Издательско-полиграфическая ассоциация высших учебных заведений В. П. Ложечко В. В. Букреев АВТОМАТИЗАЦИЯ И РОБОТИЗАЦИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Учебное пособие Санкт-Петербург 2019 УДК 69.002.5 ББК 38.6-5 Л 71 Ложечко В. П. Автоматизация и роботизация в строительстве: учебное пособие / В. П. Ложечко, В. В. Букреев. – СПб.: Издательскополиграфическая ассоциация высших учебных заведений, 2019. — 174 с. Учебное пособие содержит основные понятия и принципы построения систем автоматического управления и регулирования, сведения об элементах автоматических устройств и строительных роботов. Описаны системы автоматизации рабочих процессов и машин в строительном производстве, конструкции строительных роботов и манипуляторов. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Наземные транспортно-технологические комплексы», и может быть полезно для специалистов, занимающихся вопросами автоматизации строительных и дорожных машин, предприятий строительной индустрии ISBN 978-5-91155-057-8 © Ложечко В. П., Букреев В. В., 2019 © Издательско-полиграфическая ассоциация высших учебных заведений, 2019 Содержание ВВЕДЕНИЕ…… ……………………………………………………………..…..… 5 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ……………………………....… 7 1.1. Механизация и автоматизация в строительстве …………………..………..7 1.2. Состояние и перспективы развития парка СДМ ……………………..……13 1.3. Государственная система приборов …………………………………..……19 2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ …..….22 2.1. Классификация систем автоматизации ………………………………….....22 2.2. Принципы построения систем автоматизации ………………………….....26 2.3. Характеристики процессов управления в системах автоматизации …..…31 2.4. Законы регулирования …………………………………………………..…..34 2.5. Человеко-машинные системы управления ………………………………..36 3. АВТОМАТИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН …..…...45 3.1. Общее состояние автоматизации СДМ ……………………………….........45 3.2. Основные направления автоматизации СДМ …………….……….……….52 3.3. Автоматизация экскаваторов ……………………………………….………57 3.3.1. Копирная САУ рабочим органом одноковшового экскаватора ………57 3.3.2. Система управления РО гидравлического экскаватора ………..……...61 3.3.3. Система регулирования положения стрелы экскаватора ………..…....64 3.3.4. Автоматизация многоковшовых экскаваторов …………….………..…66 3.4. Автоматизация бульдозеров …………………………………………..……67 3.5. Автоматизация скреперов ………………………………………………..…73 3.6. Автоматизация автогрейдеров …………………………………………..….77 3.7. Автоматизация укладчиков …………………………………………………80 3.8. Автоматизация уплотняющих машин ……………………………….….….85 3.8.1. Оптимизация параметров и режимов работы дорожных катков….…..85 3.8.2. Устройства для оперативного контроля плотности асфальтобетона ...87 3.8.3. Автоматизированное вакуумное балластное устройство к дорожному катку …………………………………………………..…..90 3 3.8.4. Автоматизация вибрационных катков …………………………...…..…96 3.8.5. Зарубежные системы автоматизации процессов уплотнения .………..…100 4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ДОЗИРОВАНИЯ, ДРОБЛЕНИЯ И СМЕШИВАНИЯ ………………………………………………………...…..107 4.1. Автоматизация процессов дозирования …………………………….……107 4.2. Автоматизация процессов дробления ………………………….…………111 4.3. Автоматизация процессов смешивания ………………………….……….115 4.4. Математические модели объектов автоматизации ………………………118 5. РОБОТИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ ………………………….129 5.1. Классификация строительных роботов и манипуляторов ………………129 5.2. Структурная организация промышленных и строительных роботов …..133 5.3. Строительно-монтажные роботы и манипуляторы ……………………...135 5.4. Роботизация производства бетонных работ ……………………………...141 5.5. Роботизированные комплексы для штукатурных работ ………………...145 5.6. Малярные роботы и роботизированные комплексы …………………….151 5.7. Роботизация сваебойных работ …………………………………………...156 5.8. Технологии и оборудование 3D-печати в строительстве ………………..158 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………………..172 4 ВВЕДЕНИЕ Строительные и дорожные машины (СДМ) и оборудование используются для механизации работ на строительной площадке, производимых в разнообразных и быстроменяющихся условиях. Производительность и качество работы определяется знаниями, навыками, и личными особенностями людей, управляющих машинами. Непрерывный происходит количественный быстрее и увеличения качественный численности рост парка машинистов машин высокой квалификации. Поэтому и вследствие ряда других причин все более актуальной становится задача автоматизации управления рабочими процессами в строительстве. Автоматизация - одно из направлений дальнейшего развития и повышения эффективности производственных процессов. Автоматизация освобождает человека от выполнения монотонных и утомительных операций, снижает зависимость эффективности работ от физического развития, производственных навыков и состояния здоровья машиниста. И главное, автоматизация позволяет внедрять в управление рабочими процессами машин передовые методы. Тем самым автоматизация позволяет повысить и поддерживать постоянный уровень эффективности работы машин. При этом открывается и ряд других возможностей, например оптимизация динамических режимов работы машин, в результате чего снижается их износ, а следовательно, уменьшаются потери времени и сокращается расход горюче-смазочных материалов. Сложность технологических процессов, выполняемых в строительстве, неоднозначность различными и изменчивость возмущающими условий работы воздействиями, СДМ, определяют связанных с значительные трудности автоматизации, так как создаваемая как заместитель человекаоператора система автоматического управления (САУ) должна обладать функциональными возможностями, соответствующими сложности процессов. В том, что этому ранее не придавалось должного значения, заключается одна из 5 причин низкого уровня автоматизации в строительстве. Кроме того, в настоящее время автоматизация технологических процессов и машин в строительстве определяется широким использованием современных средств микропроцессорной и микроэлектронной техники. Поэтому современному инженеру, работающему в строительной отрасли и занимающемуся вопросами автоматизации технологических процессов и машин, необходимо знать: • технологические процессы и классификации СДМ как объектов автоматического контроля, управления и регулирования; • принципы построения и элементную базу систем автоматизации; • динамические процессы, происходящие в САУ СДМ с математическим описанием в виде передаточных функций; • технико-экономическую эффективность внедрения САУ СДМ; • отечественный и зарубежный опыт развития автоматизации СДМ; • концепцию дальнейшего развития автоматизации СДМ. Автоматизация и роботизация в строительстве - один из основных путей интенсификации производства. Бурное развитие новых средств автоматики и вычислительной техники заставляет специалиста в области проектирования и эксплуатации СДМ непрерывно совершенствоваться. Серьезное внимание должно уделяться дальнейшей самостоятельной подготовке, особенно изучению новых разработок и принципов их внедрения в строительную отрасль. В этом основа успешной практической деятельности современного специалиста по СДМ. 6 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 1.1. Механизация и автоматизация в строительстве Существенное повышение эффективности строительного производства обеспечивается путем постоянного совершенствования технологии, организации и управления рабочими процессами, используемых машин и оборудования. Одновременно основное значение в указанных видах работ приобретает не только механизация, но автоматизация и роботизация в строительстве. Механизация и автоматизация строительного производства также постоянно совершенствуются, так как дают возможность увеличивать темпы строительства, снижать трудоемкость и стоимость работ, повышать их качество, улучшать и облегчать условия труда обслуживающего персонала, обеспечивать безопасность выполняемых работ, перейти к завершению полной механизации тяжелых и трудоемких процессов и от механизации отдельных простых процессов строительства к комплексной их механизации и автоматизации. В соответствии с этим в строительстве различают частичномеханизированные, комплексно-механизированные и автоматизированные виды работ. При частично-механизированных работах основные операции выполняются с помощью машин, оборудования, установок и инструментов, имеющих механический, электрический, пневматический, гидравлический и комбинированные приводы. Например, наиболее трудоемкая операция технологического процесса по отрывке грунта при производстве земляных работ выполняется экскаватором. Однако, при частично-механизированных работах еще в значительных объемах применяется ручной труд. При комплексно-механизированных работах все тяжелые и трудоемкие операции и процессы производятся машинами, лишь некоторые вспомогательные операции выполняются механизированным инструментом. 7 Комплексная механизация (КМ) предопределяет максимально возможное на современном уровне техники вытеснение ручного труда и предусматривает максимальный экономический эффект. В комплексе имеется одна ведущая (основная) машина и дополняющие ее машины, которые увязаны между собой и ведущей машиной по производительности и иным параметрам (емкость ковша, грузоподъемность, скорость и т.п.) так, чтобы достигалась наибольшая производительность труда, наименьшая стоимость, оптимальные показатели использования основных машин и сокращение сроков работ. Эффективность КМ обеспечивается не только путем увеличения количества машин в комплексе, но и в результате наиболее рационального их использования и обновления комплекса высокопроизводительным оборудованием. Развитие КМ в строительстве характеризуется следующими цифрами: земляных и монтажных работ механизировано 95%, бетонных и железобетонных - 93%, на строительстве дорог - 96%, штукатурных - более 60%, малярных - 70%. На 5% земляных и монтажных работ, не охваченных КМ, занято рабочих больше, чем на механизированных. Другой пример: объем земляных работ в РФ, выполняемый разными машинами: экскаваторами циклического действия – 42%, экскаваторами непрерывного действия – 4%, бульдозерами – 36%, скреперами – 8%, грейдерами – 2%, прочими машинами – 7,6%. В соответствии с приведенным примером уровень механизации земляных работ составляет 99,6%. При этом на работы, выполняемые вручную, приходится 0,4%, хотя занято на них такое же количество человек, как и на механизированных работах. Эффективность КМ оценивается ее уровнем (УКМ ), в %: У КМ V КМ , V КМ VЧМ V Р 8 где V КМ - объем работ, осуществляемый комплексно-механизированным способом (в натуральных единицах измерения); V ЧМ - объем работ, выполняемых с частичной механизацией; V РМ - объем работ, ведущихся вручную. Автоматизация технологических процессов и машин включает в себя понятия "автоматика" и "автоматизация", которые не следует отождествлять. Автоматика - отрасль науки и техники, разрабатывающая теорию и методы автоматизации технологических процессов, а автоматизация - это применение технических средств автоматики, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в производственном процессе. При автоматизированных процессах различают частичную, комплексную и полную автоматизацию Частичная автоматизация предусматривает применение автоматического оборудования, приборов и устройств на отдельных, преимущественно основных производственных операциях. Большинство СДМ оснащено такими приборами и устройствами для отключения или ограничения действия машин и их рабочих органов, учета работы, регулирования скорости движения рабочих органов, траектории их движения (например, глубина копания траншей с заданным уклоном для землеройно-транспортных машин) и т.д. Частичная автоматизация часто осуществляется, когда управление сложными процессами практически невозможно для человека, или когда процесс ведется в опасной для его жизни обстановке. Комплексная автоматизация предусматривает применение системы связанных в единую технологическую линию отдельных агрегатов, машин, приборов и устройств, осуществляющих все (как основные, так и вспомогательные) операции производственного процесса. При этом оператором или машинистом выполняются только операции пуска и остановки, а поддержание заданных параметров производственного процесса во всех его звеньях происходит автоматически. 9 Полная автоматизация позволяет выполнять не только все основные и вспомогательные производственные операции, но и полностью осуществлять автоматическое управление и контроль за процессами, в том числе изменение по заданной программе параметров и вида продукции. Она целесообразна, когда производство рентабельно и устойчиво, режимы его неизменны, а также при относительной недоступности объекта труда. При определении степени автоматизации производства надо учитывать экономическую эффективность и целесообразность ее в каждом конкретном случае. Степень автоматизации характеризуется долей участия человека в управлении процессами или оборудованием и оценивается коэффициентом автоматизации: Ка 1 n t Hi 1 i n j j t a , i где t H - среднее время по множеству i операций, затрачиваемое на реализацию неавтоматизированных операций; t aj - среднее время по множеству j операций, затрачиваемое на автоматическое их выполнение. При ka 0,98 уровень автоматизации весьма высок, фактически оператору остаются только контрольные функции. При 0,5 ka 0,98 достигается средний уровень автоматизации; процесс называется автоматизированным. При ka 0,5 имеет место низкий уровень автоматизации. Автоматизация строительного производства и СДМ еще отстает от уровня автоматизации ряда промышленных производств, что обусловлено сложностью и многообразием строительных процессов, недостатками в унификации и стандартизации, разобщенностью и большим фронтом работ по протяженности. 10 Средства автоматизации разделяют на устройства управления, защиты, регулирования и контроля. В каждой строительной и дорожной машине используются различные комбинации указанных видов устройств, однако основным направлением является автоматизация управления рабочими органами. Управление по степени участия в нем человека можно разделить на неавтоматическое, автоматизированное и автоматическое. При этом следует отметить, что в последнее время существенно изменилась аппаратура управления, используемая в СДМ. Неавтоматическое управление машиной бывает ручное и механизированное. В первом случае человек сам определяет необходимые действия по управлению технологическим процессом, осуществляет и контролирует их визуально или по показаниям простейших приборов. Во втором случае исполнительных технологический механизмов, процесс использующих управляется с помощью дополнительную энергию (электрическую, сжатого воздуха или рабочей жидкости). При этом приборы через соответствующие преобразователи только информируют человека о нарушениях технологического процесса. При автоматизированном управлении часть операций технологического процесса осуществляется механизмами управления без участия человека. В этом случае сигналы преобразователей о нарушении технологического процесса принимаются не только приборами сигнализации, но и сервомеханизмами. Последние, воздействуя самостоятельно на механизмы управления, могут остановить действие рабочего органа или всей машины. На долю человека приходится работа по устранению неисправности и повторного запуска машины в работу. Автоматическое управление предусматривает управление по командам преобразователей или программного механизма. Эта система состоит из двух основных частей: контролирующей и управляющей. При таком управлении человек занят только предварительной установкой определенной программы (алгоритма), устранением неполадок 11 по сигналам преобразователей (регулировка и ремонт механизмов), а также пуском машины в работу или ее отключением. Такое управление технологическими процессами осуществляется системой автоматического управления (САУ), представляющей совокупность взаимодействующих между собой управляемого объекта и управляющего устройства без непосредственного участия человека и независимо от его квалификации. Автоматизированное и автоматическое управление производственными процессами преимущественное распространение получило на предприятиях по изготовлению асфальтобетонных и цементобетонных смесей, а также при изготовлении серийных железобетонных изделий (плит, колонн, блоков). Однако автоматизация все шире применяется и в СДМ при выполнении как отдельных операций, так и различных их комбинаций. В большой степени этому способствует широкий перевод большинства машин на гидравлические системы управления рабочими органами. В отличие от механических эти системы позволяют снизить металлоемкость, эффективней использовать возможности регулирования положения рабочих органов или самой машины в пространстве и обеспечить повышение качества выполняемых работ и производительности. В соответствии с этим в настоящее время для землеройных (экскаваторы), землеройно–транспортных (скреперы, бульдозеры, автогрейдеры) и дорожных (катки, укладчики) машин, а также стреловых кранов разработаны и внедряются микропроцессорные системы управления, регулирования, диагностики и безопасности. При этом следует отметить особенности устройства и работы СДМ различного назначения, которые должны быть положены в основу при разработке соответствующих систем управления. В строительных машинах, особенно в землеройно-транспортных и дорожных, необходимо управлять одновременно несколькими параметрами, такими как курс машины, продольный и поперечный уклон, оптимальная загрузка приводного двигателя, 12 подача и температура укладываемых материалов, осуществлять независимое регулирование в многоконтурных системах, компенсировать воздействия на объекты управления нагрузок от неровности поверхности, температуры окружающего воздуха и скорости ветра, регулировать параметры в широком диапазоне времени и т.д. Помимо этого для выбора требуемых параметров в машинах необходимо использовать специальные бортовые микро-ЭВМ. В связи с развитием комплексной автоматизации в последнее время большое распространение в строительстве получают роботы и различные манипуляторы. Под манипулятором понимают механизм, осуществляющий под управлением оператора действия, аналогичные действиям руки человека. Строительный манипулятор не имеет в своей системе управления никаких вычислительных устройств. Однако для обеспечения точного позиционирования в состав строительного манипулятора могут входить различные информационно-измерительные устройства (лазерные, телевизионные и др.). Строительный робот – это манипулятор с системой автоматического управления, программирование которым осуществляется посредством специальной рукоятки управления. 1.2. Состояние и перспективы развития парка СДМ Парк машин - совокупность однородных машин для выполнения заданных объемов работ (взаимосвязь машин не обязательна). Производственные мощности строительных организаций складывались в основном в 80-ые годы прошлого века и были ориентированы, главным образом, на крупномасштабное реформирования активной части строительство. народнохозяйственного основных фондов Вследствие комплекса оказалась начавшегося значительная невостребованной. доля По укрупненным расчетам в 90-ые годы уровень использования строительной техники снизился в 4-6 раз. Движение основных фондов происходило в одностороннем порядке – списание техники при крайне незначительном ее 13 обновлении. Средний срок службы оборудования вдвое превысил нормативный. Проблема номер один – старение основных фондов. В 1992-1997 годах уровень обновления парка машин составлял не более 2% в год при норме 812%. В кризисном 1998 г. он не превысил 0,5% против 5,4% в 1990 г. В результате степень износа основных фондов превзошла критическую отметку в 50%. В начале 2000-ых годов отрицательную динамику удалось переломить – наметилось омоложение парка строительных машин. На 2005 г. удельный вес машин с истекшим сроком службы составлял: для экскаваторов – 38%, для бульдозеров – 47%, скреперов – 48%, мобильных кранов – 45%. Низкая обновляемость парка СДМ объясняется, в первую очередь, резко снизившейся в 90-ые годы инвестиционной активностью. Сокращение инвестиций существенно повлияло как на производство строительных машин, так и на их использование. Менее чем за 10 лет объемы производства этого сегмента техники отечественными заводами снизилось более чем в 6 раз. Если в 1991 г. было выпущено 21,1 тыс. экскаваторов и 11,7 тыс. бульдозеров, то в 1999 г. – 2571 экскаватор и 2426 бульдозеров. Несмотря на абсолютное сокращение числа машин и механизмов, строительство остается весьма машиноемкой отраслью экономики. Потребность строительных организаций России в техническом перевооружении оценивается экспертами не менее чем в 1,7 млрд. долларов. Структура парка основных СДМ и механизмов в России в последние годы отличается стабильностью. Отмечено лишь некоторое увеличение доли передвижных кранов. Несмотря на списание мощной техники, ее удельный вес в парках бульдозеров, транспортных средств, автомобильных кранов все еще достаточно весом. Мобильной техники малой мощности и грузоподъемности, доля которой по оценкам экспертов должна составлять не менее 60%, сейчас в наличии не более 30%. Это является существенным недостатком, поскольку использование на мелкомасштабных работах мощных машин и механизмов сопровождается ростом затрат – стоимость машино-смены такого оборудования 14 в 1,5-2 раза превышает аналогичный показатель для маломощной техники. И если общие показатели механооснащенности в России еще сопоставимы с соответствующими показателями развитых стран, то качественный состав парка строительных машин не отвечает требованиям прогрессивных технологий. Оснащение строительных организаций физически и морально изношенным, нерациональным по структуре парком машин и транспортных средств, предопределяет их низкую рентабельность. Эксплуатация устаревшей техники требует от строительных организаций повышенных затрат. С возрастом производительность оборудования значительно снижается. Например, выработка одноковшового экскаватора на десятом году службы на 40-50% меньше, чем у новой машины. И если учесть высокий уровень износа парков землеройной и крановой техники, производственная мощность строительных организаций только за счет этого фактора ниже нормативной на 20-30%. Согласно данным Госкомстата РФ, в 2013 г. уровень наличия основных машин и механизмов к 2001 г. составил по экскаваторам – 55,6%, скреперам – 19,2%, бульдозерам – 49,6%, кранам башенным – 44,3%, кранам на автомобильном ходу – 51,1%, кранам на гусеничном ходу – 46,4%, автогрейдерам – 62,3%. Собственное производство строительной техники в последние 15 лет значительно сократилось (см. табл. 1.1), а удельный вес машин зарубежного производства в строительных фирмах России вырос. Если в 2001 г. доля импортной техники составляла в среднем 21%, то в 2009 г. эта цифра составила 30%, а в 2013 г. – 39%. По итогам 2013 г. на долю импорта в штучном выражении приходилось 83,2% рынка, соответственно на российскую технику – всего 16,8%. Сегодня уже созданы условия для переоснащения парка строительной техники машинами нового поколения, в том числе мини-техникой. Вместе с тем на рынке отсутствуют полноповоротные экскаваторы ёмкостью ковша 0,0515 0,15 куб. м, мобильные башенные краны грузоподъемностью 1,5-2 т, универсальные гидравлические погрузчики грузоподъёмностью 2-3 т, фрезерные машины для снятия асфальта и другая техника. Для сравнения: шведская фирма «Дюнапак» выпускает более 20 моделей самоходных катков и 30 моделей вибротрамбовок и виброплит, а Рыбинский завод дорожных машин – соответственно 11 и 2 модели. Немецкая фирма «Оренштайн и Коппель» выпускает 34 модели колёсных и гусеничных экскаваторов, а все наши экскаваторные заводы – только 8. Это одна из проблем, для решения которой необходимо осуществить реструктуризацию дорожно-строительного машиностроения. Таблица 1.1 Производство строительной техники в РФ (шт.) Годы Экскаваторы Автокраны Погрузчики Бульдозеры Автогрей- Дробилки деры 1991 21100 - - 11700 - - Краны башенные - 1996 2500 2300 - - - - - 1999 2571 - - 2426 - - - 2000 3370 2354 2369 3029 1709 - 2526 2001 3603 2976 1817 2677 1295 247 - 2002 3172 2853 1485 1640 996 225 1138 2003 2882 3126 1342 947 207 536 2004 2555 2939 981 1798 853 199 165 2005 3560 3700 1782 962 130 2006 3985 2800 2219 1053 40 2007 6272 2200 3349 1302 31 2008 5506 1000 3139 1364 29 2009 1391 - 721 660 - 2010 2121 - 911 943 - 2011 2112 4100 1790 1228 93 2012 2800 - 2000 1800 - 1686 16 Конец второго и начало третьего тысячелетия в России характеризуются повсеместным использованием импортной строительной и землеройной техники. Доля продаж импортных машин по ряду субрынков достигает 75-80%. Так, среди бульдозеров, скреперов, кранов на гусеничном ходу импортных машин более 30%. Импортная продукция стабильно пользуется высоким спросом, хотя ее стоимость в 3-5 раз выше отечественной. Цена собранных в России машин с использованием высокотехнологичных комплектующих зарубежных фирм ниже стоимости зарубежных аналогов только на 15-30%. Причин высокого спроса на импортную продукцию несколько. Иностранные банки и правительства активно кредитуют своих машиностроителей, и те могут позволить продавать технику в рассрочку, на льготных условиях, по приемлемым для российских потребителей схемам. Еще одним доводом в пользу приобретения импортной техники служат низкие эксплуатационные расходы. Очевидно, что технический уровень значительной доли отечественных машин низок. При большом весе, они имеют меньшую мощность и производительность, а такие показатели, как ресурс до списания и наработка на отказ у них на 27-30% ниже показателей техники зарубежного производства. Российская техника пока существенно уступает зарубежной и по причине несоблюдения требований международных норм эргономики, экологии и дизайна. Рынок импортных машин в России сформировался. При примерно равном качестве машин, производимых мировыми компаниями, успех той или иной марки на рынке определяет профессионализм дилеров и сервисных фирм. С большой долей вероятности можно прогнозировать усиление конкуренции на рынке сервиса импортной техники. Останутся только ремонтные организации, способные предложить комплексный сервис и имеющие разветвленную сеть филиалов. В настоящее время значительный объем строительных работ по-прежнему выполняется вручную. Это объясняется 17 тем, что оставшиеся немеханизированные работы практически не поддаются механизации традиционными средствами. Так, например, на земляных работах – это разработка грунта в естественных условиях при реконструкции действующих производств, зачистные работы после экскавации траншей и небольших котлованов крупноразмерными ковшами, чистовая планировка дна и откосов траншей, обратная их засыпка. В перспективе необходимо иметь парк СДМ, сбалансированный с числом обслуживающего персонала, составом строительных объектов и технологических процессов. Это может быть достигнуто благодаря созданию как высокопроизводительных машин с увеличенными основными параметрами, так и мини-машин; многофункциональных машин со сменными рабочими органами, обеспечивающими эффективную механизацию работ, выполняемых в настоящее время вручную; надежных машин, способных работать без капитального ремонта до списания, а также автоматизированных комплексов энергосберегающих машин, обеспечивающих повышение производительности и качества выполнения работ, безопасность, экономию энергетических и трудовых ресурсов. Кардинальная перестройка экономики и хозяйственного механизма в стране ставит перед производителями строительной техники задачу по коренному повышению технического уровня и конкурентоспособности машиностроительной продукции. Эта задача не может успешно решаться без широкого применения в выпускаемых строительных машинах современных средств автоматизации. При этом создание и производство широкономенклатурного ряда конкурентоспособных средств автоматизации, обладающих высокими потребительскими свойствами, должны прежде всего основываться на знании рынка и ориентироваться на запрос потребителя. Здесь следует заметить, что введение западными странами санкций в отношении РФ (с 2014 г.) должно серьезно сократить объемы поставок импортной техники и подвигнуть отечественные предприятия к наращиванию объемов выпуска новых, в том числе автоматизированных машин. 18 А в т о м а т и з а ц и я С Д М приобретает первостепенное значение для повышения технического уровня и надежности машин, облегчения труда машинистов, экономии энергоресурсов. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что качественный скачок в развитии автоматизации может быть достигнут только при условии максимального использования средств микроэлектронной и лазерной техники при соответствующем соотношении гидравлических, электрических и электрогидравлических систем автоматики. В связи с этим создана автоматизированная система контроля работы двигателя, трансмиссии и рабочих органов в виде единого управляющего узла, состоящего из устройств слежения за режимом нагружения (сенсоров), обработки сигналов, поступающих от датчиков, с программированием оптимальных параметров (мини-ЭВМ на базе микропроцессора) и электрогидравлического оборудования, преобразующего полученные команды в силовое воздействие на исполнительные органы. Это обеспечивает автоматическую адаптацию машин к соответствующим режимам перемещения машины пространстве. Такими скреперы, или автогрейдеры, нагружения изменения системами путем положений оснащаются многоковшовые изменения рабочих скорости органов в бульдозеры-рыхлители, экскаваторы, траншейные и применительно к бестраншейные дреноукладчики и другие самоходные машины. Дальнейшее развитие микропроцессорной техники строительному производству служит фундаментом для создания строительных роботов и манипуляторов, которых в настоящее время пока еще очень мало в РФ, но есть понимание, что в строительной отрасли за ними будущее. 1.3. Государственная система приборов Государственная система приборов (ГСП) представляет собой комплекс унифицированных и взаимозаменяемых устройств, предназначенных для получения, обработки и отображения информации. Внедрение в нашей стране Государственной системы приборов (ГСП) позволило наладить выпуск датчиков, преобразователей, исполнительных 19 механизмов и других средств автоматизации с унифицированными входными и выходными параметрами. Унификация приборов по техническим характеристикам позволила реализовать блочно-модульный принцип построения систем автоматизации технологических процессов, существенно облегчающий их проектирование, монтаж и наладку, снижающий эксплуатационные затраты. Основу блочномодульного построения систем автоматизации составляет принцип унификации выходных сигналов. Изделия ГСП комплектуются из базовых конструкций с унифицированными структурами, параметрами модулей и сигналами. Приборы ГСП классифицируются по ряду признаков. По функциональному признаку они делятся на четыре группы: 1. Устройства, обеспечивающие получение информации о состоянии объекта управления (ОУ) - датчики; регистраторы и нормирующие устройства, формирующие унифицированный сигнал; анализаторы, реагирующие на определенное значение измеряемых параметров и выдающие дискретные сигналы; устройства формирования и передачи по каналам связи алфавитноцифровой информации. 2. Приборы, обеспечивающие преобразование информации о состоянии ОУ - преобразователи сигналов и кодов, коммутаторы измерительных цепей, устройства телеизмерения и телесигнализации. 