автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Создание системы управления операцией копания для одноковшового гидравлического экскаватора с целью повышения эффективности его работы

ВВЕДЕНИЕ

1. КРАТКИЙ ОБЗОР РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОПЕРАЦИЕЙ КОПАНИЯ ДМ ОДНОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

I.I. Выводы по разделу

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ РЕЗЩЕЙ КРОМКИ ПРИ КОПАНИИ И КОРРЕКЦИИ. РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ОПЕРАЦИЕЙ КОПАНИЯ

2.1. Выбор метода копания

2.2. Определение угла поворота рукояти и ковша во время копания

2.3. Обоснование необходимости создания устройств адаптации

2.4. Определение величины работы, затрачиваемой на копание

2.5. Выбор метода коррекции

2.6. Определение максимального давления в гидроцилиндрах при копании грунтов различных категорий

2.7. Требования к системе управления операцией копания

2.8. Выводы по разделу

3. СИНТЕЗ ГИДРОСХЕМЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОПЕРАЦИЕЙ КОПАНИЯ.

3.1. Основные сведения о методе циклограмм.

3.2. Составление циклограммы состояний для элементов рабочего оборудования

3.3. Составление циклограмм состояний для элементов ' системы управления и синтез схемы для метода "Р"

3.4. Составление циклограмм состояний для элементов системы управления и синтез схемы для метода "К"

3.5.' Составление циклограммы состояний для элементов системы управления и синтез схемы для метода "РК"

3.6. Определение параметров элементов СУОК

3.6.1. Расчет элементов "ПСП"

3.6.2. Расчет элементов "ПСК"

3.7. Стыковка гидросхемы СУОК и гидросхемы экскаватора . . 123 3.7.1. Устройство и работа СУОК на экскаваторе с рычажным управлением гидрораспределигелями

3.7.1. Устройство и работа СУОК на экскаваторе с гидравлическим управлением гидрораспре де лит елями

3.8. Выводы по разделу

4. ЭКСПЕРИШТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Сравнение методов копания .13.

4.2. Коррекция траектории копания

4.3. Определение показателей характеризующих работу привода при ручном управлении

4.4. Экспериментальные исследования СУОК

4.5.1. Отладка подсистемы коррекции

4.4.2. Отладка подсистемы переключений

4.4.3. Отладка СУОК и ее элементов на экскаваторе

4.5. Определение показателей, характеризующих работу привода при использовании СУОК

4.6. Сравнение показателей при ручном управлении и при использовании СУОК

4.7. Выводы по разделу

5. ВНЕДРЕНИЕ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ РАБОТ

5<1* Эксплуатационные:.испытания м < i <

5*2< Перед ективы. и. направления дальнейших работ i i * < i

5.3. Вые оды по разделу

Обоснование постановкиисследований Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года ориентируют строительное и дорожное машиностроение на создание машин и оборудования, позволяющего улучшить условия труда, повысить его производительность, экономить материальные ресурсы.

Одноковшовые экскаваторы с гидравлическим приводом одно из основных средств механизации земляных работ. В десятой пятилетке одноковшовые экскаваторы выполнили 45$ общего объема земляных работ. Выпуск одноковшовых гидравлических экскаваторов в Советском Союзе к концу 80-х годов составит до 80$ общего выпуска одноковшовых экскаваторов [ I ].

Повышение эффективности этих машин - одна из важнейших задач, стоящих перед строительным и дорожным машиностроением. Решая ее, разработчики и производители землеройной техники стремятся сократить время цикла экскаватора, ускорив ход его операций, улучшают использование мощности, добиваются снижения нагру-женности и за счет этого повышают эффективность машин. Однако, сокращение длительности операции ухудшает условия труда машиниста: сокращается время на принятие необходимых решений и на выполнение управляющих воздействий. Преодоление этого противоречия возможно путем передачи части функций по управлению экскаватором соответствующим системам управления операциями рабочего цикла. Одноковшовые экскаваторы являются универсальными машинами, их универсальность проявляется в возможности выполнять различные землеройные работы при использовании большого количества рабочих органов. Полная автоматизация одноковшовогогидравлического экскаватора является задачей близкого будущего, но для ее решения потребуется создание системы, решающей все задачи управления подобно человеку и предусматривающей возможность автоматизации работ, выполняемых со сменными рабочими органами. Первым этапом на пути полной автоматизации одноковшового гидравлического экскаватора может стать работа по созданию систем управления отдельными наиболее важными операциями рабочего цикла [2].

