Автоматизация проектирования устройств управления положением платф
.pdfподъемники ПКА-17, имеющие искривленную стрелу, что обеспечивает меньшую транспортную высоту и возможность посадки в люльку
втранспортном положении (после установки на аутригеры).
–ОАО «Мехпромстрой» (Краснодар). Серийно выпускаются коленчатые автогидроподъемники ВС-18 и ВС-22.
–ОАО «Людиновский машиностроительный завод» (г. Людиново). Возобновилось после длительного перерыва производство популярных трехколенчатых автогидроподъемников АГП-22.04.
Помимо представленных строительных машин существует множество других машин специализированного назначения, имеющих платформу с выносными аутригерами. Они находят свое применение
встроительстве, медицине, лесозаготовке, спасательных операциях и т.д.
1.2. Патентный обзор систем горизонтирования опорных платформ строительных машин
Проведен анализ полезных моделей, относящихся к области машиностроения, и предназначенных для использования в устройствах горизонтирования опорных платформ грузоподъемных, сваезавинчивающих, буровых и других машин с выносными гидравлическими опорами [31, 32, 33].
Известно устройство для обеспечения горизонтального положения опорной платформы грузоподъемного крана, содержащее опорную платформу передвижного шасси, гидравлическое оборудование с насосом для создания давления, выносные силовые гидроцилиндры, расположенные по углам периметра опорной платформы, и золотниковый кран управления работой гидроцилиндров [31]. Такое устройство позволяет посредством гидрозолотников вручную управлять выдвижением гидравлических опор в соответствии с показаниями креномера до достижения горизонтального положения платформы грузоподъемной машины.
Недостатком данного устройства является невозможность автоматически производить выравнивание в горизонтальной плоскости опорной платформы и значительное время, затрачиваемое на приведение крана в рабочее положение. Так как оператор не имеет возможности вручную управлять сразу тремя или четырьмя опорами, он вынужден устранять крен сначала в продольном направлении относительно опорного контура платформы, а затем в поперечном направле-
10
нии. Недостатками устройства также являются недостаточно точное горизонтирование платформы и возможность неравномерной нагрузки на опоры.
Известно другое техническое решение – устройство автоматического выравнивания опорной платформы [32]. Оно содержит поворотную кабину, опорную платформу передвижного шасси, усилительный блок управления, датчики наклона, сориентированные в продольной и поперечной плоскостях платформы, поворотную опору, панель управления, датчики контакта штоков с опорной поверхностью и гидравлические цилиндры.
Управление устройством осуществляется с пульта управления тумблером, управляющим трехпозиционным электромагнитным клапаном. Данное устройство работает следующим образом. Перед началом работы оператор на пульте управления переводит тумблер в положение опускания штоков выносных гидравлических цилиндров, которое происходит до их контакта с опорной поверхностью. После срабатывания датчиков контакта с опорной поверхностью сигнал подается в усилительный блок управления на включение автоматического выравнивания платформы. Выравнивание платформы происходит в два этапа. Вначале устраняется поперечный крен за счет синхронной работы пары боковых гидроцилиндров, расположенных слева или справа, в зависимости от направления наклона. Работа гидроцилиндров одного из бортов прекратится тогда, когда датчик поперечного наклона своей шторкой загородит светочувствительные элементы (например, фотодиод и т.д.). Далее в работу вступает пара передних или задних гидроцилиндров (в зависимости от направления продольного наклона), которые окончательно выводят платформу в горизонтальное положение [32].
Данное устройство обладает следующими недостатками. Выравнивание платформы происходит последовательно в два этапа (вначале устраняется поперечный наклон платформы, затем продольный), что занимает значительное время. Данный недостаток является следствием: 1) относительного расположения двух датчиков наклона и опорной платформы, один из которых измеряет поперечный наклон платформы относительно горизонтальной плоскости, а другой – продольный наклон платформы относительно горизонтальной плоскости; 2) ограничения на количество одновременно выдвигаемых гидроцилиндров. При автоматическом горизонтировании предусматривается возможность одновременной работы только двух из четырех гидроцилиндров опор (продольной пары, затем поперечной пары гидроци-
11
линдров), причем только на выдвижение. Невозможно автоматическое горизонтирование одновременным выдвижением и втягиванием различных опор, что обусловлено гидравлической схемой устройствапрототипа. Все указанные недостатки увеличивают общее время горизонтирования платформы устройством-прототипом.
Кроме того, данное устройство не предназначено для постоянного отслеживания горизонтального положения платформы машины в процессе работы и автоматического ее выравнивания в случае последующего отклонения от горизонтального расположения, что также является его недостатком. Невозможно также постоянное отслеживание в рабочем режиме машины степени нагружения каждой из опор платформы (не предусмотрены соответствующие датчики), что не позволяет использовать устройство-прототип для контроля безопасности работ и аварийной остановки машины при возможном провале или проседании грунта под какой-либо из опор в процессе работы [31, 32, 33].