3. Приборы, осуществляющие хранение и обработку информации с формированием операционные управляющих преобразователи, воздействий анализаторы - функциональные сигналов, и запоминающие устройства, задатчики, регуляторы, микропроцессоры и управляющие ЭВМ. 4. Устройства выдачи управляющей информации, обеспечивающие исполнение команд - электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные исполнительные механизмы. По способу представления информации приборы ГСП подразделяются на аналоговые и дискретные. 20 По виду носителей информации приборы ГСП можно разделить на две группы - энергетическую (электричество, сжатый воздух, жидкость и автономные приборы, использующие энергию, которую получают от объекта измерения) и вещественную (перфоленты, магнитные ленты и диски). Одним из основных средств общения специалистов разных профессий при автоматизации технологических процессов и производств служит язык схем автоматизации (ГОСТы 21.404-85, 2.701-76. 19.002-80, 19.003-80). В процессе инженерного анализа и проектирования применяют структурные, функциональные, алгоритмические, принципиальные и монтажные схемы. Структурная схема определяет основные части системы автоматизации и их взаимосвязи. Целью построения структурной схемы является определение основных контуров системы автоматизации, обеспечивающих функционирование средств автоматики. При этом для обозначения элементов системы, как правило, применяют прямоугольные блоки. Функциональная схема автоматизации отображает функциональные связи между управляемым объектом и средствами автоматики. Она указывает на технические решения по автоматизации, являясь одним из основных проектных документов и средством общения конструкторов и технологов со специалистами по автоматизации машин и процессов в строительстве. Алгоритмическая схема (ГОСТы 19.002-80, 19.003-80) отображает последовательность действий, выполняемых в процессе решения задачи. Принципиальная схема (ГОСТы 2.701-76, 2.758-81) определяет полный состав элементов системы и связей между ними. Монтажная схема определяет соединение элементов, провода, кабели, разъемы, зажимы, трубопроводы и т.п., а также показывают места их присоединения и ввода. 21 НОВНЫ ЫЕ ПРИН НЦИПЫ А АВТОМА АТИЧЕС СКОГО У УПРАВЛЕ ЕНИЯ 2. ОСН 2.1. Кл лассифик кация систем авттоматизац ции Под д автомаатизацией й поним мают при именение техничееских ср редств для д управл ления объ ъектами без б непосрредственн ного участия человвека. Объ ъект уп правления (автом матизации и) — этто маши ины, обо орудовани ие, агрегааты, техно ологическ кий проц цесс, элек ктрифици ированный й инструмент и др., д для ко оторого разрабаты ывается ссистема автомати изации (С СА). Упр равляющ щее устрой йство (У УУ) — такое т усттройство, с помо ощью кооторого достигает д тся поставвленная цель. ц Сов вокупноссть объек кта управ вления (О ОУ) и УУ У образу ует систем му автом матического управвления. В самых общих ччертах сттруктурну ую блок-ссхему мож жно предсставить в следующ щем виде (рис. 2.1)): Рис. Р 2.1. Сттруктурнаяя блок-схем ма САУ бота любой САУ характерризуется зависимо остью вхходных и выходны ых Раб парамеетров. Параметтры, по которым м ведетс ся управвление, называют н тся управл ляемыми,, или регу улируемы ыми пара аметрами и (РП). Ессли их неесколько, то примееняют упр равляемый й вектор - интеграальный РП П. На при имере авто оматизац ции роторн ного тран ншеекопаттеля, у кооторого несколько н о РП (толлщина стр ружки, ку урс и скор рость дви ижения маашины, м мощностьь на валу двигателля, углы резания р Р РО машин ны), инттегральны ым РП могут быть б фи изическиее свойсттва грунтта, перемеенный рельеф местности и др. 22 Разновидносстью САУ У являютсся систем мы автом матическ кого регулирования (САР)), поддерживающи ие постояянство ил ли измен нение по требуемо ому зако ону физической вел личины, характери х изующей управляем у мый проц цесс. Инф формацияя о цели управлеения задаается с помощью задающеего сигнаала Хвх(t) - напримеер, требуеемое загллубление,, курс, скорость и т.д. В самом общем случаее процессс управления зааключаеттся в сл ледующем м: к УУ У подаеттся инфор рмация о цели упр равления Хвх(t), о возмущен ниях FB(tt) и о сосстоянии ОУ О Yвыx(t). Величи ина послеедней оп пределяеттся соотв ветствующ щим датч чиком, или и чувств вительны ым элемеентом (ЧЭ Э). В УУ эта инфо ормация аанализиру уется, поссле чего вычисляеется степ пень удааленности и фактич ческих Р РП от заданных и вырабатываетсяя управляяющее вооздействи ие (УВ) U(t), U которрое дейсттвует на ОУ О таким образом м, чтобы приблизи ить факти ическое значение з параметр ра Yвых(t)) к заданн ному Xвх(tt). Наи иболее простые п САР - разомкну утые. К ним отн носятся следующ щие систем мы. Рис. 2.2. Блок-ссхема САК К 1. С САК - системы с автомати ического контроля я (рис.2.22), обесп печивающ щие фиксац цию и измерение Измер рительно ое вели ичины устр ройство РП, (ИУ) харак ктеризую ющего предназн начено для рааботу О ОУ. определен о ния контро олируемо ого параметра, преообразован ния в удо обную форрму и изм мерения его е величи ины. ИУ включает в т в себя даатчик и измерител и льную цеп пь. Датчик реагиру ует на иззмерения РП и преобраазование его в другую форму (напримеер, электр рическую). В кач честве и измерител лей обыч чно прим меняютсяя мостовые схемы ы. Сигнал от ИУ мал по мощ щности, и его необходимо усилить с помощьью усили ителя (УС С). Чтобы ы зафикси ировать сигнал для я полезноого испол льзованияя в 23 ОУ, его нео обходимо зарегисстрироватть в регистрируующем устройсттве (самоп писец, диссплей). 2. С САС - сисстемы авттоматичесской сигн нализации и (рис. 2.33), предназначенные для теех же цеелей, что и САК, но тольько с под дачей свеетовой мигающей й и звуковвой сигнаализации при приб ближении контроли ируемогоо параметр ра к своем му предел льному значению ю. Блок--схема САС, С кро оме САК К, содер ржит бл лок сигнал лизирующего уст тройства (СУ). Рис. 2.3. Блок-ссхема САС С Рис. Р 2.4. Сттруктурнаяя блок-схем ма САЗ САЗ - си истемы ав втоматичческой защ щиты (ри ис. 2.4), ввключающ щие в сеебя 3. С САС и устр ройство останов вки (оттключения) ОУ при ии превышен п контро олируемо ого параметра свои их допусттимых (пр редельныхх) значени ий. 4. Р Разомкну утые САР Р (рис. 2..5) преднаазначены для упраавления отдельным о ми операц циями ОУ У (пуск механизм мов в фу ункции вр ремени и останов вки, рабо ота механи измов по датчикам м уровня и др.). Рис. 22.5. Разомк кнутые САР Р 24 Зам мкнутые САР С образуют слож жный клаасс систем м в автом матике (ри ис.2.6): Рис.. 2.6. Замкн нутые САР 1 - задаающее усттройство формирует ссигнал, нессущий инф формацию о цели управления; 2 датчик (ИУ) дл ля контро оля факти ического значения з регулируем мого парааметра; 3 вычисл лительное устройств во или эллемент ср равнения (ЭС) для вычисления степеени отклонеения факти ического зн начения от заданного: A = Yвыx(t)) – Xвх(t) илли A = Yфакт(t) – Хзад(t)); 4 - корреектирующее устройсттво вводитсся в САР специально с о для улучш шения ее динамическ д ких свойствв; 5 - усил лительно-п преобразую ющее устро ойство для я усиленияя входного о сигнала до мощноссти, достааточной дл ля работы ы исполниттельного механизма; м ; 6 - исп полнительн ный механи изм для возд действия на н ОУ (8) чеерез регули ирующий орган о (7). По простран нственном му распооложению ю все систтемы авттоматизац ции деляттся на 3 гр руппы: меестные, дистанциоонные и теелемеханические. В м местных СА вся аппаратуура (пулььты, щитты, показзывающиее прибор ры) находяятся в неп посредств венной бллизости отт ОУ. В дистанц ционных СА ччасть теехнически их средсств находится на незнач чительном м удален нии от О ОУ (до нескольки н их сотен метров). При это ом примееняется пр роводная связь. В т телемеха анических СА чаасть аппааратуры находитсся на значительно ом удален нии дру уг от друга. В Все тел лемеханич ческие системы содерж жат дополн нительно еще три устройсттва: • коди ирующее устройсство для преобраззования РП в фоорму, уд добную для д передаачи сигн нала на значителльное рассстояние без сущ щественн ных потеерь полезн ного сигн нала; • канаал связи для переедачи упрравляющ щих сигна алов (эфи ир, кабел льная связь, оптико о-электро онная связзь); 25 • деко одирующеее устрой йство (деешифрато ор), котор рое решаеет обратн ную задаачу кодиро ования и преобраазует заккодирован нный сиггнал в фоорму, уд добную для д дальнеейшего егго примен нения в теелемехани ических системах. с . ринципы ы построеения систтем автом матизаци ии 2.2. Пр Дляя построеения систтем упраавления необходим н мо располлагать сл ледующим ми тремя типами информац и ции: 1) о цеели управвления - Xвх(t); 2) о вн нешних во озмущени иях на ОУ У - FB(t); 3) о теекущем со остоянии регулирууемого паараметра в ОУ - Yвыых(t). В заависимоссти от тогго, какие ттипы инф формации и использууются в управлени у ии, все СА АУ делят на две бо ольшие грруппы: а) разо омкнутыее - САК, САС, С САЗЗ (см. выш ше); б) замккнутые - САР. Разомкнутыее САУ бывают трех ти ипов (рис с. 2.7, 22.8, 2.9). Если для д управл ления исп пользуетсся информ мация тол лько о цел ли управлления Xвх(t), ( то так кие систем мы называают САУ У по задан нному во оздействи ию (рис. 22.7). Ри ис. 2.7. СА АУ по задан нному воздействию СА АУ по возмущаю в ющему воздейст твию, ил ли систеема автоматическ кой компен нсации задания з Xвх(t) от возмущеения внеш шнего вооздействи ия FB(t): на ии входе системы использу уется инф формацияя только о возмущ щающем воздейств в (рис. 2 2.8). 26 Рис. 2.8. САУ п по возмущаающему во оздействию ю Ком мбинировванные разомкнут р тые САУ У использзуют обаа вида информац и ции (рис. 2 2.9). Рис. 2.9. Комби инированны ые разомкн нутые САУ У Разомкнутыее САУ применяяются то огда, коггда к каачеству управлен ния предъяявляютсяя невысокие требоввания. При инципиал льным отл личием заамкнутых х САР от разомкну р утых является то, что ч для уп правленияя использзуется таккже инфор рмация о текущем м состоянии объектта. Для эттого инф формация с выход да Yвых(t) САР под дается наа ее вход д через ЭС, Э образу уя замкну утый кон нтур черрез канал л обратной связи и (ОС). Поэтому в замкну утых САР Р не обязаательно ззнать возм мущающе ее воздейсствие на ОУ, О так как к влияни ие FB(t) учитываеется автооматическ ки через соответсттвующее изменен ние РП, т.е. таким же обраазом, как будто он но произо ошло от изменени ия Xвх(t) на задатч чике. В замкнуты ых САР можно получить ь неогран ниченную ю точноссть регули ирования.. Сисстемы аввтоматичееского реегулироваания (ри ис. 2.13) подраздееляются на стабил лизирующ щие, прогр раммные, следящи ие и специ иальные. 27 Рис.2.1 13. Структуурная блок к-схема зам мкнутых СА АР Пер динакову речисленн ные САР имеют од ую блок-с схему и вы ыполняю ют одну и ту же зад дачу, котторая зак ключаетсяя в том, чтобы обеспечит о ть выходной сигн нал любой й системы ы - Yвых(t) - по том му же сам мому зако ону, что и Хвх(t). Чем Ч меньш ше рассоггласовани ие Δ(t) = Yвых(t) - Xвх(t), т.е. т чем меньше разница выходно ого сигнал ла Yвых(t)) от входного Х вх(t), теем лучш ше обесп печиваетсяя качесттво регули ирования,, котороее оцениваается вел личиной рассоглассования (ошибки)) Δ(t). Есл ли систем ма имеет такую сттруктуру, и в ней в принци ипе нельззя получи ить нулеву ую ошибк ку в конц це переход дного про оцесса, т.е. в устан новившем мся режим ме, то ее н называютт статичесской (рисс. 2.14). Рис.2.14. Характер истика опр ределения Δст(t) = f(Хввх(t)) В сстатическ кой систееме всегд да есть статическ с кая ошиббка - Δстт(t). Если и в систем ме имеетт место нулевая ошибкаа Δст = 0, то ссистема называеттся астати ической. Для преевращенияя статичееской сис стемы в астатичесскую в нее н 28 вводят астатические звенья. Передаточная функция астатического звена: W(р) = 1/р (интегрирующее звено). Отличие стабилизирующих, программных и следящих систем автоматизации - в характере входного воздействия. В стабилизирующих САР Xвх(t) = const, и задачи системы автоматизации в том, чтобы Yвых(t) = const. В программных САР Xвх(t) изменяется по заданному закону (программе). В следящих САР Xвх(t) заранее неизвестен. Входной сигнал известен только в определенный момент его наблюдения, и задача этой САР заключается в отслеживании данного сигнала с заданной степенью точности. К специальным САР относятся: экстремальные, оптимальные, самонастраивающиеся (адаптивные). Задача специальных САР заключается в обеспечении оптимального режима работы ОУ в изменяющихся условиях. В экстремальных САР критерий оптимальности есть экстремальное значение регулируемого параметра, характеризующего работу ОУ. В оптимальных системах критерий оптимальности учитывает несколько факторов и САР будет оптимальной только тогда, когда каждый из факторов будет оптимальным. Адаптивные САР, в отличие от остальных, имеют возможность путем изменения своей структуры приспосабливаться к изменяющимся условиям работы для обеспечения оптимальной работы ОУ. Важную роль в работе САР играет характер проходящего в системе сигнала. По этому признаку все системы автоматики делятся на непрерывные и дискретные. В непрерывных САР циркулирует аналоговый сигнал, который плавно изменяется во времени. В дискретных САР имеется, по крайней мере, одно звено, сигнал на выходе которого изменяется скачкообразно. Дискретные САР бывают трех типов: релейные, импульсные, цифровые. В релейных САР входной сигнал определяется (квантуется) по уровню и может быть синусоидальным, а выходной может быть не синусоидальным, а, 29 скажем м, иметь вид прям моугольни иков - вви иду того, что в СА АР имеетсся релейн ное звено (рис. 2.10 0). Рис. Р 2.10. С САР с релеейным элем ментом В и импульсн ных сист темах оссуществляяется ква антованиее входно ого сигнаала Xвх(t) п по времен ни. Сигнаал на выхходе тако ого звена Yвых(t) фоормируеттся только ов опредееленные промежу утки врем мени (ри ис. 2.11). Продолж жительно ость меж жду соседн ними имп пульсами - шаг кваантованияя. Рис. 22.11. Импул льсная САР Р Здеесь tper = n, где n - ко личество шагов квантоваания (опр ределенные промежутки времени). Вц цифровых х САР оссуществляяется одн новременн ное кванттование по п уровню юи по вреемени. Пр ри этом об бразуетсяя сетка, со остоящая их множ жества ячееек. Кажд дой ячейкее приписы ывается номер н или и цифра (р рис. 2.12). 30 Рис. 2.12. Цифр ровая САР 2.3. Ха арактери истики пр роцессов в управлеения в системах аавтоматиззации Как и всякаая динами ическая си истема, САР можетт находитться в одн ном из дввух режим мов раб боты: установив у вшийся и пере еходный. Первы ый режи им характтеризуетсся тем, что входно е воздейсствие изм меняется п по устано овившему уся закону у (гармоническому у): Х = xmmaxsinωt. Часстный сл лучай Х = const - это статическ с ий устан новивший йся режи им. Устано овившийсся режим м - это оосновной режим работы. Переходн ный режи им являеттся промеежуточны ым и хараактеризуетт переход д от одноого устано овившего ося режим ма к друго ому. В пр равильно спроекти ированной й системее время переходно п ого процессса значи ительно меньше вр емени усттановивш шегося реж жима раб боты. Дляя оценки и качеств ва регули ирования использзуются 3 показаттеля: время регули ирования,, перереггулирован ние и ко олебательность (ри ис. 2.13). Наибол лее часто и используется мето од реакци ии САР наа единичн ное ступен нчатое во оздействи ие: h(1) = f(t): Yу = hу, Y доп= hдоп, Ymax= hmaxx Реаакция сисстемы наа единичн ное ступенчатое входное воздейсттвие и ессть перехо одная фу ункция: lim mYвых(t) = Yу = hy; Δyycт= Yдоп –Y – у= hдоп – hy ≤ 5%; 31 Рис. 2.13. Характеристика оп пределенияя показателей качествва работы САР С Здеесь tрег (время регул лированияя) - времяя, за которое факти ически уп правляемы ый процессс отличаается от своего усттановивш шегося зна ачения с 55%-й точн ностью, т.е. т это ош шибка регулироваания Δ ≤ 5% по своему с аб бсолютноому значеению; σреег перереегулироваание, т.е. максим мальное значение з отклонеения регу улируемо ого парамеетра от усстановивш шегося зн начения, %: % σрег = (hmaax - hу)/ hу · 100%. Кол лебательн ность (ψ) - покказатель степени затухани ия, который раввен отнош шению р разности двух ссредних значений й ампли итуд кол лебаний к максим мальной амплитуд а де: ψ = (Ymax - Y1))/ Ymax = 1 - Y1/ Ymaax Про оцесс раззработки системы ы автоматтизации включает в т в себя следующ щие этапы:: 1) иззучение статистических и динам мических свойствв (на этом э этаапе разраб батываетсся матемаатическая модель всех в элеме ентов сисстемы); 2) по о заданны ым покаазателям качестваа рассчи итываютсся корректирующ щие устрой йства и деелается пр роверочн ный расчет САУ на а показатеели качества; 3) пр роизводиттся техническая реализац ция САУ У, наладдка и ко омплексн ное испыттание систтемы; 32 4) осуществляется внедрение и нормальная эксплуатация по регламенту. Для типовых ОУ, связанных с регулированием температуры, давления, уровня, массы, скорости и др., разработка проекта упрощается, так как для этих регулируемых воздействий отечественная промышленность выпускает регуляторы на базе микропроцессоров. Сложность заключается в том, чтобы в зависимости от РП в различных объемах подобрать параметры регулятора таким образом, чтобы обеспечить высокое качество регулирования. В зависимости от источника энергии, используемой для изменения положения регулирующего органа (РО), различают системы регулирования и регуляторы прямого и непрямого действия. В регуляторах прямого действия энергия, необходимая для воздействия на РО, поступает непосредственно от чувствительного элемента - датчика регулируемой величины. При этом уровень мощности на выходе регулятора мал. В регуляторах непрямого действия для перемещения РО используются дополнительные источники энергии, управляемые энергией чувствительного элемента. В этих системах уровень мощности на выходе регулятора можно получить достаточно большим. Промышленные регуляторы, как правило, относятся к регуляторам непрямого действия, которые в зависимости от вида носителя энергии делятся на электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные. Электрические сигналы удобно передавать на большие расстояния. Электрические регуляторы бывают аналоговые и цифровые. Аналоговые регуляторы строятся на основе операционных усилителей, используемых для алгебраического суммирования сигналов и преобразования рассогласования в выходное напряжение постоянного тока в соответствии с заданным законом регулирования. Цифровые регуляторы реализуются с использованием ЦВМ и микропроцессоров. 33 Пневматические исполнительных регуляторы механизмов, характеризуются взрыво- и высокой надежностью пожаробезопасностью, что и определило область их применения. Гидравлические регуляторы - регулирующие устройства, в которых носителем сигнала, реализующим требуемый закон регулирования, является жидкость (минеральное масло или вода). Они могут обеспечить значительные мощности исполнительных механизмов в ограниченных по габаритам конструкциях. В электрогидравлических регуляторах регулируемые величины измеряются и контролируются электрическими методами и средствами, а исполнительными устройствами являются гидравлические механизмы. 2.4. Законы регулирования Промышленные регуляторы реализуют как линейные, так и нелинейные законы регулирования. Наиболее широкое распространение имеют регуляторы, реализующие класс стандартных линейных законов регулирования t х = a0 у + a1 у dt + a2 dу/dt, (2.1) 0 где х - воздействие регулятора на РО; у - отклонение регулируемой величины от заданного значения; a0, a 1, a2 - коэффициенты пропорциональности, определяемые параметрами настройки регулятора. Стандартный закон регулирования (2.1) включает три составляющих: 1) пропорциональную, или П - закон: a0 у; t 2) интегральную, или И - закон: a1 у dt; 0 3) дифференциальную, или Д - закон: a2 dу/dt. В целом закон (2.1) представляет собой ПИД - закон регулирования. Промышленные регуляторы, изготовляемые серийно, могут реализовать 34 различные варианты законов регулирования: П - закон, И - закон, ПИ - закон, ПД - закон и ПИД - закон. Пропорциональный закон не обеспечивает высокой точности, так как сохраняется статическая ошибка. Интегральный закон (И - закон) обеспечивает астатизм системы, т.е. управляющее воздействие нарастает до тех пор, пока статическая ошибка (рассогласование) не станет равной нулю. И - закон применяется для управления малоинерционными объектами со слабовыраженным запаздыванием с целью получения высокой точности. ПИ - закон применяется для широкого класса объектов с большим запаздыванием и существенными медленно изменяющимися возмущениями. ПД - закон применяется для уменьшения времени регулирования объектов, допускающих наличие статической ошибки. ПИД - закон обеспечивает высокие показатели качества регулирования объектов с частыми и глубокими возмущающими воздействиями Промышленные регуляторы с нелинейным законом регулирования чаще всего реализуют двухпозиционный или трехпозиционный законы. В двухпозиционном регуляторе реализуется закон вида х= хmax хmin при у ; при у . В трехпозиционном регуляторе закон регулирования имеет вид хmax х = 0 хmin при у a; при а у а; при у а, где [ а, а] - зона нечувствительности регулятора. 35 2.5. Человеко-машинные системы управления В настоящее время в СДМ, как правило, преобладают человеко-машинные системы управления, главной особенностью которых является совмещение (объединение) функций человека-оператора с различными устройствами, осуществляющими полностью или частично процесс управления требуемым объектом. Рассмотрим некоторые принципиальные особенности человеко-машинных систем управления, и в том числе инвариантные модели управляющих систем, а также обобщенную схему управляемого объекта с двухканальной управляющей системой. Инвариантные модели управляющих систем. Под инвариантным понимают закон сохранения (неразрывности) вида F (х, у, z) = const, формы записи которого допускают определенное разнообразие, например: j R x j const ; 1 j R xj 1 j R x j const ; 1 yj const ; j R x j y j const , 1 где х, у, z – переменные, определяющие условия функционирования системы. Общность (изоморфизм) гаммы уравнений подобного класса заключается в Хвых строгой х1 Вых Вх1 Хвх х2 Вых Вх2 правых частей их при одновременном весьма широком допустимом хj Выхj определенности варьировании членов левых частей. Вхj Рис. 2.14. Схема j-канальной управляющей системы с параллельными ветвями В качестве примера, физическую простейшего поясняющего сущность изложенных соображений, рассмотрим некоторую сумму: Хвых(вх)=х1+х2+…..+ху= const 36 (2.2) Управляющая система Iоп(t Uоп(t) U(t Фоп(t) I0(t) 1 Iтс(t выход вход Фтс(t) Uтс(t 2 Управляемый объект Рис. 2.15. Схема двухканальной (инвариантной) человеко-машинной системы управления. Графическая интерпретация этого уравнения сводится к цепи из j параллельных ветвей (рис. 2.14), каждая из которых может рассматриваться, например, в качестве самостоятельного управляющего канала (х1, х2,…., хj) со своими индивидуальными входами и выходами. Допустим, что по каждому из представленных на схеме управляющих каналов передаются, например, токовые сигналы, сумма которых равна Хвых (или Хвх). В соответствии с заранее разработанной программой (алгоритмом) управления и законом сохранения любой из сигналов х1, х2, …., хj может изменяться в определенных, наперед заданных диапазонах, однако лишь при обязательном выполнения условия (2.2) Эти соображения позволяют рассмотреть относительно более простую двухканальную систему управления (х1, х2) каким-либо реальным объектом (рис. 2.15). Пусть под х1 = Фоп и х2 = Фтс соответственно, «энергетические» оператором, и функции, выполняемые определенные операции, подразумевают непосредственно осуществляемые человеком- техническими средствами (информационно-измерительными системами, регуляторами, ЭВМ и т.д.). В соответствии с законом сохранения для данной двухканальной системы управления будем иметь следующее уравнение неразрывности, обладающее свойствами инвариантности Фоп(t) + Фтс(t) = const, где t – время функционирования системы. 37 (2.3) Сложность практической реализации подобной модели заключается в том, что в процессе научно-технического прогресса функции оператора Фоп убывают, а роль технических средств Фтс систематически возрастает. Таким образом, если ввести безразмерный критерий = Фтс/ Фоп, то Lim max при t max. По-видимому, для определенных классов управляемых систем (например, тракторов, автомобилей, самоходных машин и т.п.) 0 1. Изложенные соображения позволяют записать в сжатой общей форме эвристическую закономерность, подтверждающую общие диалектические тенденции изменения во времени модели (2.3). Эта модель может быть представлена символическим уравнением («законом развития») min Фоп(t) + maxФтс (t) = const, (2.4) однозначно утверждающим необходимость непрерывного развития науки и техники. Следовательно, основным требованиям практики является увеличение критерия в подобного рода человеко-машинных управляющих системах и, по-видимому, в других областях техники. В соответствии с рис. 2.15 на вход двухканальной системы с управляемого объекта поступает обобщенная информация I0(t), которая в зависимости от положения ключей 1 и 2 распределяется следующим образом I0(t)=Iоп(t) + Iтс(t), где Iоп(t) и Iтс(t) – соответственно информация (энергия), передаваемая оператору (блоку Фоп) и блоку технических средств управления Фтс (например, микропроцессор). Далее в обоих каналах Фоп и Фтс информация соответствующим образом преобразуется в управляющее воздействие – энергию управления, имеющую детерминированный характер 38 U(t) = Uоп(t) + Uтс(t), где Uоп(t), Uтс(t) – управления, возникающие в блоках Фоп и Фтс. В зависимости от положения ключей 1 и 2 рассматриваемая двухканальная система может осуществлять операции, указанные в табл. 2.1. Отсюда следует, что при анализе двухканальной системы управления делаются вполне реальные допущения, исключающие возможность достижения (при Фоп=0), а также убывания 0 (при Фтс=0). В противном случае выражение для через установленные переменные потеряло бы физический смысл. Возвращаясь к уравнению (2.3), представим обе его функции, входящие в левую часть, графически. Рассмотрим два частных случая; 1) Фоп(t), Фтс(t) – линейные функции; 2) обе эти переменные нелинейны. Таблица 2.1. Положение ключей 1 + Форма (вид) управления 2 Функции, % = Фтс /Фоп Примечания Фоп Фтс 100 0 0 Предполагается, что некоторое количество технических средств имеется + - С помощью оператора (ручная) - + Автоматическая (с помощью технических средств) 0 100 1 Допускается, что оператор выполняет ряд функций + Гибридная (человекомашинная) 0 0 0 1 Соотношение между Фоп и Фтс определяется уровнем развития науки и техники В первом случае (рис. 2.16, а) прямые, моделирующие инвариантную двухканальную систему управления, пересекаются в точке А. В данном случае закон сохранения, выраженный уравнением (2.3), содержит const=1. Здесь 39 аналог линейных двуплечих рычагов (с опорой в точке вращения А) достаточно достоверно моделирует принцип действия двухканальной управляющей системы. а) Ф ОП Ф ТС 1,0 б) Ф ОП Ф ТС 1,0 αоп Ф оп(t) А Ф оп(t) А 0,5 0,5 Ф тс (t) Ф тс (t) αтс 0 1 2 3 t 0 1 2 3 t Рис. 2.16. Схемы двуплечих рычагов, моделирующих линейную (а) и нелинейную (б) двухканальную систему управления Во втором случае (обе функции нелинейны) имеем другой график (рис. 2.16, б), аналогом которого является система двух нелинейных двуплечих рычагов, обладающих эластичными свойствами, нереализующими закон неразрывности. Каждая пара кривых Фоп (t) и Фтс(t) весьма точно следует закону сохранения (неразрывности). Очевидно, скорости изменения этих функций будут представлять собой производные, различающиеся знаком (см. рис. 2.16, а) -tg оп = dФоп/dt (ΔФоп)/Δt; tg тс=(dФтс)/dt ΔФтс/Δt. Однако углы здесь оказываются равными, т.е. оп = тс = 0 . При этих условиях - tgоп = tg тс. (2.5) Тогда -tg 0Δt =ΔФоп; tg 0Δt =ΔФтс Разделив выражение (8.4) на выражение (8.5), найдем ΔФоп/ ΔФтс= -1, 40 (2.6) откуда ΔФоп = - ΔФтс Следовательно, для реализации закона сохранения необходимо, чтобы приращения ΔФоп и ΔФтс изменялись во времени в противоположных направлениях, но с одинаковыми абсолютными значениями ΔФоп =ΔФтс. Изложенные здесь соображения подтверждают то, что двухканальные и многоканальные системы управления инвариантны по своей физической сущности. При синтезе оптимальной структуры системы управления машиной следует прежде всего решить задачу рационального распределения функций управления между машинистом и соответствующими техническими средствами. Это позволит улучшить технико-экономические показатели СДМ, расширить их технологические возможности, облегчить условия труда машиниста и снизить требования к уровню его квалификации. До настоящего машинисту, времени производился выбор на функций основе управления, технологических поручаемых и технико- экономических критериев. Для создания оптимальной системы управления эти критерии должны быть дополнены принципом соответствия психофизиологических и динамических возможностей человека, требованиям, предъявляемым к выполнению данной операции. Стремление устранить недостатки машиниста привело к попыткам создания полностью автоматизированных СДМ. Здесь явная переоценка возможностей САУ и недооценка человека. Более правильным является оптимальное сочетание в системе "человекмашина" возможностей человека с возможностями технических средств, которые предусматривают полное использование всех положительных качеств человека в системе управления и замену его лишь на тех функциях, которые он не может выполнить, либо выполняет недостаточно хорошо в силу своих психофизиологических возможностей. 41 Для получения общих представлений о характере действий человекаоператора можно ограничиться линейной дифференциальной математической моделью вида: ܹч ሺሻ ൌ где షഓ ሺ்భ ାଵሻ , (2.7) ሺ்మ ାଵሻሺ்య ାଵሻ Т1, Т2, Т3 - постоянные времени оператора; К - коэффициент усиления; - время запаздывания; е р - задержка реакции оператора ( = 0,2 - 0,3 с); К Т1 р 1 - характеризует операцию принятия решения: Т2 р 1 1 - характеризует динамику нервно-мышечной системы. Т3 1 Инерционность 1 Т 2 р 1 обусловлена необходимостью обобщения информации, а Т 1 р 1 отражает его способность упреждать развитие процесса; Т2 растёт с ростом объёмов информации и усложнения законов изменения входного воздействия, но уменьшается по мере совершенствования средств представления информации (такие средства надо вводить в систему управления). Известно, что Т1 <1 с - время упреждения; Т2 = 10 - 20 с - время вырабатывания управляемой информации; Т3 = 0,2 - 0,3 с - время прохождения сигнала в нейро-мускульной системе человека. Рассмотрим случай, когда функцию регулятора выполняет человек. Динамические свойства конструктивными этой особенностями системы определяются машины. Имеются Wч, 4 а также возможности воздействия на свойства такой системы: • отбор машинистов с подходящими Т2 и Т3; • обучение и тренировки для достижения наилучших Т1, Т2, Т3 и К; • улучшение конструкции органов управления для уменьшения и Т3; • изменение конструкции СДМ и исполнительных механизмов. 