включения имеет вид x = f*неf1. При наличии нескольких периодов включения и отключения элемента или механизма условия записываются для каждого периода, а общая структурная формула является логической суммой.
При синтезе предусматривалось применение элементов гидроавтоматики, реализующих логические функции. В качестве сигналов использовались давления рабочей жидкости. Рассмотрим (рис.1) схему управления на примере реализации метода "РК" - копание в последовательности: рукоятью, затем ковшом. На рисунке даны необходимые пояснения по структуре системы и комбинации управляющих воздействий. Проследим одну из наиболее сложных комбинаций.
При включении системы для реализации метода "РК", подается сигнал на включение: золотника гидроцилиндра рукояти - Рмк, включение реле времени, отслеживающее время копания рукоятью - t1. По окончании копания рукоятью реле времени РВ1 выдает сигнал о включении гидроцилиндра ковша Рк2 и одновременно на включение реле време-ни для задания времени копания ковшом - t2, По окончании копания ковшом реле времени РВ2 выдает сигнал о включении гидроцилиндра стрелы на подъем Рс, которым копание оканчивается.
Наиболее сложным сигналом в этом методе копания является сигнал на подъем стрелы, поскольку его структура включает: сигнал о нормальном ходе операции, первая часть формулы и о выполнении подъема при перегрузке, вторая часть формулы Рс2 (Рк2*Рt2+ Рс2*неРt2) , где обозначения даны на рисунке.
Сигналы Рt1 и Рt2 возникают по истечении времени копания рукоятью t1 и ковшом t2 при соответствующих углах поворота рукояти и ковша. Эти временные промежутки задавались с помощью гидравлических реле времени. Так как время копания в грунтах различной плотности различно, в реле было встроено устройство адаптации, которое при увеличении нагрузки увеличивало время копания, чем обеспечивается поворот ковша на требуемый угол. В качестве чувствительных элементов, фиксирующих сигналы о перегрузке привода Ркл1 и Ркл2, применялись предохранительные клапаны.
Система была изготовлена на Ковровском экскаваторном заводе в 1981 г. и прошла испытания на экскаваторе ЭО-4121А. Эффект от применения на экскаваторе выразился в увеличения КПД операции во время копания на 16%, уменьшении среднего давления на насосах. Вместо 10-12 переключений механизмов, которые делает обычно машинист во время копания, выполнялось всего два: включение и выключение системы. Производительность экскаватора возросла на 8-10%. Эти результаты были достигнуты благодаря согласованности работы системы с внешней характеристикой насоса.
Сейчас такая задача разрешима на иной элементной базе. Имеются и доступны датчики угла поворота типа, имеются и доступны системы обработки данных, хотя возможно создание и оригинальных систем обработки информации и выдачи управляющих воздействий. Имеются электрогидравлические системы управления для СДМ типа РЭУ-05, РСПЗ.Э(О)16. Такие системы с успехом могут быть применены для дистанционного управления экскаватором.
А.А.Акинфиев