Здесь целесообразно сосредоточить усилия на создании систем для наиболее массового вида рабочего оборудования. Соотношение между выпуском основных видов рабочего оборудования следующее: обратных лопат выпускается в 4,5 раза больше, чем прямых и в 32 раза больше, чем грейферов. Поэтому в данной работе решались вопросы создания системы управления для обратной лопаты. Однако, результаты могут быть использованы для других видов сменного рабочего оборудования.

При создании систем управления технологическими операциями возникает необходимость уточнения понятий о содержании процесса, который будет находиться под контролем системы и о его показателях.

Таким образом, давление на насоах в данном эксперименте было во время копания в 1,3.,1,7 раза больше, чем давление в цикле Для операции копания характерна наибольшая нагруженность среди операций рабочего цикла. Энергоемкость операции копания t 3 ] составляет до 35% от всей энергоемкости рабочего цикла, операции подъема до 33$, операции разгрузки до — 18% в операции поворота платформы до 25$.

Сложность управления рабочими операциями может быть оценена по числу управляющих воздействий, осуществляемых машинистом, то есть по числу включений и выключений гидрораспределителей. Число таких включений для операции копания от шести до десяти (по два для рукояти, ковша и стрелы), для операции подъема -два, для поворота - четыре (по два для поворота из забоя и в забой ), для операции разгрузки - четыре ( по два для рукояти и ковша), для опускания - два.

Оценка операций по нагруженности, длительности, энергоемкости, сложности управления убеждает в том, что операция копания занимает центральное место в рабочем цикле. Поэтому основным направлением в области создания систем управления для автомати -зации операций рабочего цикла является создание системы управления ния операцией копания СУОК. Актуальность этих работ обуславливается следующими причинами:- необходимостью повышения эффективности одноковшовых гидравлических экскаваторов;- особым местом копания среди операций рабочего цикла;- необходимостью интенсифицировать ход операции копания -9не подвергая привод, рабочее оборудование и машиниста дополнительным нагрузкам;Сложность создания систем управления рабочими операциями одноковшового гидравлического экскаватора заключается в отсутствии методических основ по их проектированию. В частности, отсутствуют требования к таким системам, рекомендации по использованию методов копания и коррекции, не разработаны методы синтеза схем, методы расчета элементов системы управления.

Целью работы является: создание системы управления операцией копания, повышающей эффективность одноковшового гидравлического экскаватора.'Основные задачи исследованияМетодически для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:исследовать траектории движения режущей кромки при копании и коррекции, выбрать методы копания и коррекции;разработать требования к СУОК;разработать основные положения по проектированию СУОК;экспериментально подтвердить эффективность СУОК;Эти задачи логически вытекают из цели работы и позволяют рассмотреть рабочий процесс одноковшового гидравлического экскаватора с точки зрения автоматизации операции копания;' Машинист во время копания управляет механизмами экскаватора, во-первых, для заполнения ковша, во-вторых, для коррекции траектории движения режущей кромки, которая необходима всякий раз, когда привод перегружен или близок к состоянию перегрузки. Копание и коррекция могут выполняться различными методами метод копания и метод коррекции понимаются как сочетание совмещенных движений механизмов или какопределенная последовательность движений при выполнении копания. На рис,2а и рис.26 во время копания сначала движется ковш, - линия Хк. затем рукоять - линия Хр затем снова ковш и подн нимается стреда - линия Хс. На рис.За копание осуществляется при движении ковша, затем рукояти, затем при совмещении движений рукояти и ковша. На рис.3d последовательно движутся сначала рукоять, затем ковш, затем коеш и рукоять вместе. В выборе метода коп пания машинист полагается на свой опыт.

Первая задача управления, стоящая перед машинистом - организация рабочего процесса. Ее содержание заключается в управлении механизмами при копании для заполнения ковша. Выбор метода копания и его ^.осуществление с помощью системы управления может выполнено после изучения Есех возможных методов копания.

Оценка эффективности выполнения операции копания может быть зделана на базе следующих требований:1. Копание должно выполняться при максимально возможном к.п.д. гидропривода.