В данной работе используется полезная модель [33]. Задачей полезной модели является повышение быстродействия автоматического выравнивания опорной платформы в горизонтальной плоскости, автоматическое поддержание ее в горизонтальном положении на заданной высоте, предотвращение аварийных ситуаций потери устойчивости платформы [33].
При этом достигаются следующие технические результаты:
1.Снижение времени на автоматическое выравнивание опорной платформы в горизонтальной плоскости без ухудшения точностных параметров.
2.Непрерывное автоматическое поддержание опорной платформы в горизонтальном положении в течение всего времени работы машины. Обеспечивается надежная долговременная фиксация достигнутого положения платформы и отсутствие ее «сползания», т.е. изменения со временем достигнутых параметров угловой ориентации.
3.Непрерывное автоматическое поддержание опорной платформы на заданной постоянной либо переменной высоте. Предотвращение ситуации выдвижения штоков на максимальную длину, а также касания колесами машины опорной поверхности. Повышение за счет этого запаса управляемости углами наклона платформы.
4.Предотвращение внештатных ситуаций потери устойчивости путем выдвижения опоры (опор) либо аварийной остановки машины при сильном проседании грунта под какой-либо из опор в процессе работы.
12
Указанные технические результаты достигаются отличительными признаками данного устройства [33].
Полезная модель поясняется прилагаемыми чертежами, где на рис. 1.4 приведена функциональная схема устройства автоматического выравнивания опорной платформы в горизонтальной плоскости, на рис. 1.5 – геометрическая схема ориентации измерительных осей датчиков наклона относительно опорной платформы, на рис. 1.6 – принципиальная гидравлическая схема устройства (ГС).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 7
12 |
3 |
9 |
9 |
4 |
12 |
|
|
10 |
|
||
1 |
|
10 |
|
|
|
|
8 |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
||
12 |
2 |
9 |
9 |
5 |
12 |
|
|
10 |
|
||
|
|
10 |
|
|
|
|
|
8 |
8 |
|
|
Рис. 1.4. Функциональная схема устройства автоматического выравнивания опорной платформы в горизонтальной плоскости
Устройство автоматического выравнивания опорной платформы в горизонтальной плоскости включает в себя платформу 1 и присоединенные к ней по углам четыре гидроцилиндра опор 2, 3, 4, 5 (см. рис. 1.4). На платформе закреплены два датчика угла наклона платформы 6 и 7. Каждый из гидроцилиндров 2, 3, 4, 5 оборудован датчиком положения штока 8 и двумя датчиками измерения давления 9 и 10 – в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра соответственно. Датчики угла наклона своими выходами соединены с информационными входами блока управления (БУ) 11, входящего в состав уст-
13
ройства. Другими информационными входами БУ 11 связан с датчиками положения штока 8 и датчиками давления 9 и 10. Управляющими выходами БУ 11 связан с четырехсекционным электрогидрораспределителем 12, выходы которого, в свою очередь, подключены к входам гидроцилиндров 2, 3, 4, 5. Другой управляющий выход БУ является входом блока аварийной остановки машины 13. Включение и отключение устройства производится блоком включения/выключения 14, выход которого является входом БУ [33].
|
16 |
16 |
|
|
18 |
|
|
18 |
1 |
3 |
4 |
|
||
|
15 |
15 |
|
|
|
17 |
|
17 |
2 |
5 |
Рис. 1.5. Геометрическая схема ориентации измерительных осей датчиков наклона относительно опорной платформы
Датчики наклона расположены относительно платформы 1 таким образом, чтобы измерительные оси 15 датчиков были перпендикулярны диагональным вертикальным плоскостям платформы 16 (см. рис. 1.5). Для этого для измерительной оси отдельного датчика должны выполняться два условия: перпендикулярность измерительной оси датчика диагонали 17 опорной платформы и перпендикулярность измерительной оси датчика вертикали 18. То есть две диагональные вертикальные плоскости платформы 16 образованы пересечением соответствующей диагонали платформы 17 и вертикали 18 каждая. Датчики наклона сориентированы в плоскостях 16 и измеряют отклонение опорной платформы 1 от горизонтали в данных плоскостях [33].