42 Решая задачу об устойчивости исследуемой системы, можно выявить зависимость границ области устойчивости от параметров Wч. Подобную зависимость можно получить при анализе характеристик переходного процесса - постоянной времени Т и числа перерегулировок n (при колебательном характере зависимости). Важным критерием оценки качества реальной системы является её динамическая точность в установившемся режиме. Последнюю можно рассматривать как вероятностную характеристику - дисперсию отклонения регулируемого параметра машины. Дисперсия корреляции отклонения между в внешним установившемся возмущением режиме и (при ошибкой отсутствии измеряемого рассогласования) равна Дн Днq Дн , где (2.8) Днq - дисперсия отклонения регулируемого параметра, вызываемого внешним возмущением; Дн - дисперсия отклонения регулируемого параметра, вызываемого ошибкой измерения рассогласованного регулируемого параметра; По заданным границам области устойчивости и требуемым характеристикам Т и Д н можно получить нужные параметры Wч. При сравнении этих параметров со средними для машинистов данной машины можно определить, удовлетворяет ли человек поставленным условиям. При отрицательном результате сравнения надо либо ввести в структурную схему системы «человек - машина» дополнительные корректирующие звенья, либо полностью исключить человека из управления. Последовательность этапов выбора системы управления СДМ с учётом критерия динамического соответствия машины и её системы управления (включая человека) в данном технологическом процессе: 1) анализ динамических характеристик машины для ряда каналов регулирования при выполнении определённых технологических операций; 43 2) оценка динамических качеств системы «человек - машина» и анализ соответствия динамических характеристик человека требуемым условиям; 3) анализ способов соответствующих улучшения подсистем и динамики определение САУ путём рационального введения уровня автоматизации машины; 4) технико-экономическая оценка вариантов предлагаемых подсистем и выбор окончательной структуры САУ. 44 3. АВТОМАТИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН 3.1. Общее состояние автоматизации СДМ Постоянно растущее увеличение объемов строительных работ и ужесточающие требования по значительному улучшению их качества требуют ускоренного и широкого внедрения автоматизации в строительных машинах и технологических процессах. Для этого в НИИСтройдормаше разработан набор унифицированных приборов регулирования и управления различными машинами, входящих в ряд агрегатированных комплектов автоматической аппаратуры (АКА). Однако выпуск автоматизированной продукции по строительным и дорожным машинам и оборудованию очень неоднороден по номенклатуре, стоимости и объему производства. Значительную часть объема выпуска (53%) составляют автоматизированные мобильные СДМ. Практически одинаковый объем выпуска составляет продукция на базе автоматизированных тракторов и для промышленности строительных материалов. И всего по 4 % приходится на долю мелиоративных, торфяных и лесозаготовительных машин, строительноотделочных машин, электроинструмента и другой продукции. Автоматическое управление перемещением, взвешиванием, перемешиванием, контролем за работой и порционной выдачей материалов в асфальто- и цементосмесительных установках всех типов и назначений осуществляется системой «АКА-Бетон». Автоматизация контроля безопасности работы различных кранов и погрузчиков, ограничения их грузоподъемности, применения дистанционного и автоматического управления осуществляется системой «АКА-Кран». Автоматизация саморегулирования рабочих органов, элементов управления и контроля аэродромных, мелиоративных и дорожно-строительных машин при возведении земляного полотна и устройстве дорожных покрытий в части обеспечения ровности взлетной полосы, траншеи, дороги и покрытий, требуемых поперечного и продольного уклонов, толщины и плотности 45 укладываемого материала осуществляется системой «АКА-Дормаш», состав которой представлен на рис. 3.1. I - «Стабилоплан» для скреперов, канавокопателей, дреноукладчиков; II - «Автоплан» для бульдозеров; III - «Профиль» для автогрейдеров и профилировщиков; IV - «Стабилослой» для различных укладочных машин. Рис. 3.1. Комплект аппаратуры «АКА-Дормаш» В комплекте используют следующие автономные системы управления: - маятниковые датчики, установленные на борту машины, для контроля положения рабочего органа; - копирные системы, обеспечивающие контроль положения по внешнему копиру - проволоке (тросу), бордюру, колесу, лыже, поверхности готового покрытия, радио- и световому лучу; - комбинированные системы, в которых контроль углового положения осуществляется автономными датчиками, а определение положения по высоте копиром. Все системы, используемые в машинах различного назначения, комплектуют в основном из двух разновидностей автономных маятниковых датчиков 1 (отличающихся между собой типом установочного приспособления 46 и разрешающей датчиком 2, способностью подъемным злектрогидрозолотников управления 5 и 4, преобразователя), устройством 3, унифицированным вспомогательным блоком 6. щуповым (копирным) двумя разновидностями пультом дистанционного Вместо щупового или маятникового датчика может использоваться следящая система управления с дискретным регулированием. В этом случае дополнительно применяется унифицированное согласующее устройство 7, лазерный излучатель 8 и фотоэлектрический приемник 9. В датчиках углового положения (ДУП) первого поколения используется преобразователь контактного типа. В последующих конструкциях применяется датчик (ДКБ), в котором преобразование изменения угла отклонения в электрический сигнал осуществляется бесконтактным преобразователем. Маятниковый датчик ДКБ (рис. 3.2, а) состоит из закрепленного на валу тонкостенного цилиндра со смещенным, относительно оси вращения, центром тяжести. Рис. 3.2. Датчики контроля положения рабочего органа машины: а) маятниковый - ДКБ; б) щуповой – ДЩ 47 Экран, связанный с чувствительным элементом, при повороте корпуса датчика (изменении угла наклона рамы машины) изменяет свое положение относительно катушек, закрепленных на корпусе, и изменяет выходной сигнал преобразующего блока. При работе машины с внешним копирным устройством применяют датчики типа ДЩ (рис. 3.2, б), состоящие из бесконтактного датчика 2 и экрана 1, соединенного с щупом 3. Поворот щупа относительно троса и соответственно экрана на угол, превышающий допустимое значение, вызывает подачу датчиком дискретного сигнала, осуществляющего управление рабочим органом. В датчике второго поколения ДЩБ используют унифицированный преобразователь аналогового типа с выходным сигналом, пропорциональным угловому перемещению щупа и необходимым для индикации отклонения и в качестве управляющего сигнала. При этом преобразователь перемещения в электрический сигнал является унифицированным и применяется в обоих типах датчиков последнего поколения. Системы автоматического управления по положению рабочего органа машин разделяют на одно-, двух- и трехканальные. При одноканальных системах управления рабочий орган машины удерживается в заданном положении в одной плоскости: продольной у скреперов и бульдозеров, поперечной у автогрейдеров. К таким системам относятся «Стабилоплан-10» и «Копир-Стабилоплан» для скреперов, «Автоплан-1» и «Копир-Автоплан-10» для бульдозеров, «Профиль-1» и «Профиль-10» - для легких и средних автогрейдеров. При двухканальных системах управления стабилизация положения рабочего органа обеспечивается одновременно в продольной и поперечной плоскостях. К этим системам относятся «Комбиплан» для бульдозеров, «Профиль-2» и «Профиль-20» — для средних и тяжелых автогрейдеров, «Стабилослой» - для укладчиков покрытий. Унифицированный ряд САУ, предназначенных для управления положением рабочих органов, представлен в табл. 3.1. 48 Таблица 3.1 Наименование системы Копир Автоплан-10 Вид системы Одноканальная (автономная, копирная по жестким направляющим) Копир Одноканальная (автономная, Стабилоплан-10 копирная по жестким или лазерным направляющим) Стабилослой-10 Двухканальная комбинированная (автономная, копирная по жестким направляющим) Комбиплан-10 Двухканальная комбинированная (автономная, копирная по лазерным направляющим) Профиль-30 Двухканальная комбинированная (включая (автономная, копирная по жестким Профиль-10 и или лазерным направляющим) Профиль-20) Применение системы Бульдозеры Скреперы Асфальтоукладчики Бульдозеры Автогрейдеры, асфальтоукладчики, дреноукладчики, профилировщики При трехканальных системах управления, помимо фиксации положения рабочего органа в двух ортогональных вертикальных плоскостях, имеется еще и управление движением машины "по курсу". Эти системы управления «Профиломат» устанавливаются на профилировщиках оснований и укладчиках покрытий, входящих в комплект машин типа ДС-110 для скоростного строительства автомобильных дорог и взлетно-посадочных полос аэродромов. Копирные системы автоматики, использующие внешний трос, имеют ряд недостатков. К ним следует отнести: повышенную трудоемкость очень точных работ по установке троса; появление погрешностей в работе копирно-щуповой системы в связи с провисанием троса; колебания щупа; ошибки при установке троса; постоянные работы по поддержанию троса в заданном положении. При использовании в качестве жесткой опорной базы уже готовых дорожного основания или покрытия, бордюрного камня или дорожной разметки воздействие на датчик может передаваться через промежуточный механизм, перемещающийся по указанным поверхностям. В качестве такого 49 механизма - щупа используются колесо, лыжа с выравнивающими устройствами. Так, на машинах, осуществляющих холодное фрезерование дорожных покрытий, фрезерования на для правой выдерживания и левой продольного сторонах рабочего уклона глубину органа (фрезы) устанавливают отдельно в зависимости от базовой плоскости (рис. 3.3, а). Заданный уклон относительно базовой плоскости 1, на которую опирается щуп - лыжа 2, устанавливают с регистрацией на шкалах рукоятками 4. Подъем и опускание фрезы 8 производят двумя гидроцилиндрами 6, управляемыми через золотники 5 от датчиков с блоками сравнения 3 действительной и заданной величины. В случае отсутствия на одной стороне рабочего органа базовой плоскости или необходимости выдерживания задаваемого поперечного профиля дорожного покрытия используют регулятор поперечного уклона 7 (рис. 3.3, б). Он представляет собой цифровой задатчик уклона и автоматически сохраняет заданный поперечный уклон независимо от установленной глубины фрезерования. Этот регулятор может устанавливаться как на одной, так и на другой стороне рабочего органа машины. Рис. 3.3. Схема автоматического выдерживания продольного (а) и поперечного (б) уклонов рабочим органом машины для фрезерования дорожных покрытий. В настоящее время наиболее прогрессивными и используемыми в качестве копиров являются лазерные системы управления. В них широко применены элементы микроэлектроники, интегральные схемы, микропроцессоры, логические запоминающие и вычислительные устройства. Такие системы используются как для управления одной машиной, так и группой машин на 50 значительных площадях и расстояниях (до 1500 м) при достаточно высоких скоростях движения. Применение этих систем обеспечивает как раздельное, так и одновременное управление курсом машины и толщиной укладываемого слоя материала (бетон, асфальт) укладочными машинами, а также автоматическую ориентацию рабочих органов в пространстве. Опорной базой в этой системе служит секторная в горизонтальной плоскости или крестообразная форма излучения, образованная пересечением двух секторов. Для управления рабочими органами СДМ широко, используют лазерные координаторы различных конструкций и назначения. К достоинствам сканирующих координаторов (рис. 3.4, а) следует отнести возможность при одном излучателе быть двухкоординатными, а также простота их изготовления и эксплуатации. Они состоят из лазерного излучателя 1 с формирователем оптического луча 2, воздействующего на фотоприемник 4, Рис. 3.4. Схемы лазерного сканирующего (а) координатора и растрового (б) автокоординатора установленный на рабочем органе 9 (отвал землеройно-транспортной машины). Полученный фотоприемником сигнал проходит через блок его усиления 5, электронный ключ 6, цифровое измерительное устройство 7 и подается на датчик положения рабочего органа 3, связанного с блоком рассогласования фотоприемника 8. Растровые автокоординаторы (рис. 3.4, б) используют для программного управления рабочими органами СДМ. От сканирующих излучателей они отличаются наличием растрового излучателя, фильтрами частот f1 (11) и f2 (12), детекторами 13 и 14 и усилительно-множительным 51 устройством 15. К перспективному оборудованию для применения в СДМ следует отнести и радиоанализаторные координаторы. В настоящее время осуществляется серийное производство современных отечественных электронных устройств отображения информации для экскаваторов и погрузчиков, ограничителей нагрузки кранов типа ОНК для самоходных гидравлических «Профиль-30» для асфальтоукладчиков, кранов и автогрейдеров, включающий в унифицированный скреперов, себя и ряд систем бульдозеров заменяющий все и ранее разработанные системы для этих машин. 3.2. Основные направления автоматизации СДМ Автоматизация СДМ ведется в основном по трем направлениям, обеспечивающим управление пространственным положением РО машин, оптимизацию наиболее энергоемких режимов работы машин и создание на основе лазерной техники комплексной автоматизированной системы управления технологическими процессами в строительстве. Первое направление автоматизации содержит вопросы повышения планирующих свойств машин для обеспечения заданных профиля и уклона поверхности, так как эти виды работ требуют значительных затрат времени и трудоемкости, а невыполнение требований существенно снижает качество работ, вызывает перерасход материалов и т.п. Это направление обеспечивается унифицированным рядом систем автоматики типа «Профиль» с микроэлектронными блоками управления, которые делятся на автономные, копирные и комбинированные. Автономные системы обеспечивают контроль положения рабочих органов относительно вертикали с помощью рассмотренных выше бортовых датчиков, обычно маятникового типа. В копирных системах датчик, установленный на одной стороне машины, по ходу контролирует положение рабочего органа в соответствии с заданным профилем - по натянутому тросу, лучу лазера, точно 52 построенной полосе дороги или бордюра. В комбинированных системах, к которым относится и «Профиль-30», требуемый уклон рабочего органа в поперечной плоскости обеспечивается автономным датчиком, а его высотное положение - по копирному устройству. Рассмотрим принцип действия этой системы в общем случае (рис. 3.5). Рис. 3.5. Функциональная схема системы «Профиль-30» Обычно рабочий орган землеройной, профилировочной или укладочной машины при их движении по неровной поверхности перемещается по высоте относительно заданного положения НЗАД. В этом случае щуповой датчик ДЩВ или фотоприемное устройство ФПУ лазерного излучения определяют отклонение одной из кромок рабочего органа относительно копирной поверхности. При этом выходной сигнал i2 поступает в блок управления БУ1 и сравнивается с сигналом i1 задатчика толщины срезаемой стружки ЗДТ. Разность сигналов (Δi = i1-i2) проходит через усилитель мощности УМ1 и поступает на электромагниты ЭМ1 и ЭМ2 электрогидравлического распределителя ЭГР1, который направляет требуемый поток рабочей жидкости в одну из полостей гидроцилиндра ГЦ1. Перемещение поршня со штоком изменяет высоту НИ управляемой кромки рабочего органа до совпадения ее с требуемым положением НЗАД. 53 При изменении высоты первой кромки РО или наклоне машины в процессе ее движения по неровностям рабочим органом совершаются угловые перемещения в поперечной плоскости. В этом случае в работу включается второй автономный канал управления системы. Автономным маятниковым датчиком ДКБ измеряется величина угла поперечного наклона РО, которая преобразуется в электросигнал i3 и подается в блок управления БУ2. Здесь i3 сравнивается с сигналом i4 задатчика угла наклона ЗДу. При возникшем рассогласовании разность этих сигналов подается в усилитель мощности УМ2, а далее на электромагниты ЭМЗ и ЭМ4 электрогидрораспределителя ЭГР2, направляющего поток рабочей жидкости в гидроцилиндр ГЦ2. Последний поднимает или опускает вторую кромку рабочего органа до углового положения γ, равного заданному углу γЗАД. Второе направление автоматизации СДМ обеспечивает автоматизацию наиболее энергоемких технологических процессов, позволяющих максимально использовать тяговые возможности машин, снизить расход топлива, износ ходовой части и облегчить труд машиниста. Для оптимизации силового контура и регулирования рабочих процессов разработаны унифицированные системы типа «Режим». При этом изменение тягово-скоростных характеристик машин позволяет управлять нагрузкой при автоматическом заглублении и выглублении РО. Управляющим параметром может быть скорость машины, обороты двигателя, угловое положение тяговой рамы или толкающего бруса, а также их сочетание в случае буксования движителей. Стабилизация каждого из этих параметров осуществляется при заданных ограничениях на другие. Принцип работы такой системы представлен на рис. 3.6. Для предотвращения остановки двигателя при перегрузке в процессе копания аппаратура обеспечивает стабилизацию частоты вращения вала двигателя nДВ на заданном уровне n3. При этом сигнал датчика частоты вращения ДЧВ сравнивается с заданным значением частоты n3, после чего вырабатывается сигнал на подъем или опускание рабочего органа. Одновременно с этим измеряются и сравниваются со своими граничными значениями такие 54 параметры, как угловое положение, скорость и буксование. При достижении граничных значений управление отключается и вырабатывается команда на выглубление РО. При планировочных работах система «Режим» работает совместно с системой «Профиль». В этом случае разность частот вращения вала (nДВ - n3) усиливается по мощности и подается на блок управления «Профиль» вместе с выходным сигналом задатчика ЗДТ. Это обеспечивает непрерывную регулировку толщины стружки и нагрузки, действующей на отвал, а также и частоты вращения вала двигателя. Рис. 3.6. Функциональная схема аппаратуры «Режим» Третье направление автоматизации СДМ является наиболее прогрессивным и нацелено на совершенствование технологии и организации строительных работ путем создания на базе лазерной и микропроцессорной техники комплексной системы дистанционного программного или автоматического управления машинами, а также приборов оперативного контроля качества укладываемых дорожно-строительных материалов. Эти САУ предназначены в основном для машин, занятых на строительстве дорог, мелиоративных и других сооружений. Системы управления с помощью лазерной техники обеспечивают и контролируют требуемые высотные отметки, продольный и поперечный профиль разрабатываемых и укладываемых дорожно-строительных материалов для каждой машины, работающей в любой 55 точке строительной площадки. Рассмотрим работу такой системы на примере комплекта аппаратуры «Дорога» (рис. 3.7). Система управления состоит из задающей I, контрольно-следящей II и программно-управляющей III частей. Задающая часть с помощью лазерного излучателя устанавливает параллельно проектной поверхности дороги световую опорную плоскость. При этом оптический пучок в приборе подается на пентопризму, которая разворачивает излучение на 90° и осуществляет его вращение вокруг вертикальной оси излучателя. Контрольно-следящая часть включает в себя ФПУ, установленное на штанге механизма перемещения (МП), которая закреплена на РО машины. ФПУ служит для преобразования лазерного сигнала в электрический, поступающий в блок выработки команд управления (БВК), где формируются управляющие сигналы для исполнительных механизмов с одновременным отображением на информационном табло-индикаторе положения режущей кромки отвала относительно проектной поверхности. Рис. 3.7. Функциональная схема аппаратуры «Дорога» Программно-управляющая часть состоит из измерителя перемещения машины, микропроцессорного вычислительного блока выработки команд 56 управления высотным положением ФПУ, механизма перемещения ФПУ и устройства для магнитной записи данных. При работе в ручном режиме оператор по показаниям индикатора сам устанавливает требуемое положение рабочего органа. В автоматическом режиме управляющие сигналы с БВК подаются на исполнительный механизм, т.е. на систему типа «Профиль». ФПУ автоматически удерживается в плоскости лазерного излучения, а величина его перемещения несет информацию о неровностях возводимой дороги. Необходимый уклон возводимой поверхности на постоянных продольных участках поверхности может задаваться отклонением оси излучателя от вертикали. При работе на переходных вертикальных кривых требуется более сложное управление машиной, которое обеспечивается программным устройством. В этом случае микропроцессор рассчитывает необходимое высотное положение рабочего органа и формирует сигнал для механизма перемещения. При изменении положения ФПУ по высоте в БВК вырабатывается сигнал управления, по которому рабочий орган поднимается или опускается на высоту перемещения ФПУ. Такая система обладает большими возможностями, т.к. световая опорная поверхность позволяет не только управлять работой машины или комплекта машин, но и осуществлять постоянный геодезический контроль высотных отметок в любой точке и на любом этапе строительства дороги. 3.3. Автоматизация экскаваторов 3. 3.1. Копирные САУ рабочим органом одноковшового экскаватора Одноковшовые экскаваторы выполняют до 38% земляных работ в строительстве. При ручном управлении ими на зачистку и планировку дна котлована после копания остается слой грунта до 20 см. Поэтому внедрение на экскаваторах микропроцессоров и лазерных информационно-измерительных устройств для управления процессом копания позволяет повысить точность и 57 качесттво вып полняемы ых работт, снизи ить трудозатраты ы и численнос ч сть обслуж живающеего персон нала. Раб бочий орган (РО)) экскаваатора сосстоит из 3 сочлеененных элементо ов: ыполнен по системе стрелы ы, рукояттки и ковш ша. Приввод каждо ого элемента РО вы 3ГЦ, п плунжер каждого о золотни ика приво одится в движени ие через червячну ую передаачу от асинхронно ого микроодвигател ля M1 (дл ля 1-го коонтура уп правлени ия). Для ввыдвижен ния што ока ГЦ любого элемента а на неекоторую ю величи ину соотвеетствующ щий элемеент поворрачиваетсяя на опре еделенный й угол, при этом РО Р снабжен шабл лоном, который к выполнеен в ма асштабе по отношению к натураальному РО Р – то есть такоой же раабочий ор рган, толлько выпо олненный й в то масшттабе 1:100 0 (шаблон н). Если п перемещаать РО по о произвоольному рельефу, р шабло он будет отражать о некоторы ые углы поворота п РО: φ1—сстрела, φ2—рукоятть, φ3—ко овш (рис. 3.8). Посскольку ррабочий орган о име еет в своеем состав ве 3 секци ии, то сисстема сод держит 3 контур а управл ления. По оэтому дл для работты систем мы необхо одимо ко онтролиро овать угллы поворо ота осей соответсттвующих х элементтов рабочеего органа. Рис. 3.8. Схема соеддинения раабочего орггана с копииром Угл лы поворо ота звеньев РО изм меряютсяя сельсинными даттчиками (СД ( 1 –СД Д2), которы ые размеещены в каждом контурее управле ения по 2 штуки и: сельси инзадатч чик (СЗ) и сельсин--датчик (С СД) (рис.. 3.9). 58 Рис. 3.9. Структурна С ая блок-схе ма элементтов системы ы 1-го конттура управления Сел льсины-даатчики кинематич к чески свяязаны с реальным ми элемеентами РО. Р Сельси ин-задатч чик связан н с копирром, и оп ператор за адает сооответствующие угл лы φ1, φ2, φ3 со оответству ующих ээлементо ов РО, сельсины с ы-датчики СД1...С СД3 отрабаатывают эти углы ы по схееме «элек ктрическа ая ось» — —трансформаторн ная схема соединен ния (рис. 3.10). 3 Рис. Р 3.10. С Схема соеди инения сел льсинов Есл ли углы поворотаа роторовв СЗ и СД равн ны, то воо вторич чных цеп пях отсутсствует уравнительный ток Iур. Если и углы ро оторов Р11 и Р2 нее равны, то возниккает разб баланс угглов Δφ = φ10–φ φ1ф, во втторичныхх цепях появляеттся напряж жение и ток т разбал ланса из-зза разных х углов ро оторов Р11и Р2: ΔU1= КΔφ КΔ 1. Факктическоее положеение люб ого элем мента РО контроли ируется с помощьью СД. З Заданное значени ие угла поворотаа этого элементаа контрол лируется с помощ щью СЗ. За счет сельсинн ной связи и эти два напряж жения сравниваюттся между у собой и вырабатываеттся ΔU1 - напря яжение рразбалансса, котор рое 59 усиливвается. Нагрузко ой транззисторны ых усили ителей являютсяя асинхр ронного двигател ля (вклю ючает ГЦ Ц в од дну или обмоттки другую сторону). Асинх хронный двигател ль через червячн ную пере едачу пееремещаеет плунж жер золотн ника в зад данную сторону. с Ш Шток ГЦ Ц выдвига ается или и втягивается до тех т пор, п пока фак ктическоее положеение угл ла элемента РО не стан нет равны ым заданн ному опер ратором на н копирее. По аналогич чному при инципу рааботают САУ С друггих контууров (рис. 3.11). Рисс. 3.11. Стр руктурная бблок-схемаа передаточ чных функцций САУ Здеесь W1(p) = U0/Y0 = K1 - маасштабны ый коэффи ициент; W 2(p) = ΔU/U Δ 0 = K2 элемен нт сравнеения; W3(p p) = Uод/Δ ΔU - транззисторный усилитеель; W4(p) = X(t)/ Uод хронный д двигательь; W5(р) = Yп/X(t) - гидропри ивод; о - асинх W6(p) = Yф/ Yп - рабочий й орган; W 7(p) = Yф/ Uф - сел льсин-даттчик. Авт тономно--копирна ая систем ма управл ления одн ноковшовы ым экскааватором по лучу лазера 1 состо оит из лазерногго излуч чателя 22, инфор рмационн но- измери ительного о устройсства с даттчиками Д1…Д5, установле у енными в шарнир рах креплеения рабо очего обо орудовани ия, и мехаанизмом перемеще п ения фото оприемно ого устрой йства 3, а также микро процессо орного ус стройстваа 5, реаализующеего заданн ный закон н управлеения рабоочим процессом машины м (ррис. 3.12)). Во время работы ы микроп процессор рное устрройство по сигна алам датччиков вы ырабатываает управл ляющие сигналы, с поступаю ющие на исполнит и тельные уустройств ва 4, т. е. на гидроц цилиндры ы положен ния стреллы, рукояятки ковш ша для подддержани ия заданн ной глубин ны копани ия и требуемого уггла резания. 60 Упр равление работой й машин ны осущеествляетс ся рукоятткой 6, а рабоч чие парамеетры вы ысвечиваю ются на дисплее 7. Пр ри этой й систем ме копан ние произвводится вручную по инд дикатору глубины ы копани ия, а на зачистны ых операц циях вклю ючается автомати ическая система с управлени у ия, обесп печивающ щая заданн ную глубину копаания, пряямолинейн ность тра аектории движени ия режущ щей кромки ковша и заданны ый угол реезания. Рис. 3.12. Авто ономно-коп пирная сисстема управ вления эксккаватором Наи ибольшую ю эффек ктивностьь использования экскаватторов с лазерным ми систем мами дает примен нение борртовых микроком м мпьютеровв. В этом м случаее в памятьь компььютера вносятсяя все необходи имые даанные, такие к как геометтрическиее размеры ы котловвана, угл лы откосо ов, емкоссть, угол л поворотта, высотаа подъем ма ковш ша и т.п п. Тогдаа во вр ремя рабботы в компьюттер автомаатически поступ пают си игналы с фото оприемни ика, а затем на исполн нительны ые устройства для «моментаальной» корректир к ровки вып полняемо ого процессса по отр рывке трааншеи или и котловаана. 3.3.2. С Система управления РО ггидравли ического экскаваттора Упр равление гидром мотором 14 поворота п платфоормы экскавато э ора осущеествляетсяя с пом мощью ээлектрозол лотника 9, а уп правлениее силовы ым 61 гидроц цилиндро ом перем мещения рукояти - с пом мощью эллектрозол лотника 10. 1 Остано овка плаатформы производ дится посредством м размыккающей кнопки 11, 1 поворотаа ковша по отклю ючающей электрозолотник 9, а вкл лючение привода п часово ой стрел лке - посредствоом замы ыкающей кнопки 12, св вязанной с электр розолотни иком 2 (ри ис. 3.13). Всее гидрорааспредели ители прривода эк кскаватор ра управлляются с помощьью обычн ных орган нов ручно ого управвления (р рычаги, педали). Н Нужное направлен н ние поворо ота платф формы пр ри разгруузке опрееделяется я переклю ючателем 13. Рабо ота автомаатизироваанной сисстемы уп правленияя гидропр риводом экскавато ора на вссех операц циях экск кавационн ного циклла осущесствляется следующ щим образзом. Рис. 3.13 3. Структур рная схема управлени ия РО гидра авлическогго экскаваттора: - - - - - - - гидраавлическаяя связь; ___ _________ электричес э ская связь. Коп пание и набор гр рунта в к ковш. По осле навед дения коввша в заб бой рукояять включ чается на поворотт по часоовой стреелке. При и возникн новении в процесссе копани ия заданн ного значеения давлления в ли инии гидр роцилинддра приво ода рукоятти, соотвеетствующ щего наибольшемуу допустимому усилию в этом элементте, срабаттывает реле давл ления 1 и включ чает элек ктрозолоттник 2 управлен ния 62 гидроцилиндром поворота ковша. При этом ковш начнет перемещаться в направлении уменьшения угла резания грунта, и этот поворот будет продолжаться до тех пор, пока давление в гидроцилиндре рукояти не станет меньше предельного. Если же предельные значения давлений возникнут одновременно в линиях гидроцилиндров рукояти и ковша, что будет указывать на слишком большую глубину резания (толщину стружки), реле давлений 1 и 3 подадут сигналы на оба входа логического элемента 4, который в этом случае выдаст управляющий сигнал на электрозолотник 5 гидроцилиндра поворота стрелы. При этом стрела начнет подниматься до достижения допустимого значения глубины резания. При повороте рукояти на угол, соответствующий окончанию процесса копания, сработает промежуточный элемент датчика углового положения 7 рукояти, воздействующий на электрозолотник 2. При этом ковш начнет поворачиваться по часовой стрелке до достижения им своего крайнего положения, при котором сработает датчик положения 8, останавливающий поворот ковша. Поднятие ковша. После достижения рукоятью положения, соответствующего окончанию процесса копания, промежуточный элемент датчика углового положения 7 рукояти выдает сигнал на электрозолотник 5, который заставляет стрелу подниматься до высоты, определяемой срабатыванием датчика 6 положения стрелы. Одновременно рукоять продолжает двигаться по часовой стрелке до предела, определяемого крайним значением датчика 7 углового положения рукояти. Поворот платформы экскаватора. Промежуточный элемент датчика 6 срабатывает при подъеме стрелы на некоторый угол и выдает управляющий сигнал на электрозолотник 9, включающий гидромотор, который поворачивает платформу экскаватора в направлении, определяемом задатчиком (переключателем) направления 13. Одновременно этот же промежуточный элемент датчика 6выдает сигнал на электрозолотник с целью поворота рукояти против часовой стрелки на предельный угол, определяемый датчиком 63 положения 7. Когда ковш экскаватора окажется над кузовом транспортного средства или в другом месте, выбранном для разгрузки, машинист нажимает кнопку 11, останавливая работу гидромотора поворота платформы. Разгрузка ковша. Когда ковш с грунтом остановится на месте разгрузки, машинист нажимает кнопку 12. При этом электрозолотник 2 включает силовой гидроцилиндр, поворачивающий ковш против часовой стрелки до крайнего положения, при котором срабатывает датчик 8 углового положения ковша, выдающий сигнал на его остановку. При этом происходит выгрузка грунта из ковша. Наведение ковша в забой. После выгрузки грунта ковш наводится в нужный участок забоя и начинается автоматизированная операция копания нового экскавационного цикла. Таким образом, применение описанной системы на экскаваторе позволяет упростить процесс управления экскаватором, поскольку вместо 25 воздействий на органы управления в течение одного экскавационного цикла, имеющих место при ручной системе управления, машинист выполняет лишь 9 воздействий при работе САУ. Экономический эффект достигается за счет повышения производительности машины путем снижения времени цикла экскавации. 