2. Нагруженность гидропривода, в частности, насоса во вре-ук копания не должна выходить за допустимые пределы (см. эталонную гистограмму на рис.16 - линия 3).

3.' Число переключений механизмов за время копания должно Зыть минимально.

В результате выполненых исследований разработаны требования ес СУОК; выбраны методы копания и коррекции; разработаны основные положения по созданию СУОК, включающие: выбор схемы соединения гидроцилиндров для выполнения коррекции, определение параметров застройки, составление циклограмм движений механизмов и состояний элементов системы управления, синтез схемы СУОК, расчет элементов системы управления; практически осуществлено создание системы управ равления операцией копания; доказано, что применение СУОК позволяет повысить эффективность одноковшового гидравлического экскаватора.

На защиту выносятся результаты исследований, выразившиеся в:- выборе для создания системы управления в качестве методов копания несовмещенных движений элементов рабочего оборудования,а в качестве методов коррекции совмещенных движений;- основных положениях по созданию системы управления операцией копания;- разработке и практической реализации гидросхемы системыуправления операцией копанин для одноковшового гидравлического экскаватора;- экспериментальном доказательстве повышения эффективности эдноковшового гидравлического экскаватора при использовании системы управления операцией копания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ВЫВОДЫ И РШШВДАЦИИ ПО РАБОТЕ.

Повышение производительности современных гидравлических экскаваторов вызывает интенсификацию работы механизмов экскаватора и интенсификацию условии труда машиниста, связанную с сокращением длительности рабочих операций. Сокращение длительности рабочих операций имеет предел^ за которым машинисту трудно эффективно контролировать технологический процесс.

Устранить противоречия, возникающие при интенсификации условий труда человека на экскаваторе, можно путем создания систем управления рабочими операциями технологического цикла одноковшового экскаватора.

Во ВНИИСтройдормаше ведутся научно-исследовательские работы в области создания таких систем. По результатам этих работ, изложены!,I в настоящей диссертационной работе, сделаны следующие выводы:

1. Наиболее сложной из операций рабочего цикла, в части на-груженности, энергоемкости и сложности управления, является операция копания, а наиболее массовым видом рабочего оборудования является оборудование обратной лопаты, в связи с этим первоочередной в этой области является задача создания системы управления операций копания для оборудования обратная лопата.

2. Анализ решений в области создания систем управления операцией копания показал, что с одной стороны, в настоящее время нет единого подхода к созданию таких систем. С другой стороны, что создание СУОК должно базироваться на сочетании программного и рефлекторного принципа, причем в состав СУОК должны входить: подсистема переключения механизмов (ПСП) с элементами адапата-ции к изменяющимся условиям копания', а также подсистема коррекцш (ПСК).

3. Анализ методов копания показал, что при использовании СУОК копание должно выполняться при несовмещенных движениях элементов рабочего оборудования с помощью следующих последовательностей движений механизмов: рукоять, ковш , подъем стрелы; ковш, подъем стрелы; рукоять, подъем стрелы. Определены углы поворота элементов рабочего оборудования^ обеспечивающие заполнение ковша.

3. Анализ методов коррекции показал, что при использовании СУОК коррекция копания при повороте рукояти должна выполняться при совмещении движений рукояти и стрелы, коррекция копания при повороте ковша должна выполняться на малой и средней глубине при совмещении движений рукояти и ковша, а на большой глубине при совмещении движений ковша и стрелы. Определены максимальные значения давлений рабочей жидкости при копании грунта различных категорий.

4. Синтезирована гидросхема СУОК, включающая подсистему коррекции и подсистему переключений с устройством адаптации, выполненным в виде подстраивающего плунжера. Расчетным путем определены время копания в грунтах различных категорий для настройки подсистем переключений.

5. Тензометрические исследования показали, что применение СУОК позволяет повысить к.п.д. гидропривода на 18%, снизить суммарную энергоемкость на 9,4$» снизить среднее давление в гидросистеме на 7,5 %л Применение СУОК облегчает условия труда машиниста, так как СУОК берет на себя часть управляющих функций во время копания, в части, переключений механизмов и контроля величины давления в гидроприводе.