Гидравлическая схема состоит из шестеренного насоса постоянной подачи 19, блока четырехсекционного трехпозиционного элек-
14
трогидрораспределителя 12 (каждая секция на рис. 1.6 обозначена со- |
||||
ответствующей буквой а, б, в, г), четырех исполнительных гидроци- |
||||
линдров 2, 3, 4, 5, фильтра 20, гидробака 21. Каждый гидроцилиндр |
||||
снабжен встроенным гидрозамком. Также в систему включен предо- |
||||
хранительный клапан 22. Все элементы имеют гидравлические соеди- |
||||
нения. |
|
|
|
|
|
2 |
3 |
4 |
5 |
12 |
а |
б |
в |
г |
|
||||
|
|
|
|
20 |
|
22 |
|
|
|
|
19 |
|
|
|
|
21 |
|
|
|
Рис. 1.6. Принципиальная гидравлическая схема устройства |
||||
Отличительными признаками данной модели от представленной ранее являются: расположение датчиков углов наклона, измерительные оси которых расположены перпендикулярно диагональным вер-
15
тикальным плоскостям платформы; наличие датчиков давления гидравлической жидкости в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндров опор; наличие датчиков положения штоков гидроцилиндров опор; наличие блока аварийной остановки машины [33].
Полезная модель работает следующим образом. Перед началом работы машины оператор на пульте управления переводит тумблер в положение включения устройства, после чего блок включения/выключения 14 подает сигнал в БУ 11 (см. рис. 1.4). В дальнейшем устройство производит все манипуляции с гидроцилиндрами опор 2, 3, 4, 5 в автоматическом режиме. Выполняется выдвижение штоков выносных гидроцилиндров опор 2, 3, 4, 5. После контакта опор с поверхностью происходит вывешивание опорной платформы 1
вгоризонтальное положение. Причем опорная платформа выводится
втакое положение по высоте (условно «срединное» по запасам ходов штоков гидроцилиндров вверх и вниз), при котором возможна максимальная коррекция углов наклона платформы при последующем возможном ее «сползании» из-за проседания опор. Для этого выполняется непрерывное автоматическое поддержание платформы на заданной высоте, при которой достигается оптимальное сочетание значений запасов ходов штоков гидроцилиндров [33].
БУ 11 получает сигналы с датчиков угла наклона 6 и 7, которые пропорциональны углам наклона платформы по двум диагональным плоскостям. В БУ 11 поступают сигналы с датчиков положения штоков опор 8, эти сигналы пропорциональны положению штоков гидроцилиндров 2, 3, 4, 5. БУ 11 формирует управляющие сигналы для секций электрогидрораспределителя 12, которые управляют положением штоков гидроцилиндров опор 2, 3, 4, 5. В зависимости от положения опор изменяются углы наклона платформы 1 в горизонтальной плоскости.
Датчики давления 9 и 10 подают сигналы в БУ 11, пропорциональные давлениям в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндров 2, 3, 4, 5. Данная информация позволяет судить о степени нагружения каждой из четырех опор. При возникновении аварийной ситуации БУ 11 останавливает рабочее оборудование машины. Для этого предусмотрен блок аварийной остановки 13, который срабатывает при подаче на него сигнала от БУ 11.
Работа ГС устройства осуществляется следующим образом. В нейтральном положении всех секций электрогидрораспределителя 12 поток рабочей жидкости от питающего насоса 19 поступает в гидробак 21 через сливную магистраль с установленным на ней фильтром
16
20. При подаче сигнала напряжения на одну из секций электрогидрораспределителя 12 происходит перенаправление потока жидкости в одну из рабочих полостей соответствующего гидроцилиндра 2, 3, 4, 5. В зависимости от полярности сигнала, подаваемого на определенную секцию электрогидрораспределителя, происходит выдвижение или втягивание штока соответствующего гидроцилиндра [33].
Встроенные гидрозамки гидроцилиндров служат для предотвращения аварийной ситуации при возникновении утечек в гидролиниях. Предохранительный клапан 22 служит для предотвращения аварийной ситуации, связанной с избыточным давлением в гидросистеме при возникновении неисправностей в гидрораспределительном блоке
[33].
Использование новых элементов (датчиков давления гидрожидкости в опорах) обеспечивает возможность отслеживать степень нагружения опор и предотвращать аварийные ситуации. Использование новых элементов (датчиков положения штоков опор) обеспечивает возможность поддержания опорной платформы на заданной постоянной либо переменной высоте, позволяет избегать выдвижения штоков на максимальную длину, а также касания колесами машины опорной поверхности. Это повышает запас управляемости углами наклона платформы [33].
Использование по-новому сориентированных (в диагональных вертикальных плоскостях опорной платформы) датчиков угла наклона обеспечивает возможность устранения угла наклона платформы в каждой диагональной вертикальной плоскости 16 независимо (см. рис. 1.5), причем одновременным выдвижением одной диагональной опоры и втягиванием другой. Кроме того, гидравлическая схема заявляемого устройства в отличие от прототипа допускает приведение в действие одновременно всех четырех гидроцилиндров (см. рис. 1.6). Это повышает быстродействие устройства и гарантирует автоматическое выравнивание за один этап горизонтирования [33].