3.3.3. Система регулирования положения стрелы экскаватора В настоящее время главное внимание уделяют автоматизации операции копания и защиты экскаватора от аварийных режимов работы. Эту задачу решают за счет изменения толщины срезаемого грунта путем регулирования положения стрелы гидроцилиндрами подъема и опускания (рис. 3.14). Нагрузку можно измерять либо путем непосредственного определения усилия резания Fр с помощью датчиков, установленных на ковше, либо путем измерения параметров, косвенно характеризующих усилие нагрузки на рабочий орган. В гидравлических экскаваторах наиболее простым способом оценки нагрузки на ковш является измерение давления рабочей жидкости в напорной 64 полостти гидроц цилиндраа поворотта рукоятти. Сигнал л Uд с даатчика даавления ДД Д подаеттся на вход в авттоматичесского реегулятора а, состояящего изз элемен нта сравнеения ЭС и блокаа управлления БУ У, где он н сравниввается с задающи им сигнал лом Uзад, соответсттвующим м номинал льному зн начению уусилия резания F. В на случаее их нер равенства регуляттор форм мирует си игнал, кооторый подается п электр рогидрозо олотник ЭЗ, уп правляющ щий перемещени ием гидр роцилинд дра стрелы ы. Перем мещение гидроцил г линдра иззменяет положени п ие ковша, уменьш шая или увеличиввая толщ щину сррезаемого о грунта а таким м образо ом, чтоб бы действвительноее значени ие нагруззки соотв ветствова ало номи инальной (заданно ой) величи ине, то есть е Uд = Uзад. П При этом колебани ия нагруззки огран ничиваюттся достатточно узкой областтью вблиззи ее задаанного значения. Рис. 3.14. Схема реггулировани ия положен ния стрелы экскаватор ра Пеерспективвным напр равлениеем автомаатизации одноковш шовых эк кскаватор ров являеттся внедр рение наа них эллементов программного уп правления. Переввод отделььных опер раций цикла на пррограммн ное управл ление поззволяет значитель з ьно снизитть утомляемость машинисста и под днять тем м самым м эксплуаатационну ую произвводительн ность. Оссобенно ээффективн но приме енение срредств про ограммно ого управл ления наа экскав ваторах средней и боль ьшой груузоподъемности. В настояящее врем мя задачи и програм аммного управлени у ия, как п правило, решают на базе и использоввания ми икропроцеессорной техники и. Устаноовка па экскавато э оре 65 бортоввой упр равляющеей микрро-ЭВМ или ми икроконттроллера позволяяет ра, а таакже поссле контро олироватьь основн ные парааметры работы р экскаватор э ручногго выпол лнения одного о и или неск кольких циклов рработы запоминаать послед довательн ность и оссновные показател ли выполнения отддельных операций йи затем многокраатно повторять их в автоматтическом режиме. 3.3.4. А Автоматизация многоков м вшовых экскавато э оров Раб бочий про оцесс мно огоковшоового экск каватора или тран ншеекопаателя мож жет быть аавтоматиззирован в части пооддержан ния заданн ного накллона дна траншеи.. В этом случае машин на оборрудуется копирн ными и или бескопирным ми автомаатическим ми систем мами. Наи иболее пеерспектив вными яввляются копирны к ые автомаатически ие систем мы управл ления трааншейным ми экскавваторами,, в которы ых в качеестве опор рной лин нии исполььзуется лазерный л луч. Пр и рытье траншеи в началле разрабатываемо ого й центри участкка устанаавливают лазерны ый излучаатель ЛИ, который ируется над н точкой й, закрепл ляющей ось о транш шеи (рис. 3.15). 3 Р Рис. 3.15. Схема С копи ирной САУ У траншейным экскаваатором Лу уч лазера направляяется вдолль траншееи с проектным угглом накл лона. На РО Р транш шеекопател ля устанавливаютт фотоприемное устройств у во ФПУ, сигналы ы с которо ого посттупают па блокк управ вления БУ. Б Сиггнал с БУ чер рез электр розолотни ик ЭЗ уп правляет гидроци илиндром подъемаа и опусскания РО, Р 66 поддер рживая все в времяя совпадеение опти ической оси ФПУ У с осью ю лазерно ого луча. З Задание глубины г копания к ттраншеи обеспечив о вается пуутем устан новки ФП ПУ в задаанное пол ложение. Для этоого ФПУ У устанав вливают п па телескопическ кой штате и снабжают мееханизмо м перем мещения МП и сследящей й систем мой управл ления, ко оторая по озволяет из каби ины маши иниста ввыставлятть ФПУ на необхо одимую высоту Но. В каачестве датчика обратной й связи применяю ют щуповвой датчи ик ДЩБ. в втоматиззация бул льдозеров 3.4. Ав Воззросшие требован ния к каачеству планирово п очных раабот, осо обенно при п сооруж жении зеемляного полотна дороги, вызвали ускоренн ную авто оматизаци ию скрепееров, бульдозеров и автогррейдеров, выполня яющих этти работы ы. При это ом основн ными нап правленияями автооматизаци ии явились стабиллизация требуемо ого углово ого полож жения раамы и ноожа в по оперечной й и проддольной плоскостя п ях, управл ление под дъемом отвала о при и перегру узке двигателя, уп правлениее скоростьью для р реализаци ии имеющ щейся м мощности и упра авление ггруппой машин по ибольшеее распрос направвляющем му лучу лаазера. Наи странениее среди зеемлеройн ной техникки имеютт бульдозееры. Аввтономнаяя систем ма автом матического упр равление рабочим м органо ом бульдо озера тип па «Автоп план-10»» (рис. 3.1 16) состои ит в общеем случаее из блок ков управл ления 5 (Б БУ) и пер регрузки 44, пульта управлен ния 3, маяятниковогго датчикаа Р Рис. 3.16. Электроги идравличесская схема системы «А Автоплан-110» 67 углового положения отвала 2, датчика числа оборотов двигателя 1, реверсивных гидроэлектрозолотников 7, аккумуляторных батарей 6, обратного клапана с дросселем 11, агрегатов и приборов гидросистемы, а также трубопроводов (дренажного 5, слива рабочей жидкости в бак 9, подвода 10 и подачи 12 рабочей жидкости под давлением). Пульт, блоки управления и перегрузки, а также аккумуляторные батареи установлены в кабине машиниста. С помощью блока управления отвалу бульдозера задается требуемый угол продольного наклона, а сигнал датчика преобразуется в команду на электромагниты гидрозолотника. Пульт управления служит для обеспечения дистанционного управления подъемом и опусканием отвала бульдозера. Реверсивный гидрозолотник осуществляет управление гидроприводом перемещения отвала в соответствии с командами БУ и расположен позади корпуса бортовых фрикционов трактора. Маятниковый датчик углового положения установлен на одном из толкающих брусьев бульдозера рядом с шарнирным соединением толкающей рамы. Работа бульдозера с САУ осуществляется следующим образом. В зависимости от уклона поверхности строящейся дороги или площадки на пульте управления задается необходимый угол наклона толкающего бруса, который соответствует положению режущей кромки отвала относительно опорной поверхности гусениц. В процессе работы бульдозера гусеницы встречаются с неровностями площадки, а угол наклона толкающих брусьев при этом изменяется. В этом случае маятниковый датчик посылает в БУ электрические сигналы об изменении угла наклона толкающего бруса. Эти сигналы поступают на электрозолотник, соленоид которого обеспечивает подачу рабочей жидкости гидросистемы в соответствующую полость рабочего гидроцилиндра. При этом шток гидроцилиндра перемещается, устанавливая отвал бульдозера в заданное для работы положение. Указанная система стабилизации положения отвала обеспечивает надежность работы только при практически постоянной частоте вращения вала двигателя. При снижении частоты вращения вала двигателя, возникающей с 68 увеличением усилий на отвале, механизм контроля системы отключает автомат стабилизации, подавая сигнал на выглубление отвала. После восстановления частоты вращения вала двигателя машины до нормальной, контролируемой тахогенератором, вновь включается автомат стабилизации положения отвала, который принимает прежнее заданное положение. Наиболее совершенной САУ является система «Комбиплан-10ЛП». Она позволяет стабилизировать положение отвала в продольной плоскости в бескопирном и копирном режимах, регулировать положение отвала в поперечной плоскости, а также защитить двигатель от перегрузок. Система состоит из 5 подсистем с замкнутыми контурами управления. В ней в качестве копира используется лазерная система (рис. 3.17). Стабилизация углового положения отвала в поперечной плоскости выполняется подсистемой, включающей датчик углового положения ДП, элементы сравнения ЭС1 и усиления УС1 сигналов и исполнительный механизм ИМ1 (механизм перекоса отвала). Угол наклона отвала в поперечной плоскости измеряют датчиком ДП маятникового типа (см. рис. 3.2, а). Датчик ДП устанавливают на тыльной стороне отвала. При поперечном наклоне отвала информация с ДП преобразуется в управляющие сигналы, которые отрабатываются исполнительным механизмом ИМ1. Угловое положение отвала в продольной плоскости в автономном режиме стабилизируется аналогичной подсистемой управления, состоящей из маятникового датчика ДКБ, элемента сравнения ЭС2, усилителя УС2 и исполнительных гидроцилиндров ИМ2. Датчик ДКБ, контролирующий угловое положение отвала α0, устанавливают на толкающем брусе бульдозера. Сигнал с выхода датчика сравнивается с опорным сигналом и, в случае его несоответствия заданному уровню, вырабатывается сигнал ошибки, который подается на исполнительные гидроцилиндры ИМ2, корректирующие положение отвала по высоте. Рассмотренные две подсистемы являются независимыми и составляют, по сути, систему «Автоплан-10». 69 Рис. 3.17. Схема си истемы авттоматизаци ии «Комбипплан-10ЛП П» Третья подсистема управлен у ния, входяящая в состав с сисстемы «К Комбиплаан10ЛП» », служитт для стаб билизаци ии полож жения отв вала булььдозера по п высотее h относи ительно опорной о плоскостти, задавааемой лаззерным ллучом. В нее вход дят лазерн ный излуч чатель ЛИ И, фотопрриемное устройств у во ФПУ, устанавл ливаемое на специаальной штанге, ш которую ззакрепляю ют на ты ыльной сттороне отвала. о П При отклон нении ФП ПУ от оси и лазерноого луча на н его вы ыходе выррабатываеется сигн нал ошибкки, которы ый подаеттся на ЭС С2 подсисстемы ста абилизаци ии положеения отваала в прод дольной плоскости. Как и в автоно омном ре ежиме, си игнал ош шибки чер рез усилиттель УС2 воздейсттвует на ггидроцили индры ИМ М2. Глу убину среезания пр ри заданн ной опорн ной лазерн ной плосккости усттанавливаает ия дистан нционно из кабины маши инист с помощью ю подси истемы управлен у перем мещением м ФПУ. В эту п подсистем му входя ят датчикк ДЩБ положен ния фотоприемникаа, устрой йство срравнения ЭСЗ, ус силитель УСЗ и механи изм перемеещения МП, М а так кже задаттчик, разм мещаемый й на пулььте управ вления. При П 70 отклонении ФПУ от заданного уровня в подсистеме появляется сигнал ошибки UΔh, который подается на ЭСЗ и отрабатывается МП. Датчик ДЩБ представляет собой щуповой преобразователь, аналогичный по конструкции маятниковому датчику ДКБ, и отличается от него тем, что маятниковый чувствительный элемент в данном случае заменен рычажным щупом. Во время работы машины щуп скользит по копиру или бордюру. В состав аппаратуры «Комбиплаи-10ЛП» также входит подсистема для защиты двигателя от перегрузок. В случае возрастания усилия резания грунта и превышения им максимально допустимых значений происходит снижение частоты вращения выходного вала двигателя и падение мощности машины. Подсистема автоматически обеспечивает снижение усилия резания грунта до заданного значения путем поднятия отвала. В качестве контролируемого параметра, характеризующего загрузку двигателя, в данном случае выбрана частота вращения nдв вала двигателя, которая измеряется тахогенератором ТГ. Напряжение с выхода ТГ, пропорциональное частоте вращения, сравнивается элементом ЭС4. Результат сравнения ΔUз подается одновременно на вход подсистем управления положением отвала и ФПУ. К достоинствам САУ по лазерному лучу следует отнести возможность осуществлять управление не только одной машиной, но и группой машин на значительных расстояниях и площадях при оптимальных рабочих скоростях. При этом точность планировки грунта по продольному профилю с системой автономного автоматического управления положением отвала составляет ±50 мм, а по лучу лазера ±30 мм. При работе землеройно-транспортных машин цикличного действия машинисту приходится производить многократные включения и выключения привода рабочего органа. В среднем за смену он более 1000 раз изменяет положение отвала бульдозера. Это затрудняет рациональную загрузку двигателя. Поэтому стабилизация нагрузки двигателя путем изменения толщины срезаемой стружки грунта по мере его набора рабочим органом 71 бульдозера (или скрепера) возможна только при автоматизации указанного процесса. Автоматическое регулирование работы двигателя включает в себя две параллельные и в то же время зависимые системы, представленные на рис. 3.18 в виде упрощенной блок-схемы: а) регулирование частоты вращения вала двигателя с помощью центробежного регулятора, увеличивающего подачу топлива при изменении этой частоты; б) регулирование частоты вращения вала двигателя в функции изменения нагрузки. Рис. 3.18. Блок-схема системы стабилизации загрузки двигателя В первой системе (I) цепь регулирования частоты вращения вала двигателя состоит из центробежного регулятора оборотов ЦР и топливного насоса ТН, которые регулируют подачу топлива в цилиндры двигателя. Вторая система регулирования (II) включает в себя следующие основные элементы и принципы их действия: • датчик (тахогенератор) Д, сигнал которого i1 пропорционален частоте вращения вала двигателя; • задающий элемент З, подающий постоянный электрический сигнал i2, пропорциональный заданным номинальным частотам вращения вала двигателя; • сравнивающее устройство С, в котором производится алгебраическое сложение сигналов от датчика и задающего элемента, а полученная разность представляет собой управляющий сигнал Δi; 72 • усилитель У, усиливающий управляющий сигнал до величины y, способный управлять механизмом подъема-опускания рабочего органа; • исполнительный механизм И, преобразующий управляющее воздействие в механическое перемещение рабочего органа h и предоставляющий собой два гидроцилиндра двустороннего действия с электрогидравлическим золотниковым устройством. Автоматически перемещая РО машины по вертикали, исполнительный механизм регулирует толщину стружки грунта, которая определяет нагрузку на двигатель. В связи с тем, что требования к нагрузке двигателя во время работы остаются постоянными, рассмотренная САР является стабилизирующей. Благодаря автоматизированной системе производительность бульдозеров увеличивается в среднем на 15%. 3.5. Автоматизация скреперов Скреперы нашли широкое применение на послойной разработке грунта и точной планировке под заданные отметки крупных строительных площадок и дорог. Использование автоматизированных скреперов позволяет повысить: производительность труда за счет сокращения числа проходов; качество выполняемых работ; улучшить условия работы машиниста. С этой целью в РФ выпускают системы «Стабилоплан-10» и «Копир-Стабилоплан-10». Аппаратура «Копир-Стабилоплан-10» обеспечивает автоматическую стабилизацию ковша скрепера по высоте, управление задней стенкой ковша и защиту двигателя устанавливают на от перегрузки скреперах на с планировочных гидравлическим операциях. Ее управлением и предусматривают работу как в автономном, так и в копирном режимах по лучу лазера. Система «Копир-Стабилоплан-10» имеет пять подсистем управления (рис. 3.19). Подсистема стабилизации углового положения α ковша скрепера в продольной плоскости идентична подсистеме аппаратуры «Комбиплан-10ЛП». Маятниковый датчик ДКБ подсистемы устанавливают на буфере ковша 73 скрепеера. Его информац и ция черезз ЭС1 и УС1 У отра абатываеттся гидро оцилиндро ом подъем ма и опусскания ковша. Р Рис. 3.19. Схема С систеемы автомаатизации «К Копир-Стаабилоплан-10» Пол ложение ковша по п высотее стабили изируется я подсисттемой, раб ботающей йв копирн ном реж жиме с лазерным л лучом. Переход д с автоономного режима в копирн ный прои изводитсяя перекллючателем м с пульта управвления ПУ. Задан ние полож жения ФП ПУ прои изводитсяя подсисстемой дистанцио д онного управлени у ия, включ чающей механизм м м перемещ щения МП, М щупо овой датччик обраатной свяязи ДЩБ, элемент сравнени ия ЭСЗ и уусилительь УСЗ. Заш шита дв вигателя тягача от пер регрузок выполняяется по одсистемо ой, и контро олирующ щей с пом мощью Т ТГ число о обороттов n тяггового двигателя д форми ирующего о на ЭС С4 корреектирующ щий сигн нал, котторый по одается на подсисстемы реггулирован ния полож жением ковша к и ФПУ Ф по ввысоте. В результаате при пеерегрузкее ковш вы ыглубляеттся до теех пор, по ока нагруузка на дв вигатель не снизиттся до до опустимо ой величи ины. Фоттоприемник посреедством подсистем п мы 74 регулирования его положения опускается на такую же величину, сохраняя заданное положение относительно луча лазера. В подсистеме, которая управляет выталкиванием грунта задней стенкой ковша при движении машины под уклон и на выемках, в качестве датчиков, контролирующих положение задней стенки, используют индуктивные дискретные датчики КВД. На ковше закрепляют металлические флажки, которые входят в пазы датчиков. Сигналы с датчиков КВД через устройство сравнения ЭС2 и усилитель УС2 подаются на исполнительный механизм двойного действия ИМ2, который перемещает заднюю стенку. При подъеме ковша на 3-5 мм выше уровня передних колес один из флажков входит в паз датчика выдвижения, что приводит к включению ИМ5 и выталкиванию задней стенкой грунта, находящегося в ковше. При срезании земляной стружки толщиной более I см другой флажок входит в паз датчика, что приводит к забору грунта в ковш. Движение стенки ограничено конечными выключателями ДК. Система «Стабилоплан-10» является частью рассмотренной аппаратуры и обеспечивает только стабилизацию положения режущей кромки ковша по высоте в бескопирном режиме. Стабилизация тягового усилия землеройно-транспортных машин также может осуществляться автоматически. Схема стабилизации на примере прицепного скрепера приведена на рис. 3.20. Она включает в себя датчик тягового усилия I, регулятор II и привод управления III. Объектом регулировки является РО машины - ковш. Его положение определяет значение независимого параметра регулирования - толщины срезаемой стружки грунта. Именно от этого параметра зависит величина нагрузки. Стабилизация тягового усилия осуществляется следующим образом. При работе скрепера тяговое усилие посредством гидравлического динамометра 1 преобразуется в перемещение штока мерного гидроцилиндра 2, который через зубчато-реечную передачу 3 вращает вал переключателя 4. Если сопротивление 75 грунта соответствует тяговому усилию скрепера, переключатель расположен в нейтральном положении так, как показано на схеме. При увеличении или снижении нагрузки на режущий орган ковша переключатель замыкает один из контактов 5, в результате чего срабатывает одно из двух реле 9, воздействующее на соответствующий электромагнит 6. Электромагнит, в свою очередь, перемещает золотник 7 и, включая гидроцилиндр 8, поднимает или опускает ковш. Рис. 3.20. Схема стабилизации тягового усилия скрепера В приводе механизма передвижения самоходных скреперов устанавливается гидромеханическая передача, позволяющая автоматически изменять скорость машины в зависимости от сопротивления движению. В скреперах используется и восьмискоростная полуавтоматическая коробка передач. Для создания высокого тягового усилия на колесах при загрузке и выгрузке ковша первые две передачи и задний ход работают с применением гидротрансформатора. Передачи 3...8 работают напрямую и предназначены для эффективного использования скорости при перемещениях по дорогам. Во 76 время цикличной работы машинист выбирает наивысшую в зависимости от дороги передачу, а трансмиссия автоматически переводит ее на 2-ю при загрузке и выгрузке и вновь возвращает к назначенной скорости при перевозке. 3.6. Автоматизация автогрейдеров Автогрейдеры выполняют значительный объем планировочных и отделочных работ при устройстве, в основном, земляного полотна с требуемыми продольным и поперечным профилями. На этих машинах устанавливают различные комплекты аппаратуры системы «Профиль». Система автоматики «Профиль-10» предназначена для автоматического управления положением отвала автогрейдера в поперечной плоскости машины. Комплект этой аппаратуры состоит из пульта управления, датчика углового положения ДКБ, сравнивающего и усиливающего устройства и реверсивного гидрораспределителя с электроуправлением. Для дистанционного и автоматического управления отвалом, автоматической стабилизации положения отвала в поперечной плоскости и управления им по высоте используют систему «Профиль-20». В состав комплекта аппаратуры входит то же самое оборудование, что и в аппаратуре «Профиль-10», с добавлением датчика высотного положения ДЩБ, установленного на специальном кронштейне с правой стороны грейдерного отвала по ходу автогрейдера. Работа этой системы ведется с использованием жестких направляющих. В настоящее время на автогрейдерах устанавливаются усовершенствованные САУ типа «Профиль-30» (см. рис. 3.21). Один вариант системы оснащен датчиками углового положения и продольного профиля, а другой - датчиком углового положения и лазерной установкой. Система «Профиль-30» выполняет автоматическое управление положением отвала в продольной (по высоте) и поперечной (по углу) плоскостях и стабилизирует движение машины по курсу. Она состоит из трех подсистем управления и обеспечивает высокое качество планировочных работ 77 и повы ышение производи п ительностти машин.. П Положен ние отв вала ав втогрейд дера в попер ечной плоскоссти ия, измеерительны стабил лизируетсся автон номной п подсистем мой регу улировани ым элемен нтом котторой явл ляется мааятниковы ый датчик ДКБ, уустанавли иваемый на тягово ой раме рабочего о органаа. Инфор рмация с датчикка преоб бразуется в подсисстеме в управляю у ющие сигн налы, котторые отр рабатываю ются гидр росистем мой ИМ2. Стабили изация по оложения я отвала по высоте h в прродольной й плоскоссти выпол лняется подсистем мой управвления, работающей в копи ирном реежиме. При П этом использу уют копи ирный ттрос и щуповой щ датчик ДЩБ. В системе предуссмотрена возможн ность устаановки в случае не еобходим мости двух х копирны ых тросовв с право ой и лево ой сторон ны маши ины. Сигн нал сдатччиков анаализируеттся подсисстемой уп правленияя и преоб бразуетсяя ею в упр равляющи ие сигнал лы, которые отрабаатываютсся гидроси истемой И ИМ1. Рис. 3.21. 3 Схемаа системы автоматиза а ации «Проф филь-30» Д Для ста абилизаци ии движ жения автогрей а дера поо курсу в состтав аппараатуры «П Профиль-3 30» вход дит двухк контурная я подсисттема, исп пользующ щая щуповвой датчи ик ДК и датчикк угла поворота п сошки ДС. Реггулируемы ым парамеетром в данном д сл лучае являяется расстояние S между оосью авто огрейдераа и 78 копирным тросом, которое контролируется датчиком ДК. Одновременно с этим датчик ДС контролирует положение колес автогрейдера. Полученная от датчиков информация анализируется в ЭСЗ и на ее основе вырабатываются управляющие сигналы, которые подаются для отработки на исполнительную гидросистему ИМЗ. Технические характеристики системы "Профиль-30": Диапазон плавной установки стабилизирующего уклона ….8,8% Цена деления задатчика уклона …0,2% Диапазон регулирования чувствительности системы стабилизации поперечного уклона, угловые минуты…. 5-50 Погрешность системы стабилизации поперечного уклона, не более 0,15% Диапазон дистанционной установки положения РО по высоте 0-80 мм Цена деления задатчика по высоте … 5 мм Погрешность системы управления по высоте ….. 1мм Минимальная зона чувствительности подсистемы управления по курсу…7 мм Максимальная зона нечувствительности подсистемы управления по курсу 85 мм. В настоящее время создают системы управления на базе микропроцессорной техники, которые позволяют управлять положением рабочего органа по вертикальным и угловым координатам, а также осуществлять управление курсом машины. Для машин с колесным движителем также используют схему, основанную на зависимости тяговой мощности NT от величины буксования движителей δ. Установлено, что для автогрейдеров полное использование мощности тягового двигателя наступает при степени буксования ведущих колес, равной 18-20%. Функциональная схема системы приведена на рис. 3.22. Регулируемой величиной здесь служит коэффициент буксования: δ = 1 - ω2 / ω1, (3.1) который поддерживается САР в заданных пределах за счет изменения толщины срезаемой стружки h. Угловые скорости ω1 и ω2 ведущего и ведомого колес, измеренные с вычислительное помощью тахогенераторов устройство ВУ, которое ТГ1 и ТГ2, вырабатывает поступают на действительное значение коэффициента буксования δ1. Его величина является первичным управляющим сигналом, который затем сравнивается с заданным значением δз 79 и, в зависимо ости от знака р ассогласо ования Δδ, Δ вклю ючает то или ин ное исполн нительное реле релейн ного уссилителя. Реле воздейсствуют на гидраввлический й исполн нительный й механи изм, кото орый вып полняет подъем п и или опускаание рабо очего органа. В настоящеее время существвуют вари ианты эттой схемы ы на электтрических х и гидраввлических х элементтах. Рис. 3.22. Функц циональнаяя схема систтемы стабиилизации тяговогго усилия Автомати изация ук кладчикоов 3.7. А Б Более п поздней «Стаби илослой» », и сов ершенной й устанавливаем мая на разра аботкой укладчиках являетсяя система доррожно-стр роительны ых матери иалов. Бл лагодаря этой э систтеме задняяя кромка а плиты м может изм менять сввое полож жение отн носительн но опорн ной поверхности укладчикка в раб бочей зон не, опредееляемое чувствиттельностью ю датчик ков угло ового (ДУ УП) и продольно п ого (ДЩБ) профи иля. Схем ма устан новки ап ппаратуры систем мы «Стабилосло ой» привед дена на ри ис. 3.23. 80 Рис. 3.23. Схема устаановки апп паратуры си истемы «Сттабилослой й» При инцип раб боты систтемы «Сттабилосло ой» основ ван на том м, чтобы с помощьью датчикков 1 и 2 удерж живать Р РО на пеервоначал льно устаановленн ной высотте. Контроль за ур ровнем оп порной пооверхностти в продольном н направлен нии датчи ики произвводят по о копирн ному троосу 3, который к натягиваается по высотны ым отметккам, или опорной й лыже 44, прикрепленной к машин не и скол льзящей по опорно ой повер рхности вместе с уклад дчиком. За попееречным профилем осущеествляет контрол ль маятн никовый датчик ДУП, установл ленный на попереечной бал лке, или можно м исспользоваать второй датчик ДЩ, закрепив его ос другой й стороны ы машины ы. Кро оме расссмотренн ной аппааратуры, система а «Стаби илослой» содерж жит электр рические блоки задани ия попееречного уклонаа, толщины сл лоя уклады ываемого о покрыттия, регууляторы чувствиттельности и и сраавнивающ щее устрой йство 5. Блоками задания устанавливаются я сигналы ы, равные сигналам датчикков ДУП П и ДЩ при усттановленн ном попе еречном уклоне и толщи ине уклады ываемого о слоя. Постоянн ный сиггнал с блока б заадания непрерыв н вно сопосттавляетсяя в сравн нивающем м устрой йстве с сигналом м, поступ пающим от датчикков. Сисстема «Сттабилосло ой», схем ма которой й показан на на рис. 3.24, обееспечивает: 81 - автоматическую стабилизацию углового положения выглаживающей плиты в поперечной плоскости (ДУП); - автоматическое управление положением плиты по высоте (при большой ширине полосы укладки – 2 датчика ДЩ); - комбинированное управление по высоте и поперечному углу (малая и средняя ширина полосы укладки – ДУП и ДЩ1). ДЩ1 h1 H h ГЦ1 БУ РО ГЦ2 0 H h ДЩ2 ДУП Рис. 3.24. Схема системы «Стабилослой» Во время работы асфальтоукладчика продольный и поперечный датчики следят за положением РО, которое зависит от геометрии основания. При изменении положения РО или концов тяговых брусьев датчики подают в сравнивающее устройство сигнал, значение которого может быть меньше или больше сигнала задатчика. Разность сигналов является регулирующим воздействием в цепи электромагнита гидрораспределителя, управляющего работой гидроцилиндров подъема и опускания концов тяговых брусьев. Произведенное изменение концов тяговых брусьев пропорционально значению сигнала. Высота тяговых брусьев будет меняться до тех пор, пока щуп или коромысло датчиков не займут свое первоначальное положение, при котором исчезнет сигнал рассогласования. Комплект аппаратуры и принцип действия этой системы аналогичен системе «Профиль-20». Точность по высоте - 2…3 мм, по углу - 0,25о…0,33о. 82 Система «Стабилослой» обеспечивает более высокое качество поверхности покрытия, чем «Профиль» и «Профиломат» (устанавливается на комплект машин ДС110 для скоростного строительства дорог с бетонным покрытием). Все САУ просты в конструктивном исполнении, но имеют недостатки, такие как: трудоемкость натяжки копирного троса и дополнительная погрешность измерения из-за его провисания. Главной задачей асфальтоукладчика является получение заданных профилей дороги и толщины асфальтоукладчиков укладываемого эта проблема слоя. У также современных решается зарубежных с помощью автоматизированных систем, устанавливаемых на них. В САУ выглаживающей плитой для получения проектных продольных и поперечных профилей дорожного полотна компаниями MOBA, TOPCON и др. используются сенсорные цифровые приборы. Здесь в качестве источника информации используются лазерные или ультразвуковые сенсорные датчики, сканирующие основание дороги, относительно которого устанавливаются и поддерживаются требуемые профили и толщина слоя покрытия (МОВА). В качестве опорной поверхности может быть использован лазерный прибор PZL-1 (TOPCON), который формирует лазерную область (Laser Zone) на расстоянии до 600 м. Для получения и поддержания поперечных профилей покрытия на рабочем органе асфальтоукладчика устанавливают датчики наклона. Использование в САУ цифровых приборов, в отличие от аналоговых, позволяет подстраивать их на необходимую продолжительность импульса для согласованного срабатывания автоматики и гидравлики управления тем или иным узлом рабочего органа. На рис. 3.25 представлен асфальтоукладчик, оборудованный подобной системой. 83 Рис. 3..25. Общий й вид асфалльтоукладч чика BOMA AG (1) с усттановленно ой на нем м «лыжей»» (3) с сенсо орными даттчиками (22). Вы ысокие тр ребованияя к качесттву дорож жного пок крытия, а следоваательно, и к работее асфал льтоуклад дчиков, оснащ щения эттих маш шин обуслови или СА АУ. Кроме нео обходимоость того о, обяязательно ого происсходит постоянн ное соверш шенствование, как отдельны ых узлов, так и все ей машин ны в целом м. Всее указанны ые систем мы построеены по пр ринципу од дноконтуррных САУ У, в котор рых вводиттся сигнал обратной й связи толлько по вы ыходной ве еличине. Т Такое посттроение СА АУ не об беспечиваеет в пол лной мерре динами ических качеств, необходимых для д удовлеетворения требовани ий рабочегго процессса укладки и асфальтообетонногго покрыти ия. Однако о, примен нение САУ У позволляет повы ысить точн ность вып полнения работ в 2 3 раза и увелич чить скоро ость уклаадчика в 1,5 - 2 раза а. 84 3.8. Автоматизация уплотняющих машин 3.8.1. Оптимизация параметров и режимов работы дорожных катков Параметры существующих катков не позволяют поддерживать на всем протяжении процесса уплотнения требуемый режим укатки, когда силовое воздействие катка изменяется в соответствии с изменением свойств уплотняемого материала. Следствием этого является большое число проходов по следу и необходимость использования нескольких типоразмеров катков для достижения нормативной плотности. Максимальной эффективности работы катков можно добиться при соблюдении оптимальных режимов уплотнения, что ввиду сложности процесса их соблюдения возможно лишь при его автоматизации. Однако для перехода к автоматизации укатки необходимо решить такие вопросы, как оптимизация параметров и режимов работы катков, создание и установка на катках средств контроля качества уплотнения, разработка систем регулирования в широких пределах параметров силового воздействия на материал. Особенностью деформирования асфальтобетона, как и грунтов, следует считать влияние сдвиговых деформаций на деформации изменения объема. Сдвиговые деформации носят необратимый характер. Поэтому уплотнение дорожно-строительных материалов следует рассматривать как смешанную, упруго-пластическую задачу. При рассмотрении таких задач широкое применение получила теория пластического течения. Задача решалась методом конечных элементов. Было установлено, что при определенной нагрузке пластическая зона - hp развивается на всю глубину уплотняемого слоя - hсл, а при дальнейшем увеличении линейного давления катка - q сохраняется равенство hp/hсл = 1, поэтому максимального приращения можно достичь только при hp= hсл. Это будет иметь место при правильном выборе параметров вальца в соответствии с параметрами асфальтобетона. 