6. Испытания, проведенные в условиях эксплуатации, подтвердили результаты тензометрических исследований,применение СУОК озволяет повысить производительность на 8.10$, уменьшить удель-ый расход горючего на ~15$, значительно облегчить условия труда ашиниста.

Таким образом, цель, поставленная в диссертационной работе, части создания системы управления операцией копания повышающей ффективность одноковшового экскаватора достигнута.

Проведенные работы и опыт эксплуатации СУОК позволяют наме-ить следущие перспективные направления работ:

- создание на базе СУОК подсистем коррекции для гидравли-еских экскаваторов;

- оснащение такими системами экскаваторов с различными вида-и рабочего оборудования;

- создание систем управления транспортными операциями и их бъединение с системой управления операцией копания в систему упр правления рабочим циклом.

- 195 -»

1. Ребеко Л.В. Исследование и совершенствование систем привода гидравлических экскаваторов с ковшами.: емкостью 0,4.1 м3. Автореф. Дис.канд.техн.наук. М.: ВНИИстройдормаш, 1970, 18 с :. Домбровский Н.Г., Панкратов С.А. Землеройные машины. Часть I.

2. Z&ignew Bogusi. AutomatizQcia pRocessu odspanja w kopQRkach uniweRSQ^ych. Pezegf^al mechanyczny,1Q7Q,p.20i-2Q7.

3. Подэрни Р.Ю., Ковалев Ю.А. Перспективы, пути и средства автоматизации рабочих процессов одноковшовых экскаваторов. В сб. научных тр. Московского горного ин-та, вып.22. - М.: МГИ, 1968, с 333-337.

4. Сушинский В.А. К вопросу автоматизации и управления универсального экскаватора с многодвигательншл электроприводом переменго тока. В сб.научных трудов Моск.горн.ин., $ 42-М.:МГИ,1962,69.80.

5. Аракельянц Н.М. Автоматизация управления рабочим процессом одноковшового экскаватора. В реф. сб. Строительные и дорожные машины, вып. I - М.: НШЙнформСД и КМ, 1968 г., с.25-26.

6. Аракельянц Н.М. Об автоматизации управления процессом копания одноковшового экскаватора. Строительные и дорожные машины, 1966, )£ 8 с.35^36.

7. Аракельянц Н.М. Вопросы автоматизации рабочим процессом одноковшового экскаватора. В реф. сб. Строительные и дорожные машины, вып. 3. - М.: НШЙнформСД и КМ, 1966, с. 15-17.

8. А.с. 290998 (СССР) Устройство для управления приводом поворота ковша (Акутин Г.К., Гулько Л.В., Фельзер М.С. и др.) -Опубл. в Б.И., 1968 г., № 12.

9. Патент 6II45 (ПНР) кл Е02/3/00. UkEad. sieROwania auto-matycznego pf?ocessem odspama w kopazkach umweR-saCnych hydnauEicznych. (Z8. bogusz , Eug.budny, Edw. Zwoiak).

10. Патент 3653523 (США), кл. E02/3/74 Load compensating hydzautic crcci/it . (ELtan Long et a£).

11. A.d. 244223 (СССР) Гидропривод одноковшового экскаватора (Рус-танович А.В. и др.) Опубл. в Б.И. 1969 г., й 17.

12. А.о.334343 (СССР) Гидропривод одноковшового экскаватора (Рус-танович А.В. и др.) Опубл. в Б.И. 1972 г., № 2.э. Патент 3583585 (США), кл.Вбб 9/22. HyinamtiC canteot system fan Backhoe . (TyRane hydRaufics).

13. А.с. 541946 (СССР), Гидропривод одноковшового экскаватора (Акинфиев А.А. и др.) Опубл. в Б.И., 1977 г., № I.

14. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. 2-е изд. ГЛ.: Машиностроение, 1968 - 375 с.

15. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами М.: Машиностроение, 1971,

16. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин М.: Машиностроение, 1977, 286 с.

17. Ровинский М.И., Скворцов Г.С., Исследование сопротивления грунтов резанию. Обзор М.: ЦИНТИМаш, 1959, 28 с.

18. ОСТ 22-915-76. Ковши обратной лопаты гидравлических экскаваторов. Типы, основные параметры и размеры М.: Минстройдормаш, 1976 - 32 с.