1.3. Обзор технических характеристик датчиков угла наклона
Инклинометр (датчик наклона) – это датчик, предназначенный для измерения наклона различных статических (строительные объекты и конструкции, крупные механизмы) и, до определенной степени, динамических объектов (подъемные краны, экскаваторы) относительно гравитационного поля Земли. Подобные датчики весьма широко
17
используются при строительстве железных дорог, автомагистралей, мостов, опор крупных генераторов и т.д. При изменении угла наклона пропорционально изменяется сигнал на выходе датчика. Выходной сигнал может быть по току, по напряжению или цифрового типа (RS232 или RS485). Дальнейшая обработка этого сигнала может быть произведена в различного рода измерительных приборах, управляющих системах и т.д. Сам принцип работы инклинометра основан на воздействии гравитационного поля Земли на его чувствительный элемент. Если контролируемый объект не находится в статическом состоянии, то показания датчика являются результатом взаимного воздействия как вектора земной гравитации, так и всех векторов ускорения и вибрации, которые на данный объект воздействуют. Все датчики наклона можно условно разделить на три основные группы: это одноосевые (ось X), двухосевые (оси X и Y) и трехосевые (оси X,Y и Z) датчики.
В настоящее время на рынке широкое распространение получили следующие инклинометры:
1.Инклинометры GNAMG, выпускаемые фирмой «Baumer IVO». Датчики предназначены для двухосевого высокоточного измерения угла наклона. Применение цифрового интерфейса позволяет передавать точные значения угла наклона, производить удаленное конфигурирование, делать предустановки с выдачей управляющего сигнала на исполнительное устройство. Программируемые параметры датчика: разрешение, предустановки, прохождение среднего значения. Измерительный цикл 10 Гц, установка показаний – не более
0,5 с.
Простота монтажа и разнообразие интерфейсов дают возможность использовать эти датчики не только на стационарных, но и на подвижных объектах в таких областях применения, как определение положения высотных сооружений, плотин, стволов шахт, платформ, определение величины прогибов и деформаций опор и балок мостовых и туннельных конструкций, контроль углов наклона автомобильных и железных дорог. Кроме того, решаются такие технически сложные вопросы, как определение крена транспортных средств на суше и на воде, в том числе для строительных и сельскохозяйственных машин. Инклинометры нашли свое применение в судостроении, в нефтедобывающей, перерабатывающей промышленности, в машиностроении, а также в системах безопасности и сигнализации.
2.Инклинометры типа STS-003, выпускаемые фирмой ЗАО «Росприбор». Диапазоны измерения наклона составляют до ± 90°, ис-
18
пользуются одна или две оси измерения. Характерны высокая точность, высокое разрешение. Выход возможен по току или по напряжению. Датчик компактный, ударопрочный, степень его защиты IP68. Используется чувствительный элемент на основе пьезокерамики, однако не рекомендуется использовать подобные датчики на объектах с повышенной вибрацией.
3.Датчики угла наклона серии РФ711, выпускаемые фирмой
ООО«РИФТЭК». Подобный датчик выполнен по технологии микромеханики и может применяться для измерения углов наклона в системах контроля, управления и навигации.
4.Инклинометры серии NS, выпускаемые фирмой «HLPlanartechnik». Используется кондуктометрическое измерение угла наклона. Особенность этого патентованного принципа измерения состоит в том, что он базируется на измерении объема.
Фирма «HL-Planartechnik GmbH» предлагает данные датчики в нескольких разных исполнениях. Наряду с базовым модулем NS25/B2 для «Through Hole»-монтажа, оптимизированным для разных диапазонов угла наклона и разной вязкости электролита, предлагается также модуль NS-25/C2 для SMT-монтажа.
Фирма «HL-Planartechnik GmbH» предлагает также датчики угла наклона в виде сенсорных модулей в исполнениях в виде монтажной платы или в керамическом корпусе с интегрированной электроникой. Эти модули отличаются низким током потребления и легко адаптируемой электроникой. Для работы датчиков необходимо лишь подключить питание, и на выходе появляется сигнал, пропорциональнозависимый от угла наклона.
Сенсорный модуль выходит от изготовителя полностью откалиброванным. Таким образом, при приобретении подобного модуля потребителю предоставляется возможным сразу же встраивать его в свой системный корпус. Модульное исполнение сенсора предполагает его использование в серийном производстве заказчика со средними и большими объемами производства. В распоряжение заказчика предоставляется ряд сенсорных модулей с различными выходными сигналами (интерфейсами), количеством измеряемых координат и конструктивным исполнением. Из этого большого количества можно выбрать оптимально подходящий сенсор для каждого конкретного случая применения.
5.Датчики угла наклона серии SBL1S, выпускаемые фирмой
«Seika Mikrosystemtechnik GmbH».
19