85 В основу оптимизации параметров и режимов катков в качестве целевой функции x была принята разность hсл - hр. При этом развивающиеся в слое напряжения не должны превышать допустимых значений - [τ]. В стандартной форме записи оптимизационная задача имеет вид: n минимизировать s 2 x hсл hp = hсл BD gD K py T ; g 1 x C при ограничениях q gD 2 D q d f T K y To (3.2) To q k - [] 0 (3.3) g2 x h сл h p 0 , (3.4) где В, С - постоянные коэффициенты; D – диаметр вальца; - стандартная плотность асфальтобетона; g - ускорение свободного падения; d, f, k, n, p, s показатели степени; Ку, Т – коэффициент уплотнения и температура асфальтобетона; То = 125оС. Для практического использования параметры вальца удобно характеризовать показателем q/R (R – радиус вальца). Зависимость q/R для оптимальных значений q и D при уплотнении мелкозернистого асфальтобетона описывается выражением (q/R)опт = 0,04Ку9,15(Т/То)2,76 . В качестве необходимых оптимальных для контактных эффективного (3.5) давлений уплотнения, опт, предложено минимально принимать максимальные напряжения у, при которых hр= hсл. Используя оптимальные соотношения q и D, получена зависимость для hсл = 5 см: опт 0,7Ку9,46Т/То)2,72, (3.6) Фактически эта зависимость отражает оптимальный режим работы катков и представляет собой закон регулирования контактного давления в процессе уплотнения асфальтобетона. Разработанная модель позволяет расчетным путем устанавливать области рациональной работы дорожных катков (в т.ч. вибрационных и на пневмошинах) при уплотнении асфальтобетонных смесей. Такая область (рис. 86 3.26) сверху ограничена линией, вдоль которой действующие касательные напряжения равны допускаемым, т.е. τxy = [τ]. Снизу область ограничена кривой, отвечающей условию hp = hсл. Данная область является областью допустимых значений Ку и Т, при которых возможно и необходимо вести укатку выбранным катком. В этом случае пластические деформации будут распространяться на всю толщину слоя асфальтобетона и не вызовут его разрушения. T, C =[] 130 110 90 1 hp=hcп 2 70 0,84 0,88 0,92 0,96 Ку Рис. 3.26. Области рациональной работы катка: 1- статический режим; 2 – режим вибрации. 3.8.2. Устройства для оперативного контроля плотности асфальтобетона Информационно-измерительная система (ИИС), показанная на рис. 3.27, призвана информировать оператора о возможности начала и необходимости окончания укатки асфальтобетона в соответствии с областью рациональной работы катка. На основе данных о температуре смеси и количестве проходов катка по следу система позволяет расчетным путем определять плотность покрытия после каждого прохода. Вычисления производятся в счетнорешающем блоке (СРБ) согласно зависимостям, представленным в виде: 87 Kyi = Kн + Kиi lni ; gD Kиi = 0,028 2 2, 65 qK Ýi T K yi3,21 i To n 3, 48 ; s gD 2 T K pyi i , 23) qK To Ýi hpi = BD где i - номер прохода катка; Кн - начальное (3.7) значение коэффициента уплотнения; Ки - коэффициент интенсивности уплотнения; Кэ - коэффициент эффективности вибрационного воздействия, определяемый по (3.23). Пульт управления и отображения информации Т Датчик температуры решающий Счетчик проходов Датчик угла поворота К Счетно- блок I МикроЭВМ Блок установки параметров смеси hсл Блок установки параметров катка q, D , P/Q Источник питания U=12 Рис. 3.27. Структурная схема информационно-измерительной системы Датчиком температуры служит бесконтактный пирометр, счетчик проходов выполнен на базе герконов и устанавливается на рукоятке реверса катка. Положение катка по ширине покрытия определяется оператором либо вычисляется с помощью датчика угла поворота катка. Сменные блоки установки параметров катка и смеси позволяют использовать систему на любом катке и для разных типов асфальтобетона. На индикаторы пульта в кабине катка выводятся текущие значения Т, Ку и i. Заложенной в СРБ программой предусмотрено информирование оператора звуковым и световым сигналами о выходе катка за границы области рациональной работы и необходимости перехода со следа на след. Производственные испытания ИИС показали, что 88 система работоспособна и удовлетворяет предъявленным к ней требованиям. Расхождения по Ку между показаниями системы и результатами испытаний вырубок не более 15%. Основные узлы устройства контроля плотности асфальтобетона (УКПА), устанавливаемого на катке 1, показаны на рис. 3.28. Для производства замеров вакуумная камера 2 прижимается к покрытию и в ней с помощью насоса 4 и ресивера 3 создается требуемое разрежение, фиксируемое датчиком разрежения 6. 1 10 3 СРБ 4 ДР 11 5 В Р 1 - каток; 2 - вакуумная камера; 3 - ресиверы; 4 - вакуумный насос; 5 - привод насоса; 6 - датчик разрежения; 7 - датчик расхода; 8 - датчик температуры; 9 - воздуховод; 10 - счетно-решающий блок; 11 - пульт управления; 12 - подъемноповоротный механизм. П 7 РХ ДТ 8 6 2 9 12 Рис. 3.28. Устройство контроля плотности асфальтобетона (УКПА) Через слой асфальтобетона в камеру натекает воздух, расход которого определяется расходомером 7. Температура слоя измеряется датчиком температуры (пирометр) 8. Показания датчиков поступают в СРБ, где по заданному алгоритму фильтрующегося через вычисляется слой величина асфальтобетона, Ку . Расход позволяет с воздуха, достаточной точностью судить о плотности слоя. С помощью специального механизма 12 осуществляется “шагающий” режим движения камеры, исключающий ее 89 скольжение по покрытию и позволяющий проводить замеры плотности без остановки катка. Внутренний диаметр вакуумной камеры УКПА Dк = 0,08-0,1 м обеспечивает контроль любых смесей с толщиной слоя до 10 см. Ширина уплотнительного элемента камеры, равная Dк и его деформирование на 25% при прижатии камеры к покрытию позволяют свести утечки воздуха вдоль покрытия к минимуму, а объемы основного (10л) и измерительного (3л) ресиверов - установить рабочий диапазон разрежений р=10-60 кПа. Расчетное время цикла работы УКПА не превышает 5 с. Время измерения расхода фильтрата tизм 1 с, а время контакта камеры с покрытием менее 2 с, что с учетом межвальцевых расстояний и рабочих скоростей катков является вполне приемлемым. Производственные работоспособность испытания измерительной макетного системы, образца ее УКПА показали достаточную точность, чувствительность и стабильность показаний. Установлено, что потребляемая мощность устройства менее 0,6 кВт 3.8.3. Автоматизированное вакуумное балластное устройство к дорожному катку Для регулирования силового воздействия катков на уплотняемый материал в СПбПУ Петра Великого была предложена конструкция вакуумного балластного устройства (ВБУ), с помощью которого можно реализовать новую технологию укатки асфальтобетона с вакуумированием. Балластное устройство (рис. 3.29) состоит из вакуумной камеры 2, жестко связанной с рамой катка 1, вакуумного насоса 3 и его привода 4. Камера имеет форму чаши, обращенной открытой частью к асфальтобетонному покрытию 7, и во время движения катка скользит по уплотняемой поверхности. Изменяя с помощью насоса (через воздуховод 6) степень разрежения в полости камеры, можно регулировать нагрузку на вальцы катка. Величина балластного усилия 90 находи ится как произвед дение велличины разрежени ия в камеере на ее площадьь в плане.. Про оведенны ыми исслеедованиям ми доказаано, что в результтате вакуу умирован ния достиггается более высокая плотн ность и прочность п ь асфальттобетона,, снижаеттся его п пористостть и повышаетсяя одноро одность структурры. Эфф фективноссть вакуум мировани ия возрасттает с увееличением м разреже ения в каамере и теемператур ры асфалььтобетонаа. Таким м образзом, ВБУ У следу ует расссматриватть и к как при е его дополнительны ый рабоч чий орган н катка. Ри ис. 3.29. Сх хема катка с вакуумным балласттным устроойством Во избежаание опаасных д деформац ций уплотняемогго слоя вакуум мировани ии предло ожено усттановить внутри балластно б ой камеры ы нескольько дополн нительны ых опор при п соблю юдении условия: у b/D b к=0,18 0,30 (Dк – диамеетр камеры ы; b - расстояние между м опоорами). Усттановлено о, что зависимоссть пред дельно допустим д мого разр режения в камерее от температуры и плотноссти смеси и имеет ви ид (кПа): Ку + 46,133Ку2 0,176КуТ 0,165Т 0,36. рдооп = 3,33К (3.8) Выр ное на определение режи ражение (3.8), нааправленн жимов раб боты ВБ БУ, описы ывает повеерхность, которая является верхней границей й рабочей й зоны ВБ БУ. 91 Максимальная величина разрежения может к концу укатки достигать 25-30кПа, что позволяет при площади камеры 1,5 м2 иметь величину балласта до 45 кН. Зависимость (3.8) положена в основу САР балластного усилия. Регулирование предложено осуществлять в зависимости от температуры асфальтобетона (рис. 3.30), влияние которой на рдоп более значительно, чем Ку. Здесь (кривая 1) учтено, что при изменении температуры от 140 до 70оС коэффициент уплотнения возрастает от 0,84 до 0,98. По своему характеру зависимости для рдоп (3.8) и опт (3.6) близки, что подтверждает возможность регулирования давления катка с ВБУ в зависимости от изменения Т, в соответствии с оптимальным режимом укатки. Выбор температуры в качестве входного воздействия обусловил необходимость проведения наблюдений, в ходе которых было установлено, что перепады температур по длине захватки катка могут достигать 20оС, при этом максимальные скорость и ускорение входного воздействия равны 25оС/с и 32оС/с2. Учитывая это, построена запретная зона в низкочастотной части ЛАЧХ, позволившая определить нижний предел добротности системы по скорости 7с1. Сформулированы требования к качеству процесса регулирования по точности и быстродействию: максимальная ошибка от управляющего воздействия не должна превосходить 1 кПа, а от возмущающего воздействия 1,5 кПа; время переходного процесса не должно превышать 2,8 с. В соответствии с требованиями по точности произведена коррекция исходной зависимости (рис. 3.30, кривая 2). С целью исследования объекта регулирования (балластной камеры) разработано его математическое описание. Уравнения, связывающие входные и выходные параметры камеры, имеют следующий вид: 92 25 q Р а з р е ж е н и е, кПа 20 15 10 1 5 2 60 80 100 t 120 140 0 Т е м п е р а т у р а, С Рис. 3.30. Зависимость допустимого разрежения в камере от температуры. Qп - Qc = dGк/dt ; (3.9) Q п = qф + qз ; (3.10) (pa p)Vвк = GкRгв , (3.11) где Qп - весовой приток воздуха в камеру, Н/с; Qс- весовой сток воздуха из камеры, определяемый производительностью насоса, Н/с; Gк - вес воздуха в камере, Н; qф - весовой расход фильтрата, Н/с; qз - весовой расход воздуха через зазоры (утечки), Н/с; Vвк - объем полости камеры, м3; Rг - газовая постоянная, м/оК; в - температура воздуха, оК. Решая совместно уравнения (3.9) - (3.11) и используя известные зависимости для определения фильтрационного расхода и расхода утечек, получили уравнение регулируемого объекта в виде, позволяющем отнести его к апериодическому звену первого порядка: Tk p + p = KпQc, (3.12) 2 где Тк - постоянная времени, с; Кп- коэффициент передачи, с/м . Параметры Тк и Кп, определяющие соответственно динамические и статические характеристики объекта регулирования, находятся по формулам 93 Tк = Kn Vвк K1 K 2 R г в (3.13) ; 1 , K1 K 2 (3.14) где К1, К2 - коэффициенты крутизны характеристик расходов qз и qф от перепада давления. В результате была получена передаточная функция балластной камеры: S Kn e в . Wk S Tk S 1 (3.15) Согласно принятой функциональной схеме САР разрежения в камере ВБУ (рис. 3.31) регулируемая величина р преобразуется в сигнал Uоср с помощью датчика разрежения ДР. Сигнал задания на разрежение Uзр формируется на выходе функционального преобразователя ФП, который U3P UPP DUP ФП РР Uдт Uоср ДТ Qн Δ ПР ЛЭМД ГН w2 ГМ wBH ВН П Qс Uдп ДП ВК ДР Т Dр Рис. 3.31. Функциональная схема САР разрежения в камере ВБУ моделирует зависимость на рис. 3.30 (кривая 2). Температура асфальтобетона измеряется датчиком ДТ и в виде сигнала Uдт подается на вход ФП. Отклонение величины р от заданной воздействует на вход регулятора разрежения РР. Последний в соответствии с законом регулирования вырабатывает сигнал Uрр и через силовой преобразователь ПР воздействует на линейный электромагнитный двигатель ЛЭМД, якорь которого связан с регулирующим органом гидронасоса ГН. Для точного позиционирования якоря ЛЭМД применена местная обратная связь через датчик положения ДП. При перемещении х якоря изменяется расход Qн рабочей жидкости ГН, нагнетаемой в гидромотор ГМ. Вследствие этого изменяется частота вращения 94 вала ГМ, а следовательно, и производительность связанного с ним передачей П вакуумного насоса ВН. В результате изменяется расход воздуха Qс, откачиваемого из вакуумной камеры ВК, и степень разрежения в ней. Проведен передаточной синтез функции САР, цель которого регулятора. состояла Процедура в синтеза определении исходит из динамической модели системы, основу которой составляют уравнения динамики элементов. Уравнения вакуумной камеры и вакуумного насоса записаны в виде Q S Т nк р c e в ; р K K (3.16) Qc = Wвнвн , (3.17) 2 где Тпк = Vвк/Rгв - постоянная камеры, м ; К = К1+К2 - коэффициент обратной связи по разрежению, м2/с; Wвн - объемная постоянная ВН, м3; вн - частота вращения вала ВН, с. Описание гидропривода содержит уравнение неразрывности потока жидкости в напорной магистрали и уравнение момента, развиваемого ГМ 1W1 x W2 2 r W22 р r r W22 р r ; x max (3.18) 2 h 2 2 M 2 , W2 р r J n (3.19) где , - частоты вращения валов ГН и ГМ, с; W1,W2 - объемные постоянные ГН и ГМ, м3; хmax- максимальный ход цапфы управления насоса, м; х - перемещение цапфы, м; г - критерий герметичности системы, (Нмс); рг перепад давлений в полостях ГМ, Па; г - критерий упругости гидросистемы, (Нм); Jп - приведенный к валу ГМ момент инерции нагрузки, кгм2; h 2 коэффициент вязкого сопротивления ГМ, Нмс; М2 - момент сопротивления нагрузки, приведенный к валу ГМ, Нм. Уравнение движения якоря ЛЭМД записано в виде .. mпр x = Fg Fc , (3.20) где mпр - приведенная масса движущихся частей, связанных с якорем, кг; 95 Fg = КgU - усилие, развиваемое якорем ЛЭМД, Н; Кg - коэффициент передачи, Н/В; U - управляющее напряжение, В; Fc = Кгрг - сила сопротивления, Н; Кг коэффициент пропорциональности, м2. Согласно уравнениям динамики элементов построена структурная схема неизменяемой части нескорректированной системы. системы, Рассчитаны расположение ЛАЧХ и которых ЛФЧХ позволило сформировать ЛАЧХ регулятора. Регулятор реализуется последовательным соединением интегрирующего, изодромного и двух апериодических звеньев. Качество процесса регулирования оценивалось путем исследования переходных характеристик на ступенчатое и линейно нарастающее воздействия. Результаты исследований показали, что характер переходных процессов отличается колебательностью с перерегулированием до 65%, но САР остается устойчивой. Максимальная длительность переходного процесса 2,75 с, что не превышает допустимого значения. Система полностью удовлетворяет требованиям к качеству регулирования, что достигается при постоянных параметрах настройки регулятора. 3.8.4. Автоматизация вибрационных катков Контактные давления вибрационного катка ввиду сложности определения часто выражают через эквивалентные им давления от статической нагрузки. При этом используют коэффициент эффективности вибрационного воздействия Кэ, который показывает, во сколько раз давление от силы тяжести вибровальца в может быть меньше давления статического вальца к при условии одинакового эффекта уплотнения. Критерием сопоставления статической и динамической нагрузок принято равенство скоростей деформаций уплотняемого материала. В этом случае можно записать, что опт к Кэв р или, используя формулу Н.Я.Хархута для (3.21) определения максимальных контактных давлений катков, в следующем виде опт Кэ q в E / R , 96 (3.22) где qв - линейное давление вибровальца, Н/м. В результате экспериментальных исследований получено следующее уравнение регрессии: Кэ = А1 K y11,3 (Т/То)0,46(/о)0,31(Р/Q)0,45, (3.23) где А1 – постоянный коэффициент, зависящий от типа смеси; - частота колебаний вибровальца, Гц; Р - вынуждающая сила вибровозбудителя, Н; Q - сила тяжести вибровальца, Н; То = 125оС; о = 25 Гц. Учитывая, осуществлять что путем регулирование изменения вибрационных статического параметров момента М лучше дебалансов вибровозбудителя, на основе зависимостей (3.6), (3.22) и (3.23) получен закон регулирования статического момента для поддержания оптимального уплотняющего воздействия виброкатков при укатке (кгм): Мопт = 0,074QКу40,71,3(Т/То)6,3(qв/R)1,1. (3.24) Это выражение справедливо для слоя мелкозернистой смеси 5 см при 25Гц 75 Гц. Для hсл=10 см постоянный коэффициент в (3.24) равен 0,109. В результате были предложены две схемы САР статического момента вибровозбудителей с жидкостными дебалансами (рис. 3.32). Обе системы отвечают современным требованиям, предъявляемым к вибровозбудителям катков, и позволяют осуществлять в автоматическом режиме оптимальное воздействие виброкатка на уплотняемый материал. В этих системах входными воздействиями являются температура и плотность асфальтобетона. Причем их влияние на величину Мопт примерно одинаково. На основании данных о Т и Ку в блоке управления 7 производится расчет по (3.24) и вырабатывается управляющий сигнал пропорциональный Мопт. В соответствие со знаком этого сигнала плунжер золотника 2 занимает то или иное положение. Согласно схеме на рис. 3.32, а при необходимости воздух подается в одну из полостей бака 3. При этом изменение количества жидкости фиксируется датчиком 4, посредством которого осуществляется обратная связь в системе. 97 Данная САР рекомендуется для использования на средних и тяжелых виброкатках ввиду возможности создания достаточно большой величины вынуждающей силы при наличии вместительного бака с рабочей жидкостью. Расчеты системы применительно к параметрам катка массой 9 тонн показали, что для обеспечения в конце укатки Мопт = 3 кгм при = 30 Гц необходимо закачать в дебаланс 26,5 кг индустриального масла. При этом размеры дебаланса будут вполне приемлемыми: радиус - 0,2 м, центральный угол - 120о, длина - 0,75 м, а вынуждающая сила и КЭ составят соответственно 106 кН и 1,7. Отличительной особенностью вибровозбудителя на рис. 3.32, б является отсутствие специального бака с рабочей жидкостью. Вся жидкость находится в дебалансе, который разделен на две полости пластиной 9, приваренной к валу и торцам корпуса дебаланса. Полости сообщаются через две щели площадью ZS между краями пластины и цилиндрической поверхностью корпуса дебаланса. Каждая из полостей посредством каналов в вале соединена с одним из входов золотника 2. Работа вибровозбудителя осуществляется следующим образом. В дебаланс закачивается определенный объем жидкости, которая при вращении дебаланса и равенстве давлений в полостях примет положение I. Статический момент при этом будет равен нулю. При подаче сжатого воздуха в одну из полостей (на схеме - в верхнюю) жидкость будет перетекать в другую полость, изменяя статический момент (положение II). По давлению защемленного в нижней полости воздуха, которое фиксируется датчиком 8, можно судить о количестве поступившей в полость жидкости, т.е. о величине статического момента. Поскольку давление воздуха можно регулировать бесступенчато, то и Мопт можно изменять в соответствии с (3.24). 98 а) 2 w 1 3 4 7 БУ ДЖ 5 ДТ ДКу 2 б) БУ 8 1 Z 9 I. 6 7 S 5 ДД 12 В ДТ ДКу 12 В 6 II. Рис. 3.32. Схемы САР статическим моментом дебаланса: 1 - жидкостный дебаланс; 2 - электропневматический золотник; 3 - бак с рабочей жидкостью; 4 - поплавок-датчик уровня жидкости; 5 - датчик температуры; 6 - датчик плотности; 7 - блок управления; 8 - датчик давления воздуха; 9 - разделительная пластина. Такой вибровозбудитель целесообразно устанавливать на легких виброкатках. Расчеты показали, что при диаметре дебаланса 180 мм, длине 0,5 м и давлении питания 0,4 МПа в зависимости от частоты колебаний (25-70 Гц) вибровозбудитель способен создавать вынуждающую силу в пределах 5-38 кН. Рациональный размер щели - Z=2-3 мм. Время изменения статического момента от нуля до максимального значения не превышает при этом 0,35 с. Последнее обстоятельство позволяет отключать вибровозбудитель при реверсировании катка во избежание образования на поверхности покрытия "лунок", которые дальнейшей укаткой трудноустранимы. Более того, данная система способна автоматически снизить величину вынуждающей силы при отсутствии управляющего воздействия. 99 Представленные на рис. 3.32 системы отвечают по своим параметрам и возможностям требованиям, предъявляемым к вибровозбудителям современных дорожных катков. Эти системы позволяют реализовать в автоматическом режиме оптимальное воздействие виброкатка на уплотняемый материал и, тем самым, повысить производительность и качество укатки. 3.8.5. Зарубежные системы автоматизации процессов уплотнения Обычные выборочные методы контроля плотности, связанные с высокими затратами времени и средств, являются в ряде случаев просто непригодными. Единственной возможностью выхода из такой ситуации является проведение непрерывного контроля плотности во время движения катка. Для этой цели ряд фирм разработали специальные системы контроля плотности материала, отвечающие данному требованию. Постоянный контроль результатов процесса уплотнения имеет рад важнейших преимуществ перед традиционными способами измерений. Так, например, становится возможным достижение равномерности уплотнения даже при многослойной отсыпке материала. Просадки грунта могут быть устранены непосредственно в процессе уплотнения. Таким образом, исключается необходимость повторных проходов катка и возможность переуплотнения грунта в других местах. В конечном итоге существенно снижаются затраты труда на проведение измерений по оценке степени уплотнения, что способствует экономии времени и средств. При вращении эксцентрика вибрирующий валец передает кинетическую энергию грунту. В зависимости от степени уплотнения грунт поглощает часть этой энергии, а другую часть возвращает конструкции катка обратно. Из возникающего равновесия сил на вальце можно сделать вывод о достигнутой плотности грунта. При этом сила реакции грунта является параметром, по которому можно судить о степени уплотнения: FB = FСТ + FZ - mа, где FB - сила реакции грунта; FСТ - статистическая осевая нагрузка; FZ - центробежная сила; m - масса вальца; a – ускорение. 100 Рис. 3.33. Схема рассположенияя датчиков ускоренияя на бандаж же Уввеличиваю ющиеся силы с реаакции св видетельствуют о растущеей степени уплотн нения гру унта или покрытияя, причем м значени ие ускорен ния отдач чи на вал лец прибли ижается к макси имуму, ссоответсттвующему у наивыссшему уп плотнени ию, которо ое можетт быть достигнуто д о. На вал льце разм мещено н несколько датчик ков ускореения (аксселерометтров), реегистрирую ющих вер ртикальны ые и гори изонтальн ные составвляющие ускорени ия его кконструкц ции (рис. 3.33). П Поступающ щие от них н данныее записы ываются через ч оп пределенн ные инте ервалы в памятьь бортово ого компьютера, например при скоррости катк ка 3 км/ч измеряем мый учассток мож жет быть д длиной 400 0 м. Дру ругими ко омпонентами подообного рода р контрольной й системы ы являюттся датчикк перемещ щений, установлен у нный над д задним ми колесаами и оптимизаттор направвления дви ижения. На Н контррольной паанели в кабине кат атка в расспоряжен нии водитееля наход дятся укаазательны ые прибор ры о разли ичных парраметрах: скорости и и числе проходо ов катка, частоте вибрации и, средни их значен ниях изм мерений по проход дам, теку ущей стеепени уп плотненияя, а такж же макси имальном м значен нии достиггнутой плотности. п На прин нтере в кабине распечаты р ываются протокол лы резулььтатов упл лотненияя непосред дственно во время выполнен ния работт. Дополняяет это оборудовани ие монито ор, распоолагаемый перед ра абочим м местом во одителя. На нем пр редставляяется инф формация об уплоттнении на а десяти п пройденн ных катко ом участкках длино ой по 120 0 м. Вод дитель на экране видит в мессто, где необходим н мо провессти дополн нительноее уплотнен ние грунтта или покрытия. После выполнен в ния 101 всего объема работ в офисе ф фирмы производя п ятся аналлиз и стаатистическ кая обрабо отка резул льтатов иззмерений на контро олируемом м участке. В начал ле 1980-х х гг. ш шведской фирмой й «Finna Geodyn namik» для д вибрац ционного о уплотнеения грун нта и дорожных покрытий й была разработа р ана осцилл ляционнаяя система. С тех пор она использу уется в ввибрацион нных катк ках различ чными производиттелями. С Способы создания я вибраци ии показааны на ри ис. 3.34. Осцилляятор, по о сравнен нию с контурны ым возбуудителем вибрац ции (ненап правленно ого дейсттвия) с оодним вр ращающи имся эксц центриков вым вало ом, имеет три валаа. Посред дством цеентрально ого вала в движен ние прив водятся два д других х, смещенных по п фазе на 180 0о и ле ежащих ддруг про отив дру уга, эксцен нтриковы ых вала. За счетт этого валец ра аскачиваеется с изменяемы и ым относи ительно централ льной ооси мом ментом. Осциллляционнаяя система принад длежит к вибраци ионным си истемам с рассред доточенноой нагруззкой. За сч чет движен ния раск качиванияя валец катка получае ет возмоожность постоян нно контакктироватьь с повер рхностью. Валец совершает с т гармони ичные кол лебания по линии и контактта с гру унтом. Г Горизонтаальная сила с сдввига передается на поверх хность. Этто привод дит к особ бенно хоро ошему пов верхностн ному уплоттнению, в то время как возздействие на глуб бину окаазывается ограничченным. Это Э мож жно компен нсироватть высокой й статичееской нагр рузкой. Рис. 3.334. Способы ы создания вибрации 102 Осцилляционная система обладает следующими положительными свойствами: - хорошее уплотняющее воздействие при тонких слоях и специальных покрытиях; - малые воздействия на окружающую среду от вибрационной нагрузки; - «тренировка» уплотняемого асфальтобетонного слоя на сдвигоустойчивость, что весьма актуально при дальнейшей эксплуатации покрытия. Разработанная фирмой «Bomag» система уплотнения Vario объединяет в себе основные компоненты вибрационной техники, используемой в дорожных катках. При помощи системы Vario каток имеет возможность работать в двух режимах без нарушения структуры уплотняемого материала. 1. Горизонтальное рабочее направление - для тонких слоев и специальных настилов. 2. Вертикальное рабочее направление - для толстых слоев укладываемого материала, таких как несущий или связывающий слой. По сравнению с обычными вибрационными катками Vario имеет два вала для возбуждения вибрации. Принцип действия вибрационной системы Vario представлен на рис. 3.35. Горизонтально расположенные дебалансные массы вращаются в противоположных по отношению друг к другу направлениях и вызывают направленное колебание за счет геометрического суммирования возникающих сил. Особенностью системы является возможность изменения направления колебаний. Перестановка источников возбуждения колебаний осуществляется гидравлически. При этом вал одного возбудителя поворачивается относительно вала другого. Горизонтальное перемещение гидравлического цилиндра преобразуется при помощи спиралеобразной канавки во вращательное движение. Шток гидроцилиндра соединен с валом возбудителя. Привод системы возбуждения осуществляется от гидромотора. Режимы работы обоих валов синхронизируются с помощью пары зубчатых шестерен. 103 Рис. 3.3 35. Принци ип действияя вибрацио онной систеемы Vario Вы ыбор рабо очего нап правленияя (вертик кальное/го оризонталльное) пр роизводиттся водитеелем каттка. Дляя этого ему досстаточно задействвовать лишь л один перекл лючатель на пул льте упр авления. Требуем мый видд колебан ний мож жет устанаавливатьсся без пр рерыванияя процессса уплоттнения. П Причем возможно в и мгновеенное пеереключен ние уже протекаю ющего ре ежима рааботы, наапример, из позици ии «Гори изонтальн но» сразуу же в по озицию «Вертикалльно» или и наоборо от. Систем ма обл ладает очень малой инерци ионностью ю и исключаает неконттролируем мые колеебательны ые движен ния. В дальнейш шем фирм ма «Boma mag» разрааботала автоматич а чески насстраиваему ую систем му Viriom matic, пр редставлен нную наа рис. 3.36. О Она само остоятелььно осущеествляет выбор в меежду двум мя рабочи ими режим мами и оп птимальны ым образо ом настрааивается на подлеежащий уплотнению матер риал. Вм мешательсство в эттот процессс водитееля с обы ычным рручным управлени у ием станоовится неевозможны ым. Автоматическаяя настрой йка исполльзует пр ри этом имеющую ю место взаимосвяязь между у ускорен нием валььца и досстигаемой й степень ью уплоттнения маатериала. С помощ щью датчи иков уско орения оп пределяетсся сила ре еакции наа валец. Полученны П ые сигнал лы подлеж жат обраб ботке и оц ценке в микропроц м цессорном м электрон нном блок ке. При достижен нии их значени ий опред деленного о уровн ня выраабатываеттся управл ляющее воздейств в вие для и исполнитеельного гидроцили г индра, изменяющеего режим м работы ы систем мы путеем перем мещения относи ительно др руга. 104 валов осцилляттора, др руг За счет высо окого бы ыстродейсттвия гидро оцилиндра а исключчается воззникновен ние колебаательного режима в периоод перехо одного пр роцесса. Валец нее соверш шает скачко ообразных х движен ний с болльшой ам мплитудой и тем самым исключает и тся нежелаательное переуплот п тнение маатериала. Автомати А ическая п перестрой йка режима работы ы системы ы уплотн нения поззволяет во одителю дорожногго катка полностьью концен нтрироватться на управлени у ии его дв вижением м в соотвветствии с заданны ым направвлением. Рис. 3.36. Схема С САР процессса уплотне ения Viriom matic Осн нащенный й такой си истемой каток мо ожет рабо отать на крутых склонах, не подвер ргая матер ериал покр рытия сдви игу и не приводя п к образоваанию в нем н трещи ин. Создан ние напраавленной вибрации и при рааботе на склоне пооказано на н рис. 3.3 37. Следу ует подчер ркнуть, чтто систем ма Variom mitic предн назначенаа для автоматическо ого выбор ра режимаа работы вибрациоонного усстройства и не явлляется одн новремен нно измери ительной систем мой для контро оля степ пени упл плотнения дорожн но- строиттельного материал ла. Работы ы в этом направлени н ии ведутсяя, и в скор ром будущ щем следуеет ожидаать появ вления м модификац ции систтемы Vaariomitic, способн ной выполн нять и изм мерительн ные функц ции. Раб бота на катке, к оснащенном м подобн ной автома атикой, чаасто срав вниваетсяя с 105 режим мом автопилота. Некоторрые води ители, находясь помногу у часов в звукои изолирован нной каби ине с коондиционеером и об бщаясь п посредство ом нажаттия клавиш ш лишь с дисплеем, жалую ются на ощ щущение потери сввязи с про оисходящ щим вокругг. Иногдаа они про осто откррывают дверь кабины, чттобы по привычны п ым шумам м и вибраации проверять сооответстви ие кажущи ихся ненаадежными и показан ний прибор ров реально прои исходящи им процессам. Оч чевидно, ччто здесьь требуеттся время для пер реосмыслеения своеей роли и места в происсходящем м, а такж же выполн нение новых функций по упраавлению всем в комп плексом раабот на уч частке. Рис.3.3 37. Схема создания с нааправленно ой вибраци ии при рабооте на склоне 106 4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ДОЗИРОВАНИЯ, ДРОБЛЕНИЯ И СМЕШИВАНИЯ 4.1. Автоматизация процессов дозирования Дозирующие устройства находят применение на различных участках технологических линий предприятий строительной индустрии. Учитывая особенности дозирующих устройств, которые определяют выбор способа автоматизации, их можно классифицировать на циклические и непрерывные. По способу дозирования различают объемный и весовой принцип. Наиболее перспективные дозаторы - весовые непрерывного действия, предназначенные для выдачи постоянного количества материала в единицу времени. Очень важной особенностью непрерывных дозаторов является способ управления, который характеризуется видом информации о текущем значение расхода. При этом существенным является уравнение: Q Shv , (4.1) где Q – расход питателя; - насыпная плотность материала; S и v – ширина и скорость конвейерной ленты; h- высота слоя материала; [ M Sh] - масса материала. Существует большое количество дозаторов, в которых v=const, а измеряемый сигнал от массы материала на ленте пропорционален расходу. На рис. 4.1 показаны бункерный (а), пластинчатый (б), вибрационный (в) и ленточный (г) питатели. Здесь 1- конвейер, 2 - питатель, 3 - датчик масcы, 4 задатчик, 5 - элемент сравнения, 6 - регулятор, 7 - привод конвейера, 8 - привод питателя. 