19. Голяков Н.И. Определение оптимальных траекторий и кинематических параметров оборудования гидравлических экскаваторов. В реф. сб. Строительные и дорожные машины, вып. 2 - М.: НИИИНформ СД и КМ, 1966 - 59 с.

20. Акинфиев А.А., Беркман И.Л., Смоляницкий Э.А. Анализ подготовки экскаватора к операции копания. В сб. Труды ВНШСтройдор-маш, вып. 83, - М., ВНШстройдормаш, 1979 г., с.60-67.

21. Ю. Княжев Ю.М. Математическое описание траектории копания одноковшовых экскаваторов с гидроприводом при минимальном расходе мощности. В сб.: Гидропривод и системы управления землеройно-тран-спортных машин, вып.З-Омск: СибАДИ, 1976, с.142-147.

22. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике М.: Наука, 1965 - 608 с.

23. Смоляницкий Э.А. и др. Рабочее оборудование полноповоротных гидравлических экскаваторов. Обзор. ЦНИИТЭСтроймаш, 1971 74 с.

24. Петере Е.Р. Основы теории одноковшовых экскаваторов М.: Машгиз, 1955 - 260 е., ил.

25. Крутиков И.П. Экскаваторы М.: Машиностроение, 1964 - 391 с.

26. Недорезов И.А. Интенсификация рабочих органов землеройных машин (учебное пособие) М.: МАДИ, 1979 - 45 с.

27. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды М.: Госгортехиздат 1954.

28. Грейнер Г.Р., Ильяшенко В.П. и др. Проектирование бесконтактных управляющих логических устройств промышленной автоматики, М.: Энергия, 1977 - 384 с.

29. Моль Р. Гидропневмоавтоматика М.: Машиностроение, 1975 - 352 с

30. Гидрораспределители типа PI02. Руководство по эксплуатации. Изготовитель Ульяновский завод гидроавтоматики. Ульяновск. 1972 - 15 с.

31. Ю. Ковалевский В.Ф., Еелезняков Н.Т., Бейлин Ю.А. Справочник по гидроприводам горных машин, М.: Недра, 1973 - 502 с.

32. J. Гидравлическое оборудование для гидроприводов строительных дорожных и коммунальных машин. Каталог справочник. Под ред. Гречина Н.К. - М.: ЦНИИТЭСтроймаш, 1978 - 469 с.

33. Бочаров Ю.А., Прокофьев В.Н. Гидропривод кузнечно-прессовых машин М.: Высшая школа, 1969 - 247 с.

34. Крассов Н.М. Гидравлические элементы в системах управления -М.: Машиностроение, 1967 253 с.

35. Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ. Под ред. Малиновского ЕЛО. Машиностроение, 1980 - 216 е.

36. Волков Д.П. Динамические нагрузки в универсальных экскаваторах и кранах М.: Машгиз, 1958 - 268 с.

37. Теория, конструкция и расчет строительных и дорожных машин. Под ред. Гобермана Л.А, М.: Машиностроение, 1974 - 328 с.

38. Брон Л.С., Тартаковский Ж.Э. Гидравлический привод агрегатных станков и автоматических линий. М.: Машиностроение, 1974, 328 с.

39. Алексеева Т.В., Артемьев К.А., Бромберг А.А. Дорожные машины Часть I. Машины для земляных работ М.: Машиностроение, 1972 - 504 с.

40. Гольдин Ю.М. К вычислению спектра случайного процесса по одной его реализации, в сб.: Труды ЕНИИСтройдормаш, вып.58 -М.: Внштстройдормаш, 1979, с.15-18.

41. Зайдель А.Н.' Элементарные оценки ошибок измерений, йзд. третье Л.: Наука, 1968, - 96 с.

42. ШенкХ. Теория инженерного экперимента Мир, 1972 - 381 с.

43. Тензометрия в машиностроении. Справочное пособие М.: Машиностроение, 1975, - 287 с.

44. PC 5431 76. Строительные машины. Экскаваторы одноковшовые гидравлические. Методы испытаний. Рекоменд, СЭВ по стандартизации. 1978, 17 с.

45. Инструкция по определению экономической эффективности ноеыхстроительных и дорокннх, мелиоративных машин, противопожарного оборудования, лифтов, изобретений и рационализаторских предложений. Часть I. М.: ТЩИТЭСтроймаш, 1978, 159 с.