107 Рис. 4.1. Схемы дозаторов с САР по массе с питателями. Для выявления возможных схем автоматизации дозаторов непрерывного действия линеаризуем объект управления – питатель, переходя в (4.1) к отклонениям переменных от их значений в установившемся режиме: Q Q Q S ( )(h h)(v v) Shv Sv h Sh v S h Shv Svh Shv Shv , где Q ; h; v; - значения переменных в установившемся режиме; Q ; h; v ; - их отклонения. Вычитая из обеих частей равенства уравнения установившегося режима Q Shv и пренебрегая малыми нелинейными членами с произведениями отклонений, получим: Q K1h K 2 v K 3 , (4.2) где K 1 S v; K 2 S h ; K 3 Sv . 108 Объект Q1 v Q2 K3 Q K2 h Q3 K1 AP Рис. 4.2. Структурная схема дозатора с управлением по массе (управление по h, т.к. управляем приводом питателя). Соотношение (4.2) показывает, что ОУ представляется тремя параллельно соединёнными звеньями (рис. 4.2). Стабилизация выходной величины - Q возможно по трём параметрам, из которых только V и h реально могут быть использованы для управления. Неуправляемая переменная является возмущением системы и её действие должно компенсироваться регулятором. Структурная схема отражает принцип управления, основанный на поддержании среднего значения массы материала на ленте конвейера. Производительность дозатора остаётся постоянной при неизменной скорости ленты. Поддержание заданного Q ведётся по косвенному параметру. Такое управление эффективно только при условии, что этот параметр полностью характеризует процессы, происходящие в объекте. Однако потребление напряжения и частоты питающей сети, а также нагрузочного момента привода ленты приводит к нестабильности скорости ленты и существенным ошибкам дозирования. Поэтому сейчас создаются системы дозирования, в которых регулирование осуществляется непосредственно по расходу. Принцип действия таких дозаторов основан на компенсации отклонения расхода от заданного. Сведения о величине расхода получаем путём умножения сигналов, пропорциональных массе материала и скорости ленты. Дозатор работает следующим образом (рис. 4.3). При изменении массы материала на ленте изменяется усилие R на динамометрическом кольце и Vв на 109 де датчик ка. Если Vп V3 , тто появл ляется рассогласоввание V V на вхо оде выход регуляятора. Пр ри этом вк ключаетсся исполн нительный й механи изм приво ода ленты ыи изменяяется Vc . Управляю ющее возд действие осуществ вляется и изменениеем скороссти ленты конвейер ра. Движеение систтемы будет происх ходить доо тех пор р, пока Vп не примеет установвленного значенияя. Рис. 4.3 3. Схема доозатора с управлением у м по 1произво одительноссти: конвейеер; 2 - датччик массы; 3 - датч чик скоростти; 4 - элем мент умн ножения; 5 - задаттчик; 6 - эллемент срав внения; 7 регуляттор; 8 - испо олнительны ый механиззм Рис. 4.4.. Дробилкаа как объектт регулиров вания 110 4.2. Автоматизация процессов дробления Процесс дробления при рассмотрении дробилки в качестве объекта управления может быть оценён по ряду её выходных параметров (рис. 4.4): ток I и мощность N двигателя, выходная производительность Qвых , уровень заполнения камеры дробления h. В качестве управляющих переменных выступает производительность питателей Qвх и размер разгрузочной щели lщ . Крупность Д и прочность исходного материала - внешние возмущения, которые носят случайный характер. Главная цель автоматизации процесса дробления - максимальное использование мощности при дополнительных условиях, накладываемых на выходную производительность и гранулометрический состав продукта. Простейшими системами являются схемы стабилизации уровня заполнения камеры дробления: по верхнему уровню (2/3 H камеры ) и по верхнему и нижнему уровням (2 радиоактивных датчика). Управление осуществляется путём регулирования скорости питателя. Аналогично работают системы контроля загрузки по I и N. Однако все эти системы не точны! Задача автоматизации щековых дробилок сводится к поддержанию постоянной производительности в поточно-транспортной системе, где отсутствуют промежуточные накопители, и единственным агрегатом потока, позволяющим регулировать его производительность, является щековая дробилка первичного дробления (рис. 4.5). Измерение производительности Q осуществляется электронным прибором с пробоотборником. Датчик – пьезоэлемент - устанавливаемая под фиксированным углом к потоку пластина из титаната бария. Серия ударов кусков различной массы преобразуется в импульсы напряжения с амплитудами, пропорциональными массам частиц. Полученный суммарный сигнал представляет собой измеренное значение производительности. Отклонение Q от QЗ приводит в действие регулятор скорости питателя и изменяет загрузку камеры дробления. 111 1 1 - питатель; 2 - дробилка; 3 - пробоотборник; 4 - промежуточный бункер; 5 - пьезодатчик; 6 – электронный блок гранулометра; 7 - регулятор скорости питателя. 2 7 3 4 5 Q3 Q Q 6 Рис. 4.5. Схема системы автоматической стабилизации производительности щековой дробилки На конечных стадиях дробления поточно-транспортных систем дробильносортировочных заводов используются конусные дробилки мелкого дробления – КМД, в которых управляющими параметрами могут быть скорость качания конуса и размер выходной щели. С точки зрения повышения выхода различных фракций более эффективно регулировать размер щели, т.к. на конечной стадии приоритетным вопросом становится достижение требуемого гранулометрического состава. 112 Рис. 4.6. 4 Систем ма экстремаального реггулированиия грануллометрического состав ва: 1 – кону усная дроби илка; 2 - эл лектронный й гранулом метр; 3 - блок формиррования кри итерия эфф фективности ти; 4 - блок сстатистичесской обработки; 5 - регул лятор размеера щели; X X(t)- возмущ щение в ви иде измененния и Д исходдного матер риала. В системе, представл п ленной на рис. 4.6, фракцион нный состтав дробл лёного онтролир руется граанулометр ром 2. Зав висимостьь критери ия продуккта Yi ко эффекктивности и Ei K i Ц iYi , ( K i Ц i - коэффициент спр роса и цен на на щеб бень различ чных фрак кций) от ширины щ щели lщ носит н эксттремальны ый характтер. Форми ирование Ei произв водится в блоке 3, куда ввод дятся знаачения K i и Цi . Получ чаемая на выходе случайная с я функцияя Ei посту упает на бблок 4, сл лужащий для ум меньшени ия влияния случайн ных помеех. Регуля ятор 5 изм меняет раззмер выход дной щели и с целью ю достижеения максимума Ei , «lщ - Ei» Р Рис. 4.6. Стаатические ххарактерисстики конусной дро обилки по каналу к «ши ирина разгр рузочной щели щ – критер рий эффекттивности др робления» Сисстема деействует следую ющим об бразом. Из начаального положен ния произвводится шаг на увеличен ние (умен ньшение)) щели. Если пр ри этом Ei 113 увелич чивается, то систеема двигаается в ту у же стор рону, а ессли Ei ум меньшаетсся, происх ходит рееверс сисстемы. В окрестн ности точ чки экстрремума установят у тся колебаания, параметры которых к з ависят отт параметтров объеккта регул лированияя и регуляятора. Повыш шение эфф фективноссти функционировани ия систем м дроблен ния идёт по о пути параметр ров, Рис. 4.7. Системы автоматиче а еской заггрузки щек ковой дробилки по урровню и выходно ой произво одительноссти увеличения чиссла исспользуем мых д для управлен ния и числа контур ров обратной й свяязи, системам м каччественно о придающ п щих новые свойства. В системе загррузки дро обилки (ссм. рис. 4.7) регулирруемые паараметры ы – Q и h контр ролируюттся конвеейерными и весами 1 и даттчиком мощности м и 5 двиггателя дробилки, д выдающ щим инф формацию ю о её загрузке и уроввне запо олнения камеры к др робленияя. Регулятторы уров вня 6 и прроизводиттельности и7 возд действуют на прив вод 4 лен нточного питателя я 3 и на м механизм м изменен ния щел ли 2. Если и Q откло оняется отт Q3 , то на н выходе е блока 7 появляеттся сигнал ли механизм 2 будет б изм менять ши ирину щел ли пока си игнал не и исчезнет.. П При запо олнении дробилкки вышее предел льного ууровня (оцениваю ют датч чиком 5 по п мощно ости) регуулятор 6 останавливает питтатель и управлен ние ведёётся тольько по Q. Q При оп пускании уровня ниже прредельногго значен ния регу улятор 6 включаетт подачу м материал ла, восстанавливаяя требуемый уровеень загр рузки. 114 втоматиззация про оцессов ссмешивания 4.3. Ав В строител льном пр роизводсттве наиб большее распросттранение получи или бетоно операции осмесител ли перио одическогго действ вия, в которых к и загрузк ки, перемеешиванияя и вы ыгрузки производ дятся циклическки. процессы Эти пульта управлени начинааются пр ри поступ плении си игналов либо с местного м у ия, либо из системы упраавления б более вы ысокого уровня. у С Система управлен ния бетоно осмесител лями грав витационн ного дейсствия изоб бражена н на рис. 4.8. Смееситель 1 показан в положеении выгр рузки готовой смесси, а смесситель 2 – в полож жении загрузки и перемеешиванияя компон нентов. Для фор рмирован ния сигнал лов о по оложении и каждогго из см месителей в систееме пред дусмотрен ны конечн ные вык ключатели и 3, сраабатывающие, коггда смесситель нааходится в крайни их полож жениях. Вращени ие смеси ительных барабан нов осущ ществляеттся электр родвигатеелями М1 М и М М5. Опр рокидыван ние и подъем произвводятся при п помощ щи электрродвигатеелей М2 и М4. Рис. 4..8. Систем ма управлен ния бетонос смесителям ми 115 барабан нов Исп полнителььный механизм м М3 изменя яет пооложение шибеера распрееделителььной воро онки 4, п переключ чающего материалльный по оток в дввух возмож жных направлеениях. Управление системой й осущ ществляеттся програаммируем мым логи ическим кконтролл лером, на входы ккоторого поступаю ют управл ляющие сигналы и сигналлы от ко онечных выключаателей, а выходные сигнал лы контро оллера пр роизводятт включен ние и откл лючение ээлектропр риводов. Схеемы алго оритмов функцион нировани ия контро оллера в режимах х загрузк ки, перемеешиванияя и выгру узки изобрражены на н рис. 4.9. При пооступлени ии с пулььта сигнал ла ≪загру узка≫ (см. рис. 4 .9, а) упр равление передаетсся блоку 1, которы ый считыввает сиггналы состояния с я конечн ных вык ключателлей, определяющ щих полож жение бар рабана. Если бараабан не находится н я в полож жении, пр ри которо ом возмож жна загру узка, то уп правлени ие передаеется блока ам 3 и 4, ккоторые формирую ф ют сигнал лы его пер ревода в требуемо т ое положеение. Рис. 4.9. Схема алгоритма а ууправленияя смесителя ями в режииме загрузк ки Загр рузка смесителяя допусккается только т при вкллюченном м приво оде смеситтельного барабанаа. Это уссловие пр роверяетс ся блоком м 5, и в случае его е 116 невып полнения управлеение перредается блокам 6 и 7 для включен ния электр роприводаа. Есл ли смеси итель яв вляется составно ой часть ью САУ У технол логически им процесссом при иготовлен ния бето нной смеси, блоком 8 ф формируеется сигн нал разреш шения заагрузки, который й используется для д упраавления агрегатам ми, осущеествляющ щими загру узку. Упрравление процессом разгруззки бетон носмеситееля осущеествляетсяя аналоги ично (рис.. 4.10, а). Упр равление процессом перем мешивани ия выпол лняется ссогласно алгоритм му, схема которого о изобраажена на рис. 4.1 10, б. Иззвестны н несколько о способ бов опредееления момента времени окончан м ния пере емешиван ния, реал лизуемых с помощ щью бло оков 1 и 2. Нааиболее распросттранено управлен ние, коггда перемеешиваниее произво одится в ттечение установле у енного ин нтервала времени. В этом сслучае бло ок 1 реали изует фун нкцию зад держки на время ττ. Рис. 4.10. Схемы алггоритмов ууправленияя смесителя ями в режим мах разгру узки и перемеши ивания 117 4.4. Математические модели объектов автоматизации Математические модели объектов строятся, исходя из определяющих уравнений физики процессов, и связывают между собой выходные и входные величины. Достоверность полученных таким образом математических описаний зависит от допущений, принятых в исходных уравнениях. Учет включения динамического объекта в систему управления позволяет рассматривать ограниченный диапазон изменения его входов и выходов. Только в этом случае движение системы будет соответствовать цели управления, заключающейся в компенсации отклонений и сведении ошибки системы к нулю. При небольших значениях отклонений больше оснований считать статистическую характеристику объекта линейной в окрестности точки установившегося режима, а сам объект представлять линейной моделью. Линеаризация – один из наиболее эффективных методов упрощения моделей. Дозаторы непрерывного действия представляют собой системы автоматического управления расходом, включающие в себя стандартный для всех систем регулирования набор функциональных элементов в контуре обратной связи. Объектами управления в них служат питатели различных типов. Однако дозаторы непрерывного действия конструируют на основе снабженных системой автоматики устройств измерения массы. Поэтому небольшой интерес при математическом описании дозаторов представляют конвейеры различной подвески. Они являются грузоприемными устройствами и выполняют роль чувствительных элементов САУ, воспринимающих изменения управляемого параметра. Конвейер – это рама с бесконечной лентой, движущейся с заданной скоростью (рис. 4.11). Рама может перемещаться относительно неподвижной опоры в виде рычага первого рода – маятниковый конвейер или второго рода – консольный конвейер; конвейер параллельной подвески – это рама, совершающая плоскопараллельное движение. Исследование различных типов устройств измерения массы как элементарных звеньев, включенных в замкнутую систему регулирования 118 расхода, позволяет выявить степень влияния их динамических характеристик на переходные режимы дозаторов непрерывного действия. Определим динамические характеристики конвейеров, для чего предварительно получим их передаточные функции. Конвейер как часть системы автоматического регулирования расхода может быть представлен в виде двух элементарных звеньев: преобразователя производительности, трансформирующего мгновенный расход питателя в усредненное значение массы на ленте конвейер, и колебательного звена, учитывающего нежесткость рычажной подвески. Предположим, что имеется конвейер параллельной подвески бесконечной длины с лентой, движущейся с заданной скоростью. Тогда при постоянной производительности питания Q(t) на ленте конвейера будет накапливаться материал, масса которого пропорциональна времени работы дозатора G1(t) = Q (t)dt 0 Рис. 4.11. Типы весовых конвейеров: а) паралельный; б) маятниковый; в) консольный. Однако из-за того, что длина конвейера на самом деле конечна, через время начнется ссыпание материала с ленты, т.е. будет происходить интегрирование расхода, но с обратным знаком G2(t) = Q (t - )dt 0 119 Разность сум ммарных значений й массы материала м а, поступ пившего на н конвей йер и ссып павшегосяя с него, определит о т массу материала м а, оставшеегося на конвейере к е G(t) = G1(t) – G2(t)) = Q (t)d dt - Q (t - )dt 0 0 П Применив к равенству преообразован ние Лапл ласа, полу лучим пер редаточну ую функц цию для преобразо п ователя п производи ительностти паралллельного типа (ри ис. 4.11, аа) G (p) =Q((p)/p – (Q Q(p)/p)e-p= Q(p)(1- e-p)/p или Wп(p) = G (p)/ Q(pp) = (1- e-pp)/p (4.3) Рис. 4.12. Перреходные характерист х тики конвеейеров: ного; б) мааятникового; в) консоольного а) параллельн Анаалогично наход дятся п передаточ чные функции ф разовател лей преобр произвводительн ности маяятниковогго Wм (p) и консол льного Wк (p) типов в Wм(p) ( = [1-ee-p(1+p)]/p2, (4.4) Wк(p) ( = (e-p-1+p)/p2, где - скоростьь ленты конвейераа. Пер реходныее характееристики преобраазователей й произвводительн ности (ри ис. 4.12), полученн ные обраттным преообразован нием Лап пласа переедаточны ых функци ий, показы ывают су ущественн ные разлличия в их и динам мических свойстваах. Найдем выраж жения ком мплексны ых коэффи ициентов в усилени ия для поостроенияя частотны ых характтеристик. Дляя преобраазователя производ дительноссти маятн никового типа, зам меняя в (4.4) p на i и отделяяя мниму ую и дейсттвительну ую части, получим м 120 Wм(j) = U()+jV() = /[1-e-j(1+ j)]/( j)2 = = (cos+ sin-1)/ 2 - j( cos - sin)/2. Обозначив =, в окончательном виде Wм() =(2/2) (-sin)2+ (1-cos)2, м() = arctg[( sin - cos )/(1- cos - sin )]. (4.5) (4.6) Так как Wм(j) при =0 превращается в его коэффициент усиления, то lim00Wм(j) = lim U() +j lim U() =2/2, где раскрытие неопределенности вида 0/0 производится по правилу Лапиталя. Такой же результат получается при рассмотрении установившегося режима дозирования (после окончания переходного процесса). В этом случае момент от массы материала G(t) на ленте конвейера длиной L остается неизменным при постоянном значении расхода Q(t) = const и M(t) = LG(t)/2 = (/2)Q(t)dt = = (2/2)Q(t). (4.7) 0 Отношение выходной величины к входной дает коэффициент усиления маятникового преобразователя производительности. M(t)/Q(t) = 2/2. Амплитудно-фазочастотная характеристика, построенная по выражениям (4.6) и (4.7), при =1 приведена на рис. 4.13, а. Выражения для построения частотных характеристик преобразователей производительности параллельного и консольного типов будут иметь вид: Wn () = 2/ sin (/2) (4.8) n() = - arctg[(1- cos)/sin]=arctgtg(/2) (4.9) Wк() = (2/02)(1-cos )2+ (sin-)2 (4.10) к()=arctg( sin-)/(1--cos ) (4.11) 121 делы Wn( ) и Wk(() при 0 равны ы соответсственно и 2/2, то Такк как пред это и будут вы ыраженияя коэффи ициентов усиления я для эти их преобр разовател лей произвводительн ности. По виду ных амплиттудно-фаззочастотн преобр разовател лей производителльности ха арактерисстик можно судить о (р рис. 4.1 13) дин намическ ких свойсттвах кон нвейеров с жестккой подв веской. Так, АФ ФЧХ пар раллельно ого конвей йера пок казывает, что его свойстваа близки и к колеббательном му звену у с коэфф фициентом м демп пфировани ия, мал ло отли ичающим мся от единиц цы. Соотвеетственно о консол льный коонвейер может быть оп писан ин нерционны ым звеном м, а маяятниковый й - послледовател льным со оединениеем инерц ционного и запазд дывающегго звеньев в. А Анализ чаастотных х характееристик показыва ает: прим менение в системе дозиро ования конвейера к а маятниккового типа повл лечет за собой уменьшен у ние критич ческого коэффици к иента усилления раззомкнутой й системы ы и сужен ние облассти возмож жного вы ыбора настроечны ых парам метров. Применеение в системе Рис. 4.13.. Амплитуддно-фазочаастотные ха арактеристи тики (АФЧХ Х) преобразоователей пр роизводител льности а) мая ятниковогоо, б) паралл лельного в)) консольноого дозиро ования конвейера к а консолььного типа расши иряет оббласть усстойчивоссть ние коэф благод даря возм можности увеличен ффициента а усилени ия систем мы. Однаако значен ния крити ического коэффиц иента уси иления и области возможн ного выбо ора и свободду в их вы парамеетров сисстему опр ределяютт только границы г ыборе, а не 122 соотно ошение параметро п ов, дающ щее лучш шее каче ество доззированияя. Поэтом му качесттвенно лу учшая сисстема доззированияя может быть опрределена только при п рассмо отрении одной о и той т же сттруктурн ной схемы ы дозироввания с различным р ми типами и конвейееров. Дро обилки. Дадим аналитиче а еское оп писание процессов п в, происходящих в щеков вой дроби илке, при именив к н ней уравн нение маттериальноого балан нса dM//dT = Qп(tt) - Qд(t) где M – (4.12) за апас дробления; Qn(t) мат атериала и в камеере Qд(t) – плаастинчато ого произв водительн ности питатееля, пода ающего м материал л в камер ры Ри ис. 4.14. Др робилка как к объект регу улирования дробления и дробиллки. матем матическое Стр руктуру оп писание и объек кта опредеелим с уч четом вкл лючения его в сисстему упр равления.. Щековаая дробил лка предсттавляет со обой объеект с вход дом Qп и выходами и Qд, M и уровнем м материаала в камеере дробления h (ри ис. 4.14). Ураавнение для кам меры дрообления при нар рушении равновессия меж жду средни ими значеениями производи п ительностти Qп0 питателя и отводимы ым из зон ны потоко ом матери иала Qд0 аналогичн а но (4.12) d((M0 + ΔM M)dt = (Qп0 + ΔQп) – (Qд0 + ΔQ Δ д), где ΔM M, ΔQп, ΔQ Δ д – откл лонение ссоответсттвующих расходовв и запасаа материаала в камеере дробления. Изм менение расхода р материала м а из камееры дроб бления, вы ызванноее действием возмущ щений в виде отк клонений й от сред дних знач чений ши ирины раазгрузочн ной щели Δb, проч чности Δ и круп пности маатерила Δd, Δ не осстается постоянны ым. Появл ляется эфф фект сам мовыравни ивания, когда, к нап пример, ууменьшен ние расхо ода привод дит к об братному следстви ию - увееличению уровня заполнен ния камер ры дроблеения и соответству ующему ввозрастан нию расхо ода. 123 Откклонение ΔQд поээтому нее остаетсяя постоян нным и меняетсяя от своеего началььного значения Qд0 в зависи имости отт изменения уровняя Δh, то есть е ΔQд = =(Δh). Ву установиввшемся со остоянии Qп0 = Qд0 и ddΔM/dt = ΔQ Δ п - ΔQд. (4.13) ( Рис. 4.15. 4 Структтурная схе ма управлеения щеков вой дробиллкой При и постро оении сттруктурн ной схем мы щеко овой дрообилки (рис. ( 4.1 15) учиты ывалось, что ч применение п преобразо ования Ла апласа к уравнени ию (4.13)) в отклон нениях даает ΔM(p) = [[ΔQп(p) - ΔQд (p)]/p p ъем матер риала в каамере дрообления V связан с массой M соотно ошением M Объ =V и ΔM = ΔV V, где - насыпнаяя плотноссть материала. Учи итывая малость м отклонен ния парам метра h в процеессе упраавления от значен ния в равн новесном м состояни ии, линеааризуем дифферен д нциальноее уравнен ние дробил лки. Изм менение объема ΔV V и массы ы ΔM ма атериала в камерее дроблен ния (см. р рис. 4.16)) при отк клонении и уровня h на ве еличину Δ Δh при постоянн п ной площаади попер речного сеечения дрробилки s определя яется вырражением м ΔV V= sΔh и ΔM = sΔ Δh. Дляя зоны др робления Δh = К1ΔM, где К1=1/s -посстоянный й коэффиц циент. 124 мысл зав висимости и ΔQд = (Δh, Δb, Δ Δd). С Стоящая в скобк ках Расскроем см перемеенная Δh h указываает на нааличие эф ффекта са амовыраввнивания, который й в структтурной сх хеме дроб билки учи итывается коэффи ициентом м К2. Из статическ с кой характтеристики и щеково ой дробиллки (рис. 4.17), оттражающ щей связь Qд =(h)) в устано овившемсся режим ме (предп полагая колебани ия Δh доостаточно о малыми и), очевид дно налич чие линей йной фун нкциональьной связи и между изменени ием расхо ода ΔQд и уровнем материал ла в зоне дроблени ия Δh. Нач чальное ззначение отклонен ния да зоны дробления д я ΔQд оп пределяеттся внешн ними возздействияями Δ, Δb, Δ расход Δd. Рис. 4 4.16. Схемаа камеры др робления щековвой дробил лки Рис. 4.17. Статическая харакктеристикаа ще ековой дрообилки Кол личество материал ла, выпад дающего из и дробил лки за вреемя Tr од дного цик кла перемеещения одной о щек ки, т.е. ее выходнаяя произво одительноость Qд = V = bbLd/Tг, 125 (4.14) ( где V – объем продуктов дробления, выпадающих из дробилки за время Tг; b и L – ширина и длина параллельной зоны разгрузки; d – средний диаметр продуктов дробления. Переходя к отклонениям переменных ΔQд, Δb, Δd от их значений в режиме равновесия Qд0, b0, d0, производя подстановку Qд = Qд0 + ΔQд , b = b0 + Δb, d = d0 + Δd в формулу (4.14) и, пренебрегая ввиду их малости членами с произведениями отклонений, получим уравнение в отклонениях ΔQдL = ((Ld)/Tг) Δb+((bL)/Tг) Δd = К3Δb+ К4Δd, где К3 = Ld/Tг; К4 = bL/Tг – постоянные коэффициенты. Без большей погрешности в ограниченном диапазоне изменения крупности материала можно считать Δd пропорциональным изменением его прочности Δd Δ. Отклонение мощности, потребляемой на дробление ΔN, связано с изменением полного запаса материала в дробилке ΔM (Tэмp + 1) ΔN(p) = КNΔM(p), (4.15) где Tэм – электромеханическая постоянная времени электропривода дробилки; КN – коэффициент усиления по мощности. Передаточную функцию дробилки Wд(p) по каналу ΔQд - ΔQп определим из соотношения ΔQд(p) = [1/ (Tдp+1)]ΔQп(p), где Tд = 1/К1К2 – постоянная, численно равная времени, необходимому для переработки материала в зоне дробления при Qn(t) =0 и Qд(t) = const. Отсюда WQ(p) = ΔQд(p)/ ΔQп(p) = 1/(Tдp +1). (4.16) Определим аналитическими методами передаточную функцию конусной дробилки по каналу входная производительность – средняя крупность продуктов дробления. Уравнение материального баланса конусной дробилки 126 dM/dt = Q1 – Q2. (4.17) Выразим M и Q через средний диаметр продуктов дробления. Количество материала, выпадающего из дробилки за время одного периода качание конуса M1 = V = DdcL, где - насыпная плотность материала; V – объем продуктов дробления, выпадающих из дробилки за время Tг; D – диаметр нижнего основания дробящего конуса; dс – средний диаметр продуктов дробления; L – длина параллельной зоны разгрузки. Тогда запас материала в дробилке можно выразить через число качания конуса m, необходимых для разгрузки дробилки при средней прочности дробимого материала M = DmdcL. Длину параллельной зоны обычно принимают L = 0,08D. При этом запас материала в дробилки M = 0,25D2dcm. В области небольших изменений прочности и средней крупности продуктов дробления возможна линеаризация нелинейного дифференциального уравнения, которым описывается процесс дробления. Тогда изменение запаса материала в дробилке dM/dt = 0,25D2m(dΔdс/dt). (4.18) При этом зависимость изменения отводимого потока ΔQ2 от изменения средней крупности ΔDс можно выразить линейной зависимостью Q2 = К2ΔDс (4.19) где коэффициент К2 = ΔQ2/ΔDс может быть найден из экспериментальных данных, например, делением производных по времени: К2 = (ΔQ2/dt)/dDc/dt). Коэффициент К2 характеризует чувствительность изменения производительности на выходе дробилки к изменению средней крупности продуктов дробления. Произведя соответствующие подстановки (4.18), (4.19) в (4.17), получим 127 0,25D2m(dΔDс /dt) + К2ΔDс = Q1. (4.20) Разделим члены уравнения (4.20) на К2 0,25(D2m/ К2) * (dΔDс /dt) + ΔDс = Q1/К2 или Здесь T(dΔDс/dt) + ΔDс= КQ1. T = 0,25D2m/ К2, К = 1/К2. Выясним физический смысл постоянной времени, для чего числитель и знаменатель T умножим на Dc: T = 0,25D2mDc/ К2Dc = M/Q2. Постоянная времени T является отношением запаса материала в дробилке к его номинальному расходу, т.е. показывает способность агрегата накапливать и расходовать материал в процессе дробления. Так как m = nt (n – число качаний конуса в минуту; t – время разгрузки), то T = 0,25D2nt/К2, а передаточная функция будет иметь вид: W(p) = ΔDс(p)/Q1(p) = К/(Tp +1). 128 (4.21) БОТИЗА АЦИЯ СТ ТРОИТЕЛ ЛЬНЫХ ОПЕРАЦ ЦИЙ 5. РОБ 5.1. Кл лассифик кация стр роительн ных робо отов и манипулятторов Фун нкционал льные воззможностти робото ов и ман нипуляторров в зн начительн ной степен ни опредееляются его е кинем матически ими и гео ометричесскими паараметрам ми. По чи ислу степ пеней под движностти промы ышленные е и строи ительныее роботы и манип пуляторы разделяю ются на группы с двумя я, тремя, четырьм мя и бол лее степен нями подввижности и. По виду си истемы ко оординат роботы и манип пуляторы подразделяются на группы ы устро ойств, сферич ческой, угловой работающ щих и друугих в прямоу угольной,, сисстемах (рис. 5.11). цилин ндрическо ой, Разно овидностьью сферич ческой си истемы ко оординат следует рассматри р ивать ангу гулярную систему. Р Рис. 5.1. Пр римеры стр руктурных кинематич ческих схем м роботов и их рабочи их зон: а – пря ямоугольнаая декартов вая система координаат; б – то о же, цилин ндрическаяя; в – то же,, сферическ кая: г – то ж же, угловая я. Важ жным классификаационным м признак ком пром мышленны ых и стр роительны ых робото ов является вид уп правленияя, который занимае ет особоее место ср реди друггих признааков. Есл ли такие признаки и, как гр рузоподъе емность, тип привода и ряд р других х, конкр ретизирую ют консттрукцию роботов в, то ур уровень управлен ния опредеелил робо оты как оттдельный й класс маашин. 129 В зависимости от способа управления средства роботизации технологических процессов в строительстве разделяются на манипуляторы с ручным и автоматизированным управлением и роботы с автоматическим управлением (рис. 5.2). Манипуляторы с ручным управлением представляют собой простейшую группу средств роботизации, управление перемещением рабочего органа которого выполняет оператор. Разновидностью этой группы манипуляторов являются сбалансированные манипуляторы с ручным управлением, в состав которых входит система уравновешивания рабочего органа. Большую группу средств роботизации, представляющих интерес для строительных организаций и предприятий, составляют манипуляторы с дистанционным управлением, которые, в свою очередь, разделяются на три подгруппы: манипуляторы с командным управлением, копирующие манипуляторы и манипуляторы с полуавтоматическим управлением. К манипуляторам с командным управлением относятся средства робототехники, у которых управление приводами звеньев осуществляется оператором дистанционно с пульта путем поочередного нажатия соответствующих органов управления (кнопок, тумблеров и т. д.). Командное управление также применяется в роботах при его работе и режиме обучения. Копирующие манипуляторы составляют группу средств робототехники, управление которыми выполняется оператором дистанционно с помощью специального задающего устройства, кинематически подобного исполнительному устройству манипулятора. Управление каждым звеном такого манипулятора осуществляется с помощью локальных следящих систем, управляющими воздействиями для которых служат перемещения соответствующих звеньев задающего устройства. 130 Ма анипулят торы с полуавтооматичесским уп правлени ием отли ичаются от копиру ующих теем, что в качестве задающеего устрой йства в ни их исполььзуется сп пециальн ная многгостепенн ная рукооятка, с помощью ю котороой операатор задаает необхо одимые перемеще п ения рабоочему орггану. Характерной й особенн ностью эттих манип пуляторовв являетсяя наличиее вычисли ительного о устройсства, форм мирующеего сигнал лы управл ления дляя приводоов всех степеней по одвижноссти. Рис. 5.2. Клаассификаци ия роботов в по систем ме управленния (Ц - цикловое; П - позицион нное; К- кон нтурное) Ма анипулят торы с ав втоматизи ированны ым управ влением представ вляют соб бой человееко-маши инную сисстему, в ккоторой часть ч опер раций вып полняетсяя автоматтически, а остальн ные по ук казанию ооператораа. Ма анипулят торы наличи ием ср редств с суперв визорным м программ п мированияя упра авлением м осущ ществляем мых обеспеечивают автоматич а ческое вы ыполнение програм мм. 131 харак ктеризуюттся операций и Для автоматизации производственных процессов наибольший интерес представляют роботы с автоматическим управлением. Роботы этого вида разделяются на три группы: программные, адаптивные и интеллектные. Роботы с программным управлением работают в автоматическом режиме и выполняют свои действия в соответствии с заранее введенной управляющей программой, которая хранится в памяти устройства управления и может быть изменена путем перепрограммирования. Программные роботы, в свою очередь, разделяются на роботы с цикловым, позиционным и контурным управлением. Роботы с цикловым управлением предназначены для выполнения заданной конечной последовательности операций, называемых циклом, и их многократного повторения. При таком способе управление, как правило, программируется одно конечное положение по каждой степени подвижности, а позиционирование осуществляется с помощью механических упоров. Роботы с позиционным управлением обеспечивают движение рабочего органа по заданным точкам позиционирования без контроля траектории движения между ними и отличаются от предыдущих большим числом точек позиционирования рабочего органа в рабочей зоне. Роботы этого вида позволяют выполнять более сложные манипуляционные операции. Роботы с контурным управлением перемещают рабочий орган по заданной траектории с установленным распределением во времени значений скорости. Роботы этого вида обеспечивают движение рабочего органа по непрерывным контролируемым траекториям информационно-вычислительными автоматизировать и отличаются возможностями. технологические операции, Они большими позволяют требующие сложного непрерывного перемещения рабочего органа. Программные роботы - роботы первого поколения, рассчитанные на эксплуатацию в определенных неизменных условиях функционирования. В отличие от них роботы второго поколения - адаптивные роботы -перемещают рабочий орган в соответствии с управляющей программой, которая автоматически изменяется и корректируется в зависимости от контролируемых 132 параметров внешней среды. Адаптивные роботы снабжаются средствами очувствления, которые позволяют получать информацию о состоянии внешней среды. Эти роботы предназначены для работы в неполностью определенной обстановке с заранее неизвестными изменениями окружающей среды. Интеллектные роботы относятся к роботам третьего поколения. Их особенностью является возможность синтеза программы управления исполнительным устройством на основе описания внешней среды, совокупности правил возможного поведения в среде и целевой постановки выполняемой задачи. Отличительная особенность этой группы роботов развитая система средств очувствления и наличие элементов искусственного интеллекта. 5.2. Структурная организация промышленных и строительных роботов Исполнительное устройство (рис. 5.3) - основа любого робота, которая обеспечивает выполнение всех его двигательных функций и взаимодействие с объектами роботизации на базе управляющих воздействий, формируемых устройством управления. Манипуляторы перемещают рабочие органы в соответствии с заданными законами движения, определяемыми технологическими требованиями. В общем случае они представляют собой многозвенные механизмы, которые могут состоять из ряда кинематических пар с поступательным или угловым перемещением. Конструктивно манипуляторы включают несущие конструкции, подвижные звенья, приводы и рабочие органы. Для приведения в действия звеньев манипулятора используют гидравлические, электромеханические или пневматические приводы. Основными характеристиками манипуляторов являются число степеней подвижности, маневренность, грузоподъемность, динамические возможности и др. 133 Рис. 5. 3. Структу урная схема а робота Ман нипулято оры снаб бжаются рабочим м орган ном, котторый сл лужит для д непоср редственн ного взаи имодействвия с объ ъектом роботизац ции или выполнен в ния различ чных технологич ческих оопераций.. В кач честве ррабочего органа в промы ышленных х и строиттельных рроботах могут м бытть захватн ные устро ойства ли ибо специаальный раабочий ин нструмен нт. Важ жной составной частью мобильн ных роб ботов яввляется устройст у тво передв вижения я. В общеем случаее мобилььные промышленн ные и стр роительны ые роботы ы могут иметь и кол лесные, гуусеничны ые, монорельсовыее, роторно о-винтовы ые, на электромагн нитной по одвеске и другие усстройства а передви ижения. Уст тройство о управ вления промышл ленных и строоительных х роботтов ий преднаазначено для фо ормироваания и выдачи управляяющих воздейств в исполн нительному устрой йству в сооответств вии с упра авляющей й програм ммой. Раб бочее про остранство манип пулятора или робо ота - просстранство, в которо ом можетт находитться исполнителььное устр ройство при п его функцио онировани ии. Этот показател ль устан навливает тот объ ъем прос странстваа, в кото ором моггут перемеещаться составны ые части манипул лятора и устройсттва перед движенияя в процесссе выпол лнения пр роизводсттвенных операций о . Раб бочая зо она мани ипуляторра (роботта) опре еделяется простраанством, в которо ом мож жет нахо одиться рабочий й орган манип пулятора при е его функц ционироваании. В общем о слуучае рабо очая зона а представвляет соб бой фигур ру, 134 описываемую рабочим органом при прохождении им предельно достижимых положений. 3она обслуживания манипулятора (робота) характеризуется областью пространства, в котором рабочий орган выполняет свои функции в соответствии с назначением робота и установленными значениями его характеристик. В общем случае зона обслуживания составляет часть рабочей зоны, в которой рабочий орган способен осуществлять стоящие перед ним задачи, например, может захватить предмет производства или технологическую оснастку. 5.3. Строительно-монтажные роботы и манипуляторы Индустриализация промышленного, гражданского и жилищного строительства привела к резкому увеличению объема монтажных работ, который продолжает расти из года в год. Монтаж современных зданий и сооружений представляет собой сложный комплексный процесс, включающий целый ряд операций: строповку, транспортировку, прием монтируемых элементов и конструкций на рабочем месте, их наведение на принятые ориентиры, установку, временное закрепление, приведение в проектное положение, расстроповку и постоянное их закрепление. Особое внимание при монтажных работах уделяется точности установки конструкции и элементов в проектное положение. В настоящее время при монтажных работах используются различного рода механизмы, краны и эффективная технологическая оснастка, внедряются новые методы и формы технологии и организации. Все шире начинают применяться средства автоматизации основных и вспомогательных операций. Однако, несмотря на это, пятая часть рабочих при монтаже зданий и сооружений выполняет трудоемкую ручную работу и около 40% - используют средства малой механизаций. Важнейшей задачей сегодняшнего дня становится повышение эффективности монтажа зданий и сооружений. В этом направлении ведутся 135 большие работы и получены определенные результаты. Разработаны и внедрены в строительных организациях новые методы монтажа, проведены значительные работы по повышению монтажной технологичности сборных конструкций. На строительных площадках все шире начинают использоваться строительные краны с дистанционным управлением и повышенным уровнем автоматизации. Ведутся работы по созданию систем программного управления башенными кранами. Разработаны краны с телескопическими стрелами, выносными гидравлическими опорами и перемещающейся вдоль башни стрелой. Оригинальное техническое решение имеет башенный кран, представленный на рис. 5.4, который позволяет сократить в 1,5 раза продолжительность монтажа крупнопанельных зданий и повысить качество работ. Этот кран имеет две стрелы: основную с грузовой тележкой и установленным на ней манипулятором и вспомогательную неподвижную (подстрелку) с перемещающейся на ней кареткой. Кроме того, кран оборудован поворотнопередаточным устройством, выполненным в виде кольцевой рамы с шестью парами кронштейнов для подвешивания к ним специальных траверс с элементами, которое выполняет функции магазинного устройства. Конструкции по подъему одних элементов и установке в проектное положение других. При такой конструкции крана элементы, поступившие на строительную площадку, разгружают с помощью вспомогательной стрелы и подают ею в магазинное устройство, где их навешивают на кронштейны. 136 Рис.. 5.4. Монттажный краан с манипулятором: 1 - основная стрела; с 2-м манипулято ор; 3 - вспо омогательнная стрела; 4 - поворотн но-передатточное устр ройство Нео обходимы ый для монтажа м ээлемент манипуля ятор сни имает с кронштей к йна магази инного усстройстваа, транспоортирует его вдол ль основн ной стрел лы к мессту устано овки и ориентиру о ует там в заданн ное поло ожение. М Монтажн ный кран с манип пулятором м управляяется с вы ыносных пультов управлени у ия, один из которы ых находи ится у монтажни м ков (ПУМ М), а др ругой – у такелаж жников (ПУТ). ( Д Для обеспеечения автоматич ческого и или полу уавтомати ического режима работы на кране устанавл ливается группа д датчиков положен ния, изм меряющих х линейные перемеещения монтажно м го манип пулятора iM, hM, угл ловые перремещени ия основн ной и вспо омогателььной стреелы С, В, магаззинного устройствва M и положен ние груза по высотте на кр рюке вспоомогателььной стрелы HГ. Выходны ые сигнал лы датчикков подаю ются в си истему уп правленияя краном м, котораяя управляяет работтой механи измов в соответтствии с заложен нной про ограммой й и посттупающим ми команд дами с пультов ПУМ и ПУТ. Громоздк Г кость кон нструкции, высок кая подвиж жность крана, к неевысокая точностьь монтаж жа ограни ичили пр рактическ кое исполььзование таких краанов. Пер рспективн ным напр равлением м автоматтизации монтажны м ых операц ций следу ует считатть создание автоматически их монтаж жных мех ханизмов с очувсттвлением. В этом направлеении нако оплен оп пределенн ный опыт. При м монтажны ых работтах 137 находяят при именение телесккопически ими оборуд дование краны ы-манипул ляторы стр релами с ((рис. 5.5 5). вращатель в ьными с шаарнирно-р рычажным ми Мно огозвенноое парами и телесскопическ кое н набором рабоч чих самозаахватываю ющих ор рганов даает возмо ожность выполнятть целый й комплеекс монтаж жных предсттавляет операций. Для интерес рроботизац ции предлооженный строительноо-монтажн ных метод двухстаадийного о раб бот монтаж жа элемен нтов. На первой стадии с сттроительн ные конструкции подаютсяя краном м в расши иренную зону з допу усков, а н на второй й их выверяют путтем самоу установки ии самоф фиксации. При этом требуем мая точн ность пода ачи элемеентов не превышаает 30 м. мм Однаако такаая схемаа монтаж жа требу ует повы ышенной й точноссти изгото овления монтируем м мых консттрукций. Р Рис. 5.5. Кран-манип К пулятор с шарнирно-т ш телескопичческой стрелой Дляя механ низации процессаа возвед дения стен с из асбесто оцементны ых экстру узионных х панелей й инститтутом ЦНИИОМ Ц МТП преддложен мобильны ый манип пулятор, установле у енный на самоходн ном шасси (рис. 5..6). Для обеспечен о ния необхо одимой устойчиво у ости ман нипулятор ра в про оцессе моонтажа его е ходоввая часть снабжен на выносн ными ги идроопораами с ди истанцион нным уп правлениеем. Манип и пулятор снабжен с сменным ми захваттами в виде в вакууумных присосок п механи ических зажимов. з Про оцесс усстановки панели включаетт нескол лько оперраций: ориентаци о ию захваттного усттройства относитеельно пан нели, фик ксацию п панели в захватно ом устрой йстве, пееремещен ние ее к месту установ вки, закррепление панели в проекттном пол ложении. Применеение мани ипулятора а для мон нтажа панелей ПА АЭ 138 позвол ляет повы ысить про оизводитеельность труда в 1,5 раза, исключить тяжелые ручны ые операци ии. Рис. Р 5.6. Сххема монтаажа стен из панелей П ПАЭ с использзованием м манипулятора: 1 - трех хзвенный м манипулято ор; 2 - самоходн ное шасси; 3 - гидроо опоры; 4 - рабочий р оргган; 5 – пан нель. Опр ределенны ый опы ыт исполльзованияя манип пуляторовв и ро оботов на строиттельно-мо онтажных х работахх накоплеен в зару убежных странах. В Япони ии, Герман нии, СШ ША и дру угих стран нах создааны мани ипуляторы ы, предназначенные для м монтажа навесных х элемен нтов, колонн, инж женерныхх коммун никаций. В Япони ии разрааботана роботизи р ированнаяя систем ма для п подъема и спусска элемен нтов при и монтааже высоотных строитель с ьных ые объъектов Подъемн П устрой йства осн нащены гидроприв г водами, а управле ение ими и осущесттвляется от микро о-ЭВМ. Использо И ование рроботов на монттажных работах позволяяет значиттельно сократить с ь трудозаатраты и время выполн нения оп пераций. В Герман нии дляя трансп портировкки и монтажа ограждаю ющих ко онструкц ций разраб ботан гру узоподъем мный ман нипулято ор на баззе мостоввого кран на с двумя грузоввыми телеежками. На Н тросоввой подвееске тележ жек закрееплена бал лка с двумя управл ляемыми констр рукции захваттами. за мон нтажные Манипул лятор петли. Все захватыва з ает операции о и огр раждающ щие выпол лняются в полуаввтоматическом реж жиме. Пер рспективн ным нап правлениеем являеется реш шение заадач авто оматизации монтаж жа крупнопанелььных здааний на основе создания роботиззированны ых 139 монтаж жных ком мплексов с програм ммным и адаптивн ным упраавлением. На рис. 5.7 5 привед дена схем ма роботи изированн ного комп плекса для я монтаж жа панелей й наружны ых и внуттренних стен и пеерекрыти ий жилых х зданий. В составв комплеекса вход дит башен нный кран н, специал лизироваанный мон нтажный робот и растворн ная станци ия. Такой комплек кс обеспеч чит автом матизацию ю всех ос сновных операций й: подъем ми подачу у панелей й к месту у монтаж жа, устрой йство рас створной постели, выверку у и устано овку панеелей, гер рметизаци ию швов в. При ра азработкее таких комплекс к сов одновр ременно должны д совершен с нствоватьсся способ бы фиксац ции панел лей, а такж же констр рукция и технология герметтизации швов. ш Рис. 5.7. Роботизи ированный комплекс для монтаж жа зданий: 1 - стрела баш шенного кр рана; 2 - монтажный рробот; 3 - стеноовая панельь; 4 – растворопроводд. М Монтажн ный роботт размещаается на подвижно п ой платфоорме с вы ыдвижным ми опорны ыми кон нсолями. Один из мани ипуляторо ов комп плекса сл лужит для д ориенттации и установки монти ируемых констру укций, втторой об беспечиваает подготтовку по оверхностти и геррметизаци ию швов. Управлление раб ботой вссех механи измов ко омплекса,, в том ччисле и башенно ого кранаа, осущесствляетсяя с пультаа дистанц ционного о управлеения и от о микро о-ЭВМ ссистемы управлен ния роботаа. 140 5.4. Роботизация производства бетонных работ Несмотря на широкое применение в строительстве сборного железобетона, повышение степени индустриализации, объемы применения монолитного бетона и железобетона остаются очень высокими и составляют свыше 130 млн. м3, продолжая увеличиваться. Около 80% объема монолитного бетона используются возведения в промышленном конструкций строительстве подземных частей в первую зданий и очередь сооружений для и фундаментов под технологическое оборудование. Возрос интерес к монолитным бетонным и железобетонным конструкциям в гражданском строительстве. строительства высотных многоэтажных домов. Из Монолитные зданий конструкции общественного монолитного применяют назначения железобетона для и жилых возводят здания повышенной этажности, характеризующиеся сложными, выразительными по форме планами и сочетаниями объемов. Эффективен монолитный бетон при строительстве в районах с повышенной сейсмичностью. Направления первоочередное развития решение технологии задач бетонных комплексной работ предусматривают механизации подачи, распределения и укладки бетонной смеси. На строительных площадках требуются машины и механизмы, которые обеспечивали бы непрерывную подачу и укладку бетонной смеси в конструкции, расположенные как ниже нулевой отметки, так и на значительной высоте от нее, имеющие значительные габарит и объемы, осуществляющие заданный темп бетонирования. Сократить трудоемкость подачи и укладки бетонной смеси, устранить тяжелый ручной труд и повысить производительность труда позволяет применение манипуляторов. Особенно они эффективны при бетонировании больших площадей и возведении монолитных железобетонных зданий. В нашей стране для распределения и укладки бетонной смеси разработаны и используются на объектах различного вида шарнирно распределительные стрелы, которые монтируются на автобетононасосах, поворотных платформах, временных и стационарных опорах, башенных кранах. В общем случае они представляют 141 собой манипу уляторы с бетон нопроводами, руч чным илли дисттанционны ым управл лением. Наи ибольшеее применение на сттроительн ных пллощадках наход дит На рис. 5.8 показзан автобеетононасо ос с шарн нирно-расспределиттельной стрелой. с автобеетононасо ос, обору удованны ый стрело ой-манипу улятором м с гидраавлически им управл лением. Стрела автобетон а нонасоса состоит из шаррнирно-со очленяемы ых секций й, по кото орым про оходит беттонопров вод, оканч чивающий йся гибки им рукаво ом. Стрелаа-манипу улятор им меет от 3 до 5 сек кций. Так кой манип пулятор позволяет п т с одной стоянки машины подаватьь бетонну ую смесь на высотту до 22 м в любу ую точку бетониру уемой кон нструкции и в радиусе до 20 м. м Рис. 5.8. Автобетоно А онасос с шарнирно-ра аспределеннной стрело ой равление Упр полож жением стрелы ведется машин нистом с пультта, Некоторы распол ложенногго на машине. м ые автоб бетононассосы с шарнирн нораспрееделенной й стрелой й оснащеены систеемой рад диоуправлления, по озволяющ щее операттору упраавлять пееремещен нием стреелы с мес ста укладдки бетон на. Переввод манип пулятора из и рабочеего в тран нспортноее положение заним мает 20-3 30 мин. Это Э дает ввозможно ость раци ионально использо овать усттановку н на многих х объектаах. Практи ика при имененияя автобеетононасо осов со стрелаами-манип пуляторам ми показаала их высокую в эффекти ивность. Внедрен ние этогоо оборуд дования на объекттах с расссредоточеенными ообъемами и бетонны ых работ п позволяетт устрани ить 142 трудоемкие операции по укладке бетонной смеси, избавить рабочих от больших затрат физического труда, грязной и вредной работы. Шарнирно распределительные стрелы нашли широкое распространение за рубежом. Они имеют до пяти секций общей длиной до 32 м и выпускаются в комплекте с бетононасосами в стационарном или в съемном вариантах. Ведущими производителями такого оборудования являются Германия и Япония. В Японии разработан робот для горизонтального распределения бетонной смеси в опалубки. Он укрепляется с помощью держателей на временной или постоянной опоре (рис. 5.9). Манипулятор робота состоит из четырех звеньев коробчатой формы. В местах сочленений звеньев установлены пластмассовые подшипники. Каждое звено поворачивается с помощью гидравлических двигателей. Для улучшения операций укладки бетонной смеси центры вращения звеньев расположены немного эксцентрично по отношению к осям. На переднем звене манипулятора установлен привод для перемещения гибкого рукава в вертикальной плоскости (вверх-вниз), что позволяет легко избегать в процессе бетонирования торчащей арматуры и других препятствий. Для транспортировки бетонной смеси на звеньях манипулятора укреплены трубы диаметром 125 мм, имеющие разъемные соединения. На последнем звене установлен гибкий рукав, соединенный с бетонопроводом. Пульт управления выполнен подвижным и установлен на четвертом звене. Предусмотрено также дистанционное управление роботом. Гидравлический привод обычно размещается на первом звене и обеспечивает плавное перемещение звеньев. Манипулятор снабжается вибраторами для уплотнения бетонной смеси или инструментом для отделочных работ. Масса дополнительной оснастки может достигать 100 кг. В целях безопасности работ на каждом звене манипулятора установлены мигающие сигнальные лампы и звуковые зуммеры, которые начинают работать при включении робота. Четырехсекционная распределительная стрела манипулятора обеспечивает охват рабочей площади до 990 м2. Максимальная скорость движения рабочего 143 органаа при вращ щении лю юбого звеена не преевышает 1 м/с. Врремя монттажа робо ота на объ ъекте состтавляет около 1 ч. Робот мо ожет рабо отать с прроизводительностьью подачи и бетонн ной смесси до 1770 м3/ч. Примене ение опи исанного робота на строиттельстве ряда адм министраттивных зданий з и промыш шленных объектовв с больш шим объем мом бето онных раб бот позво олило иск ключить тяжелую ю работу по укладкке и упло отнению бетонной б й смеси, уменьшит у ть число ррабочих, занятых на этих операци иях, и повыситть качесство по олучаемыхх железзобетонны ых констр рукций. Р Рис. 5.9. Манипулято М ор для гори изонтальной укладки бетона 1 - звенья манипулято м ора; 2 - бето онопровод;; 3 - гибкийй рукав. Преедставляеет интер рес пред дложеннаая в Яп понии ссистема подачи и распрееделения бетона, состоящ щая из башенного кранаа и ман нипулятор ра, управл ляемого одним о оп ператором м. Схемаа исполни ительногоо устройсства кран наманип пулятора обеспечи ивает упраавляемоее простран нственноое ориенттированиее и позици ионироваание с заданной й точно остью. Для Д этогго испо олнительн ное устрой йство в отличие о от тради иционных х строительных крранов построено по жестко ой кинематической й схеме. 144 5.5. Роботизированные комплексы для штукатурных работ Штукатурные работы относятся к числу наиболее трудоемких строительных процессов. Несмотря на развитие средств механизации, объем ручных операций на штукатурных работах остается значительным и превышает 60%. Кроме того, эти работы связаны с повышенной влажностью, распылением раствора, вибрацией, что делает их малопривлекательным и вредным для здоровья. В связи с этим во многих странах проводятся работы по механизации и автоматизации операций, связанных с нанесением штукатурных растворов на поверхность, их разравниванием и затиркой. Перспективным направлением решения этих задач является использования средств робототехники. Одно из первых применений манипулятора для штукатурных работ создание в Белоруссии специального многофункционального манипулятора для штукатурных работ (рис. 5.10). Манипулятор выполнен на трехколесном шасси, на котором смонтированы несущая стойка, привод и блок управления. Вдоль стойки перемещается щит, закрепленный на ползуне, передвигаемом электроприводом. В рабочем положении манипулятор раскрепляется в распор между полом и потолком. При выполнении штукатурных работ у стены монтируют инвентарные маяки, по которым устанавливают плоскость щита манипулятора. Между щитом и стеной образуется полость, куда закачивается раствор. После его схватывания щит отводится от стены и электроприводом поднимается вдоль вертикальной стойки на шаг, равный высоте щита, и вновь прижимается к маякам. После оштукатуривания первой захватки устройство передвигают вдоль стены на ширину щита и процесс повторяется. Манипулятор снабжен цикловой системой управления, которая обеспечивает дистанционное и автоматическое управление в зоне рабочей захватки. Система управления позволяет обеспечить автоматический скользящий режим работы, при котором щит непрерывно перемещается по маякам и непрерывно подается раствор. Производительность манипулятора на штукатурных работах 50 м2 в смену. 145 Ри ис. 5.10. Маанипуляторр для штукатурных ра абот на поддвижной платформе: 1 - шасси; 2 - стойка телескопиче т еская; 3 - привод; 4 - пульт уп правления; 5 - щит. Нессмотря наа невысок кое качесттво ошту укатуренн ных поверрхностей, испытан ния показаали принц ципиальную возмоожность автоматиз а зации штуукатурны ых операций на осн нове испо ользовани ия достиж жений робототехники. Они и позволи или опред делить о основные направлеения робоотизации штукатур ш рных рабоот. Расссмотренн ный мани ипулятор может быть исп пользован н для иззготовлен ния монол литных ги ипсоцемен нтно-перллитовых перегоро одок толщ щиной 80 0-160 мм. В этом сслучае исп пользуютт два мани ипулятор ра. Щиты манипуля ляторов, обращенны о ые рабочи ими повеерхностям ми друг к другу, прижим маются пн невмоцил линдрами и к маякам м. Между у щитами и закачиваают раств ворную смесь с ип после выд держки 8--12 мин, необходи имой дляя схваты ывания до д распал лубочной й прочно ости, щитты развод дят и поднимают на высооту, равн ную их высоте. в П Перегородки мож жно возвод дить в скользящ щем реж жиме. Пр ри нали ичии одн ного манипулято ора перего ородки со ооружаютт с помощ щью щитовой оснас стки, котоорая закрепляется на месте щита второго о манип пулятора.. Произзводителььность возведен ния 2 перего ородок дввумя мани ипулятораами состаавила 60 м в сменуу. Анаализ техн нологии штукатур ш рных рабо от, средс ств их мееханизаци ии, а такж же выпол лненные экспериме э ентальны ые работы ы по роботтизации п процессов в нанесен ния раство оров и заттирки пов верхности и позволяяет сделатть вывод о целесо ообразноссти создан ния для штукатурн ш ных работт передвиж жных РТК К. 146 В состав такого комплекса должны входить: установка для приема, перемешивания и транспортировки раствора и известкового молока, установки для подачи материала к рабочему инструменту, автоматические манипуляторы, снабженные рабочими органами для нанесения и разравнивания слоев раствора и затирки поверхности. Такие комплексы позволят выполнять набрызг, уплотнение и разравнивание обрызга, грунтовки и накрывки поверхности. В них должны быть предусмотрены регулировка усилия прижатия уплотняющих и затирочных механизмов, контроль качества поверхности и выверка ее горизонтальности и вертикальности. Комплексы должны иметь дистанционное и программное управление, обеспечивающее выполнение заданной схемы оштукатуривания. Компоновочная схема автоматического манипулятора для штукатурных работ, входящего в состав РТК, приведена на рис. 5.11. Такой робот может использоваться при отделочных работах в жилых и общественных зданиях. Он представляет собой мобильную конструкцию на мини - шасси. Основой манипулятора является телескопическая штанга, которая в процессе работы распирается между полом и потолком. Манипулятор, установленный на штанге, имеет два звена и может передвигаться вдоль штанги. Рабочий орган может занимать горизонтальное и вертикальное положения. Это позволяет вести оштукатуривание стен и потолков. Рабочий орган снабжается сменным набором рабочего инструмента. Подача команд и корректировка программы робота осуществляются с местного пульта ПУ или пульта дистанционного управления ПДУ. Эти команды поступают в устройство управления УУ, которое на их основе формирует управляющие воздействия для звеньев манипулятора и рабочего органа РО. Положение звеньев манипулятора контролируется датчиками положения ДП. Для контроля качества поверхности используются устройство контроля УКК и акустические датчики ДА. Мобильные платформы штукатурных роботов могут использовать шагающие, гусеничные, колесные или гибридные механизмы передвижения. Такие роботы 147 позвол ляют реш шать задаачу компллексной автоматизации шттукатурны ых работт в строиттельстве. Рис. 5.11. Строи ительный робот р для штукатурны ш ых работ: 1 - мини-шаасси; 2 - телескопичесская штангга; 3 – мани ипулятор; 4 - рабочий й орган; М – манип пулятор; РО О - рабочи ий орган с соплом; с УУ У - устройсттво управл ления; ДП - даттчики полоожения; ДА А - датчик акустическ а кий; УКК - усстройство контроля к ккачества по оверхности, ПУ - пулььт управлен ния, ПДУ - пульт дистанцион д нного управвления; В - воздух, Р - раствор, Э – электр роэнергия. Роб ботизировванный ко омплекс, включаю ющий гру уппу рассм мотренны ых робото ов, дает ввозможно ость вести и работы ы поточно о-расчлен ненным м методом (рис. 5.12). Раство ор к ман нипулятор рам подаается расстворонас сосом изз бункераа-смеситееля штукаатурной станции, устанаввливаемого у по одъезда здания. Здесь же ж размещ щается установка у а для пр иема и перекачк ки известткового молока. м Н На лестни ичной площадке размещаю р ют раство оропровод д, к котоорому под дсоединяю ют рабочи ие органы ы манипу уляторов . Сжатый й воздух подают от комп прессорно ого агрегаата, наход дящегося на н лестни ичных пло ощадках. В качестве рабочих х органо в манип пуляторов в, входящ щих в состав эттих компл лексов, исспользуюттся присп пособления для механизир м рованного о нанесен ния раство оров. Однако дляя роботоотехничесских систтем необбходимы форсунк ки, которы ые могут работатьь с раствоорами люб бой конси истенции и, выполн нять обры ызг, грунто ование поверхнос п сти и нааносить накрывки. При этом он ни должн ны снабжаться электромагнитными и или эл лектромех ханически ими венттилями для д регули ирования подачи воздуха, в а также иметь и устр ройства ддля автом матическо ого регули ирования размера факела. Таким образом, форсунка ф а как рабочий оргган строиттельного роботта снаабжается 148 регул лировочны ыми элементам э ми, обеспеечивающи ими в процессе рааботы авттоматичес ское упраавление диаграмм д мой распыл ления и степенью с раздроблления стр руи. Качес ство нанеесения сло оя раство ора опредееляется расстоян нием меежду вы ыходным отверсттием фо орсунки и поверх хностью, а такж же зависи ит от угла у нак клона соопла. Поэтому при п роботи изации нееобходим мо предуссматриватть стабили изацию уугла накло она соплаа и автомаатическоее регулир рование раасстояниее его до поверхнос п сти. Рис. 5.12.. Роботизир рованный ккомплекс для д выполн нения штуккатурных раабот: 1 - манипу улятор; 2 - ш штукатурная станция; 3 - электррощит; 4 - растворо онасос; 5 - приемный й бункер; 6 - раствороппровод; 7 - компрессор; I…V - виды опеераций: под дготовка, ообрызг, рка грунтоввка, накрывка и затир Дляя разглаж живания и затирки и лицевого штука атурного слоя ман нипулятор ры снабжают штук катурно-ззатирочны ыми оргаанами. На а первой стадии роботизац ции могут быть использов ые и ваться пн невматич ческие и электри ические затирочн з машин нки. При создании и специаллизирован нных роботов для штукатур рных раб бот нужны ы специал льные раб бочие оргганы, вып полняющие затироочные операции, кок торые должны иметь встроенны в ый приво од и комп плект съеемного затирочно з ого инстру умента. Робот, снабженн ный так кими рабочими органами, долж жен выпол лнять мех ханизиров ванную заатирку наакрывочн ного слояя, затирку у цементн нопесчан ного расствора наа поверххности железобет ж тонных п панелей, шлифоввку прошп паклеванн ных вертикальны ых и горизонтал льных 149 п поверхностей. П При создании затирочного инструмента должна предусматриваться автоматическая стабилизация удельного давления затирочного диска на обрабатываемую поверхность и регулирование его величины в зависимости от состава раствора и времени его нанесения, а также регулирование скорости вращения дисков. Так как процесс затирки происходит при смачивании поверхности, то к рабочему органу робота предусматривается подвод воды с регулированием ее подачи. При роботизации штукатурных работ одновременно рассматриваются и решаются вопросы автоматизации приготовления и транспортировки раствора. Оборудование передвижных растворных узлов, входящих в состав РТК, снабжается средствами контроля, защиты, автоматического и дистанционного управления. На трубопроводе, подающем растворы, на этажи здания, устанавливают электромагнитные клапаны для управления подачей, а также датчики давления для регулирования режима работы насосных агрегатов. В состав штукатурных РТК включаются автоматизированные штукатурносмесительные агрегаты с дистанционным управлением. Для подачи растворов в комплекте с манипуляторами используются плунжерные одноступенчатые горизонтальные насосы, входящие в состав штукатурных агрегатов и станций. При выполнении большого объема штукатурных работ наиболее эффективным является использование штукатурной машины, располагаемой на рабочем этаже, в которую компрессором подается сухая штукатурка из силоса, размещенного на нулевой отметке здания. Длина подводимого к роботу растворовода для подачи готового штукатурного раствора может составлять 10-15 м. 150 5.6. Малярные роботы и роботизированные комплексы Малярные работы являются, как правило, завершающей стадией всего технологического процесса строительства. Их доля составляет по трудозатратам около 16%, а сметная стоимость достигает 8% - 10%. Анализ технологических операций подготовки и окрашивания поверхностей стен и потолков показывает, что с помощью манипуляторов с дистанционным или программным управлением можно очистить поверхность от пыли сжатым воздухом, снять старые покрытия, произвести сплошное шпаклевание, нанести лакокрасочные, теплозащитные, клеевые и водоэмульсионные покрытия. Однако условия стройплощадки требуют создания специальных конструкций манипуляторов и построения на их основе РТК для малярных работ. Работы в этом направлении ведутся во многих странах. Одной из первых отечественных разработок является покрасочно - малярный манипулятор для нанесения меловых и водоэмульсионных растворов на плоские поверхности, приведенный на рис. 5.13. Манипулятор М0-01 выполнен на базе малогабаритной машины с двухзвенной стрелой и представляет собой две качающиеся телескопические штанги с выдвижными штоками, движущиеся в противоположные стороны. Штанги приводятся в движение одним приводом. На концах штанг установлены покрасочные форсунки. При движении штанг форсунки перемещаются по прямой линии вдоль обрабатываемой поверхности. Манипулятор с помощью стрелы поднимается на заданную высоту и посредством вертикальных перемещений форсунок и горизонтального движения машины окрашивает поверхность стены. Данная конструкция может использоваться и при окрашивании потолка. При этом стрела манипулятора поднимается на необходимую высоту и манипулятор разворачивается на 90°. Манипулятор М0-01 рассчитан на производительность 500 м2/ч. Дистанционное управление манипулятором позволяет вывести оператора из зоны распыления окрасочных материалов. 151 Рис. 5..13. Покрасочно - маллярный ман нипулятор М0-01 с каачающими ися штангаами: 1 - маш шина ТО-31; 2 - двухззвенная стррела; 3 - телесккопические штанги с форсунками ф ми. Расссмотрим выпол лненную еще на одну базе коонструкцию отеч чественноого многоофункцио онального о экскаваатора ман нипулятор ра, МО-3341 М и преднаазначенну ую для ок краски нааружных стен с зданий (рис. 55.14). Рис.. 5.14. Мно огофункциоональный манипулят м ор со сменнным окрасочным оборудов ванием: 1 - манипуляттор; 2 - под двесная люллька; 3 - двухкооррдинатный механизм; 4,5 - форсуунки. Мн ногофункц циональный мани ипулятор р снабже ен подвеесной люлькой, л в которо ой устан новлено сменное окрасоч чное обо орудовани ие. Оно снабжеено вертиккальной штангой с двухккоординаттным мех ханизмом м для пееремещен ния нки. Фор форсун рсунка пер ремещаеттся гориззонтально о и вертиккально вд доль стен ны, 152 выполняя сканирование окрашиваемой поверхности. Для управления окрасочным оборудованием герконовые датчики манипуляторов со использовано положения. сменным релейно-контактное Использование окрасочным устройство и многофункциональных оборудованием подтвердило экономическую целесообразность роботизация малярных работ в строительных организациях. Из зарубежных разработок наибольшего внимания заслуживают окрасочные роботы с программным и адаптивным управлением, созданные в Японии. На рис. 5.15 показана компоновочная схема одного из первых таких роботов, предназначенного для нанесения окрасочных покрытий на вертикальные поверхности. На колонне установлен двухзвенный манипулятор с ориентирующим органом, обеспечивающим перпендикулярность форсунки относительно окрашиваемой поверхности в ходе перемещения звеньев манипулятора и его поворота вокруг колонны. Управление манипулятором осуществлялось от микро-ЭВМ. При перемещении форсунки в процессе работы система управления обеспечивала поддержание постоянного расстояния до стены. В дальнейшем японскими специалистами были разработаны самоходные роботы для окраски помещений, наружных поверхностей балконов и лоджий высотных зданий и ряд др. Испытания этих разработок показало хорошее качество поверхности, которое не уступает уровню квалифицированного рабочего. Робот включает оборудование для пульверизатор. механизм подачи Устройство перемещения окрасочных перемещения и станцию составов и рабочего управления, автоматический органа имеет горизонтальные и вертикальные штанги и привод. Аналогичные разработки выполнены в ряде других стран: Германии, Болгарии, США, Польше. Выполненные разработки показали перспективность роботизации малярных работ. Применение роботов позволяет снизить трудоемкость, увеличить производительность работы и повысить технику безопасности при выполнении окрасочных работ. 153 Рис. 5.15. Ком мпоновочнаая схема ок красочного робота: 1 - колонна; 2 - двухп позиционны ый манипуллятор; 3 - ориентирую о ющий органн с форсун нкой. Пеерспективвными явл ляются м манипулятторы для малярных ых работ при п отдел лке жилых х домов. Анализз выполн ненных разработо р ок и теххнологии нанесен ния окрасо очных со оставов показываает, что для ро оботизаци ии этих процесссов целесо ообразно создать унивеерсальны ый мани ипулятор для подготоввки поверх хностей и их ок краски. П При этом м необходимо исспользовать блочн номодул льную кон нструкцию ю. На рис. 5.1 16 показаана комп поновка отделочно о ого робоота для выполнен в ния отдело очных раб бот в жил лых помещ щениях. Он О состои ит из базоового блока, на коттором у установлеено два двухзвен нных ман нипулятора. Базоовый бло ок снабж жен колесн ным движ жителем для д перем мещения робота р изз одного п помещени ия в друго ое. В раб бочем сосстоянии робот с помощью ю телеск копическоой опорн ной штан нги раскреепляется между полом и потол лком пом мещения.. Базовы ый блок с манип пулятором м может перемещ щаться вдоль штан нги. Послле оконч чания раб бот штанга складыввается и робот р опуускается на н колеса а. Звенья м манипуляятора в пр роцессе п передвиж жения роб бота такж е складыв ваются. Роб бот работает в цил линдричесской систтеме коорд динат и сснабжаетсся бортоввой микро о-ЭВМ, об беспечивающей п программн ное или адаптивн а ное управление. При П адапти ивном уп правлении и робот сснабжаеттся ультразвуковы ым сканер ром. Кроме того, такой ро обот долж жен имееть дистаанционное е управлление, дл ля которо ого лучшее исполььзовать радиокан нал связи и. 154 Снабжение рробота комплекто к ом автомати сменного инстр румента позволит п изировать ь основны ые процесссы отдел лки жилых х помещений. Рис. 5.16. Двурук кий робот ддля отдело очных работ в жилых помещени иях 1- базоввый блок; 2 - манипулляторы; 3 - колесный движительь; 3- колонна. На базе мал лярных ро оботов цеелесообраазно создавать РТК К, в состтав которы ых кроме манипул ляторов до олжны вкключатьсяя шпаклев вочные и малярны ые агрегатты. Управвление об борудован нием осущ ществляеется систе емой упрравления комплексса, постро оенной наа микро-Э ЭВМ. Шп паклевка наносится н я специалльными шпателями ш ис автомаатической й подачей й матери иала или с помощ щью форссунок с воздушны в ым распыл лением. Для нан несения окрасочн ных состтавов слеедует исспользоваать специаальные форсунки ф и с элекктромагн нитными клапанам ами. Мож жно такж же рекомеендовать пневматтические валики с внутре енней поддачей кр раски чер рез отверсстия. Упр равление подачей п оокрасочны ых состав вов на валлики осущ ществляеттся с пом мощью электрома э агнитныхх клапано ов, устан навливаем мых на подающ щих шланггах. 155 5.7. Роботизация сваебойных работ Еще одно перспективное направление использование промышленных роботов связано с выполнением свайных работ. Применения роботов и создания на основе сваебойных агрегатов РТК, оснащенных лазерными системами контроля, позволяет автоматизировать процесс забивки свай, их подрезки. В состав комплекса включается сваебойная установка, робот для подачи свай и их подрезки со сменным рабочим органом. На рис. 5.17 приведен пример такого комплекса, оснащенного лазерной системой контроля. Аппаратура контроля состоит из лазерного излучателя ЛИ, фотодатчика ФД и панели контроля ПК. Для задания проектной оси забивки свай вдоль нее направляется лазерный луч. На мачте 1 сваебойной установки монтируется фотодатчик, фиксирующий положение луча в горизонтальной плоскости. Установка мачт выполняется в створе луча. При забивке свай до заданной отметки фотодатчик размещается на наголовнике и фиксирует положение луча в вертикальной плоскости. Если лазерный луч используется только для задания горизонтального уровня погружения свай, то в этом случае его удобно разворачивать в плоскость, располагая лазерный прибор за пределами рабочей площадки. Контроль срезки свай под проектную отметку также целесообразно проводить при помощи лазерного прибора, задающего горизонтальную плоскость. Относительно этой плоскости и выполняется контроль за положением рабочего органа 3 установки. Фотодатчик ФД размещается на рабочем органе. Информация с фотодатчика поступает в систему управления комплексом и используется для установки свай и рабочего инструмента в заданное положение. 156 Рис. 5.17. Роботизиро Р Р ованный ко омплекс дл ля свайных работ: 1 - сваеб бойная усттановка; 2 - свая; 3 - рабочий оргган; 4 - робот для д подачи, установки и и подрезк ки свай; 5 - лазерная ссистема кон нтроля С помощ щью лазеерного лууча задааются раззбивочны ые оси и высотные отметкки при забивке и подрезке п ссвай. Кро оме того, лазерный й луч, раззвернутый йв вертиккальную плоско ость, п позволяет контр ролироватть верттикальноссть ии погруж жения свай и пол ложение н направляю ющей мачты копрра. При сооружен с свайны ых фунд даментов лазерноое визирование в сочетаании с линейным ми измереениями в направл лении раазбивочны ых осей позволяеет автомаатизироваать процессс устано овки сваай в задаанное меесто и их и погруж жения до о заданн ной отметкки. Использовани ие лазеррной си истемы в составве РТК позволяяет автомаатизироваать процеесс разби ивки свай йного пол ля, передввижение оборудоввания и еего ориен нтировани ие в новой й точке по п створу разбивоччных осей й. А Автомати изация пр роцесса п огружени ия свай на основе роботов и лазерны ых систем м позволяяет значи ительно улучшитьь качеств во возведдения фу ундаменто ов, повысить произзводителььность трруда и сок кратить ср роки выпоолнения работ. р 157 5.8. Технологии и оборудование 3D-печати в строительстве Сегодня строительная промышленность, возможно, стоит перед самым большим выбором будущих направлений развития. Основные причины демографические изменения (к 2100 г. население планеты достигнет 11 млрд. жителей) и растущая глобальная урбанизация (на 2017 г. половина населения живет в городах, к 2050 г. число горожан достигнет 75 %). Традиционные методы строительства не смогут решить возникающие задачи и проблемы. Поэтому требуются новые подходы к строительству жилья и инфраструктуры жилых районов. Широкое обсуждение аддитивных технологий в последние несколько лет привело к появлению различных приложений АМ (аддитивного производства) в строительстве. Появилось немало разработчиков таких приложений и проектов с их использованием по всему миру. В их числе как энтузиастыодиночки, так и большие команды, включающие архитекторов, строителей, инвесторов, университеты и крупные производственные компании. Объем мирового строительного рынка огромен (табл. 5.1). При этом рынки развивающихся стран показывают темп развития 5,3 %, рынки развитых стран 2,2 % в год. Строительство сегодня является одной из самых ресурсозатратных отраслей. Оно расходует 36 % энергии, 30 % сырьевых материалов, 12 % питьевой воды (на примере США). В то же время строительство имеет крайне низкую производительность даже в таких странах, как США, Великобритания, Сингапур и Гонконг. Год Таблица 5.1 Объем мирового строительного рынка Трлн. долларов Средний темп роста, % в год 2010 7,4 3,1 2015 8,5 3,8 2020 (прогноз) 10,3 3,9 158 Сущ щность 3D-печати и строителльных ко онструкци ий заклю ючается в послойно ом отверд дении сттроительн ной смееси по модели, подготтовленной й методо ом компьютерного о 3D-модеелировани ия (рис. 5.18). 5 Модель раззбиваетсяя на слоои программой подготовк п ки рабоч чего файл ла, которы ый затем отправляяется на 3D-принтер для печати. п П Печатающ щая головвка принтеера, двигааясь вдол ль направллений X и Y, печа атает рисуунок сечения модеели строиттельной смесью, с например н , бетоном м, гипсом м или каоолиновым ми смесям ми. При заавершени ии слоя головка г п поднимаеттся вдоль ь направлления Z на н толщи ину нового о слоя, пеечатает но овый слой й, и так до о заверше ения посттроения изделия. и Рис. Р 5.18. П Портальный й принтер в работе (S-6044 Loong компан нии «Спеца авиа») П Печатающ щая головка консттруктивн но состоит из бунк нкера (нак копителя)) с мешал лкой, шнеекового экструдер э ра (не иск ключено применен ние други их видов, в том ч числе и роторногго), котоорый фор рмирует необходдимый сл лой бето она (рис.5.19). Во время печати п моожно оперативно корректтировать геометри ию выдавл ливаемогго слоя, изменятьь скоростть печати и, добивааясь максимально ого качесттва. 159 Рис. Р 5.19. П Печатная головка г при интера Всее исходны ые компо оненты ссмешиваю ются в подобранн п ном сооттношении и в раство орных меешалках или и спец циальных станциях х до поллучения однородн о ной подается в печата массы. Затем полученна п ая смесь п ающую гооловку 3D D-принтер ра. Вес заамеса отт 10 до 100 кг. Подача готового раствораа в голо овку мож жет произвводиться в ручно ом режи име и ав втоматиче ески. Раббочая см месь мож жет замеш шиваться непосред дственно в печаттающей головке, г что акту уально для д быстро ой печаати или для п печати с нависа аниями с использованием быстро отвердею ющих состтавов. Арм мировать изделия можно слледующи ими спосо обами: дообавлять в бетонну ую смесь фиброво олокно, укладыват у ть армату уру межд ду слоям ми во вреемя печатти, армировать пол лости изд делий с п последующ щей заливкой этихх полостеей бетоно ом. Для аармироваания лек кальных полостей й идеаль ьно подхходит композитн ная но уменььшает себестоимость строиттельства. армату ура, что значитель з Поссле заверш шения пеечати печаатающая головка извлекает и тся из 3D--принтераа и очищаается мо ойкой вы ысокого давленияя. Сформированн ное небо ольшое по размер рам изделие остаается на поддоне и может сушитьься в естественны ых услови иях либо подвергааться нагр греву до набора н пр рочности и при бол лее высок ких темпер ратурах. При печаати каоли иновыми смесями и с исполльзованиеем глины ы и шамотта пред дполагаетсся послледующий й 160 обжи иг изделлий. Пр ри печаати непоср редственн но на сттроительн ной площ щадке фу ундаментаа или сттен следу ует выдерж живать необходим мые сроки и, чтобы бетон б наб брал нужн ную прочн ность. Сп помощью 3D-печатти могут б быть изго отовлены строителльные кон нструкции ии другиее бетонны ые и гипсо овые издеелия слож жной геом метрии. П При этом примерно ов 8-12 раз сокращ щается время циклаа от проектирован ния до прооизводств ва. Тип пы 3D-п принтеров. В заввисимости и от конструкции и строитеельные 3Dпринтееры можн но разделить на слледующиее типы: 1. Пор ртальныее, в которых к печатаю ющая головка г перемещ щается по направвляющим м в предеелах рабоочей зоны, ограниченной по площ щади (X, Y коорди инаты) опорами о и по вы ысоте (Z)) - рассттоянием ддо голов вки при ее максим мальном подъеме (см. рис. 5.18). 2. Разн новидностть портал льных прринтеров с так наззываемым м Дельта а-приводо ом головкки. Идея нашла широкоее примен нение в пластикоовых 3D--принтераах, работаающих по о технологии FDM M. 3. Моб бильные 3D-прин нтеры, осснащаемы ые рукой--роботом и устанаавливаемые на шассси, котор рое можетт перемещ щаться саамостояте ельно (рисс. 5.20). Рис. 5.20. 5 Роботи изированны ый комплекс на шассси компании Branch Tecchnology (С США) 4. Робо отизиров ванные комплекс к сы: оснаащены ру укой-робоотом Kuk ka, ABB и других х произво одителей.. Робот м может пер ремещать ься в пред еделах раб бочей зон ны 161 по нап правляющ щим рельссам (рис. 5.21). Пр ри этом зо она застроойки прак ктически не ограни ичена. Рис. 5.21. Робо отизированн ный компл лекс с перем мещением по рельсам м компании Branch Tecchnology (С США) 5. Гиб бридные конструк к кции: • комб бинация портально п ого 3D-прринтера и робота (к компанияя Contour crafting corporration (CC CC), рис. 5.22); 5 • управвление пеечатающеей головккой и переемещение ем по выссоте происсходит заа счет использоваания телеескопичесского устр ройства (р рис. 5.23)). 6. Ком мплекс дл ля печат ти сетчаттых стру уктур, в котором имеется рука-роб бот для по одачи метталла (рисс. 5.20) илли пласти ика (рис. 5.21). 5 7. 3D-п принтеры ы большого форм мата для печати п эл лементов декора, оформлен о ния фасадо ов, вход дных гру упп, окон н и элеементов интерьерра, работтающие по технол логии FD DM с использован ием широкого круга термоопластиков (Росси ия, ООО « «Спецави иа»). 162 Рис. 5 5.22. Роботтизированн ный комплеекс, оснащеенный печа атной головвкой и ман нипуляторо ом для укл ладки элемеентов домаа (компания я ССС, СШ ША) Рис. 5.23 3. 3D-прин нтер компаании Apis Сor С с телеск копическим м устройсттвом Технология сетчаты ых метал ллических х форм - МММ (Mesh Mold M Metaal). Платт Бойд - основатеель проеккта Brancch Techn nology, прредложил л создаваать сетчаттые струк ктуры с помощью РТК (рисс. 5.21). Комплекс К представ вляет соб бой робот KUKA на н платфо орме, котторая мож жет перемещатьсяя по напр равляющи им рельсаам длино ой 10 м и печататть из AB BS-пласти ика стены ы для вы ыставочно ого стендаа компани ии. Начав в опыты с роботом с рабочей зоной 11,3×1,3×1,0 м, сейч час компан ния испо ользует ро обот KR990 и споссобна строить струуктуры с размерам ми 163 8,25×1 19,1×2,1 м в объем ме 324 куб б. м. В2 2013 г. Бо ойд приш шел к пони иманию того, т что нужно исспользоваать не одни только о послойные техн нологии выращив вания объ ъектов, аа, как и в природ де, требуеется сим мбиоз раазличныхх решени ий, техн нологий строител льства. Он О убедил лся, что сетчаты ые структ ктуры паанелей бо олее проочны в сравнени ии, наприм мер, с традицион т нными д деревянны ыми пане елями уж же при добавлен д нии только о пены (примерн ( но на 300 %), а при п нанесении беетона наа внешню юю поверх хность панели ее прочноссть анало огична прочности и цельной й бетонн ной стены такого же ж размеера (рис. 5.24). При П этом м панели очень легкие. Таак, пласти иковая сттена весом м 0,7 кг ввыдержив вает нагр рузку в 7000 кг, а пластиков п вая стена ввесом 1,1 кг с нанеесенной п пеной - вд двое выше: 1400 кгг. Рис. 5.24. 5 Устроойство сетч чатой струк ктуры стены ы Каккой видиттся персп пектива м етода ком мпании Branch B Tecchnology?? 3D-печаать рассмаатриваетсся только как осноова для со оздания се етчатых сструктур--матриц для д стен ззданий с любой сложноой геометтрией. Далее Д моогут испо ользоватьься традиц ционные строител льные маатериалы: для внутренней й отделки и - пена и гипсоккартон; на н внешн ней повеерхности применя яется беттон и даалее любы ые отдело очные маттериалы (кирпич, штукатур рка и т. д.). д Для рееализации и этой ид деи планир руется со оздать про оизводствво крупно оразмерны ых отделььных элем ментов сттен по зап просам кли иентов со о всего ми ира и далее достав влять их ззаказчикам м. А уже на 164 месте из этих х элемен нтов соб бирается готовый объект с использованием традиц ционных технологгий и матеериалов. На конферен нции «Ци ифровое п производство из бетона» б в Цюрихе в мае 20 017 года б был предсставлен доклад, д гд де описыв вается технологияя роботизированно ого произвводства стальных с сетчаты ых структтур произзвольной формы с разным ми размер рами ячееек, кото орые моггут быть использзованы ккак арматтура и как к опалуб бка (рис.. 5.25). Технологи Т ия получ чила наим менованиее Mesh Mold M Meetal (MMM M) - сеттчатая металличе м еская форма. Он на позволляет инттегрироваать армату уру в кон нструкци ию естесттвенным образом, а так каак бетон заливаеттся одновр ременно, условия гидратаци г ии будут одинаков вы для всеей констр рукции. Рис.5..25. Пример р сетчатой структуры ы с различн ной кривизн ной по разнным направ влениям дл ля по оследующеего заполнеения бетоноом без опал лубки и гол ловка робоота для ее создания с Размер ячееек сетки и, их п плотностьь и рас сстояние между соседним ми поверх хностями и структур ры опредееляются из и тех соо ображени ий, что свежий беттон должеен заполн нять весь объем сструктуры ы, но при и этом н не выходи ить наруж жу через боковые ячейки. Опытным м путем было усттановленоо, что оп птимальны ый размер р ячейки для про оволоки рразмером до 4 мм м составлляет 10-1 15 мм. Для Д повыш шения про оизводитеельности нужно ув величить диаметр проволок ки до 6 мм, м соотвеетственно о, будет увеличен у и размеер ячеек. Пример готовой структур ры, залито ой бетоно ом, показаан на рис.. 5.26. 165 Р Рис. 5.26. Пример сетччатой струк ктуры, запо олненной ббетоном с ручн ной финишн ной отделк кой В2 2018 г. планируетсяя построи ить пилоттный прое ект размеерами 13 м в длину уи 3 м в высоту у. Это будет б реаальная стена с буд дущего ддвухэтажн ного дом ма. Концеепция соч четает в себе с моб бильностьь, гибкостть, автоноомность, модульн ное постро оение, про оизводств во объектта в завод дских усло овиях (ри ис. 5.27). Р Рис. 5.27. Использова И ание роботтов для посттроения слложных просттранственных структу ур другой рааботе, преедставлен нной на той т же ко онференц ции в Цюр рихе, авттор В д К. Мен нна из универси итета Нееаполя иззложил некоторы ые принц ципиальные полож жения, ко оторые необходим н мо рассм матривать ь при и использов вании АМ Мтехнол логий в строитель с ьстве. В частностти, он запатентоваал четыр рехшагову ую процед дуру подгготовки 3D-печати 3 и балки каак основы ы любого строител льства. 166 1. Задаанный вид д балки (р рис. 5.28)). Рис. 5.28 8. Модульн ная модельь арки и про офиль вулккана Веззувий - как основа диззайна пролета моста 2. Переменные высоты поперечно п ого сечен ния. 3. Разб биение баалки на сеегменты. 4. Опттимизацияя топологгии и конф фигураци ии арматуры. Кро оме того, он такжее сформуллировал требовани т ия к матерриалу из бетона: б а) свеежеприго отовленны ый: прим менимостьь - возмож жность см мешиватьь и подаваать насосо ом в течение требуем мого пр ромежутк ка врем мени; во озможноссть экстру удировани ия - подд держание непреры ывного потока матеериала; пригоднос п сть к строительству у - не «пл лывет» и ввыдержив вает нагрузку в неесколько слоев с поссле экстру узии; б) затв вердевши ий: анизо отропия - механичееские свойства заввисят от направлен н ния печати и и размер ров попер речного ссечения. В п примере построен ния пешееходного моста за а основу взята модель ар рки «Везуввий» (рисс. 5.28) по п аналоггии с при иродным профилем м. Элемеент балки и и балка в сборе показаны п на н рис. 5..29 и 5.30 0. 167 Р Рис. 5.29. Сегмент С аррки моста (в время посттроения 10 минут) Р Рис. 5.30. Арка А моста в сборе с металличес м скими усиллениями Слеедует отм метить, чтто если п первые попытки п роботизац р ции в стр роительсттве (Япони ия, 1980--е) были направллены на автомати изацию и или замен ну ручно ого труда, то ны ынешняя ситуацияя с внеедрением роботовв предпо олагает их исполььзование архитеекторами для создания с сложны ых несттандартны ых констр рукций изз бетона как к основвного стро оительногго матери иала. В Р РФ консструкцион нный беттон для строител льства вы ысотных зданий по норматтивам сод держит не менее 220% портл ландцемента. При использо овании АM Mтехнол логий это о требоваание вып полняетсяя, поскол льку матеериал для принтеера нужен н только для д печатти несъем мной опал лубки при и построеении многгокамерны ых стен. Одна изз камер выполняяет функ кцию арм мопояса, куда ук кладываеттся армату ура и зали ивается заатем товаарным беттоном нуж жной маррки. 168 Пер рспективы ы АM-тех хнологий можно видеть в в новых н маатериалах х, таких как к самово осстанавл ливающий йся беетон (залечиван ( ние тррещин), аэрогеель (сверх хизолирую ющий маатериал, в котором м 99,98 % - возддух), нано оматериал лы (сверх хпрочные,, сверхлеегкие маатериалы для зам мены сталльной ар рматуры), а также в новых х подход дах к стрроительсттву, таки их как тррехмернаяя печать и предваарительно о собранн ные модуули. Все это може ет снизитть затраты ы, ускори ить строиттельство, повыситьь качеств о и безоп пасность. имеры строитель При с ьства здааний с использов и ванием 33D-принт теров. До ом, предсттавленный на рисс. 5.31, в декабр ре 2017 года нап печатала российск кая ния Apis Cor в сотрудни компан ичестве с одной из круп пнейших в России строиттельной группой г компаний к й «ПИК». Следует отметитьь, что на возведен ние дома ушли вссего одни и сутки: печать стен, пе ерегородоок и огр раждающ щих констр рукций дл лилась 24 4 часа. Прри этом, что ч важно, зданиее (впервы ые в Росси ии) напечаатали на 3D-принттере цели иком, а нее собрали и из деталлей. Площ щадь здан ния составвляет 38 м2. Внутри и построй йки есть прихожая п я, гостиная ая, кухня и санузел л. Р Рис. 5.31. Дом Д от ГК «ПИК» и Apis A Cor в Ступине С (Р Россия) Дом м, находяящийся в Ярославлле (рис. 5.32) 5 - сам мое больш шое здани ие в Евро опе и СНГ Г, постро оенное с применен нием тех хнологии 3D-печатти. Общаая площаадь составвляет 298,5 м2. Проект реализов вала рос ссийская группа компани ийизгото овителей строител льных 3D D-принтер ров - «АМ МТ-Спецаавиа». Оттметим, что ч 169 зданиее печатал ли по часстям (стеены дома, декораттивные эллементы, башню),, а затем зза месяц собрали на н фундам менте как к конструктор. Рис. 5.32 2. Дом «АМ МТ-Спецав виа» в Ярос славле (Росссия) Вессьма пок казательно на фооне пред дыдущего о объектта выгляядит вил лла (рис.5.33), п построенн ная с примеенением техноллогии 3D-печаати компан нией Win nSun (Киттай). Печаать деталеей для это ого здани ия заняла у компании всего лишь оди ин день, а строитеельство целиком ц - три дня.. Участво овали в нем всего трое рабо очих. Усттройство заправляялось смес сью цемеента и стр роительны ых отходо ов с добаввлением специальн с ного отвеердителя. Рисс. 5.33. Ви илла WinSu un в Сучжоу у (Китай) Еще один объект, о построенн п ный комп панией WinSun W - особняк к по закаазу тайван ньской ко омпании Tomson T G Group (рис. 5.34). Площадь П здания насчитыва н ает 170 1100 м2. Для егго печати использоовали 3D--принтер гигантскких размер ров: высо ота 6 м, ш ширина 10 м, длинаа 40 м. Рис. 5.34. Осо бняк WinSun в Сучжо оу (Китай) 3D--печать в строитеельстве - один изз наиболее перспеективных х сегменттов развиттия адди итивных технолоогий и привлека ательных направл лений для д инвесттированияя. Персп пективы А АМ-технологий в строитеельстве ограничен о ны отсутсствием нормативн н ной базы ы для их х использзования. Поэтому у сейчас в больш шинстве стран с разр решено сстроителььство дом мов не вы ыше втор рого этаж жа. Хотя в Дубае, например р, планирруется к 2030 2 году у до 25% жилья, в том чиссле высотн ного, построить с применен п нием АМ--технологгий. При именениее 3D-прин нтеров уж же давно и проч чно вошлло в стр роительну ую индусттрию, но о если наа первых порах такое т обо орудовани ие примеенялось для д прототтипирования и созздания маакетов проектируем мых здан ний и архи итектурны ых объекттов, то теперь 3D-принт 3 тер уже становиттся полн ноценным м образцо ом специаализироваанного строитель с ьного об борудован ния на рряду с башенным б ми кранам ми, экскааваторами и и проочей стро оительной й техниккой. А наибольш н шие перспеективы просматр риваютсяя в со очетании технол логиями строитель с ьства. 171 РТК с тради иционным ми СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Тихонов А.Ф., Демидов С.Л., Дроздов А.Н. Автоматизация строительных и дорожных машин: учебное пособие/ М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «Моск. гос. строит. ун-т». - М: МГСУ, 2013. -256 с. 2. Дьяков И. Ф. Строительные и дорожные машины и основы автоматизации: учебное пособие /Ульян. гос. техн. ун-т.- Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 516 с. 3. Добронравов С.С., Дронов В.Г. Строительные машины и основы автоматизации: учебник для строит. вузов - М.: Высш. шк., 2001.- 575 с. 4. Волковой М.С. Автоматика и автоматизация производственных процессов: учеб. пособие /Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та - Пермь, 2012. – 145 с. 5. Автоматизация и роботизация строительства: учебное пособие/ Евтушенко С.И., Булгаков А.Г., Воробьев В.А. и др. - 2-e изд. - М.: ИЦ РИОР: НИЦ ИНФРА-М, 2013 - 452 с. 6. Автомобильные дороги: Автоматизация производственных процессов в строительстве: учебник для вузов/Под ред. Л.Я. Цикермана - 2 изд., перераб. и доп. М.: Транспорт. 1986.- 238 с. 7. Ложечко В.П., Шестопалов А.А., Позднышев А.А. Устройство для контроля плотности асфальтобетона на дорожных катках// Строительные и дорожные машины, 1996, №3. С. 30-33. 8. Ложечко В.П. Автоматизированное оборудование для дорожных катков// Механизация строительства, 1996, №12. С. 10-12. 9. Ложечко В.П. Определение закона и систем регулирования силового воздействия вибрационных катков для уплотнения асфальтобетонных смесей//7-я Международная научно-техническая конференция «Современное машиностроение. Наука и образование», СПб., СПбПУ, 2018. С. 619-629. 172 10. Загороднюк В. Т., Паршин Д. Я. Строительная робототехника. - М.: Стройиздат, 2006. - 269 с. 11. Паршин Д. Я., Булгаков А. Г. Автоматизация и роботизация строительномонтажных работ: учеб. пособие / НПИ. — Новочеркасск, 2008. - 288 с. 12. Булгаков А. Г., Гернер И., Каден Р. Исследования и практические примеры организации производства и использования роботов в стройиндустрии // Машины, механизмы, оборудование и инструмент - М.: ВНИИНТПИ, 2008, вып. 1. - 48 с. 13. Красников В. Ф. Промышленные роботы и манипуляторы: учеб. пособие / РИСХМ. - Ростов н/Д, 2004. - 110 с. 14. Шульженко С.Н., Пушилина Ю.Н., Чеботарев П.Н. Современное состояние парка машин и механизмов в строительных организациях России/ Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. II. Ч.2 - Тула, 2014.- С. 449-457. 15. Максимов Н.М. D-печать в строительстве: 6 реальных примеров в которые сложно поверить// Журнал «Ника-Рус». - 2017. - 12. [Электронный ресурс]-URL:http://www.3dpulse.ru/news/zhurnal-additivnye-ehnologii/additivnyetehnologii-v-stroitelstve-oborudovanie-i-materialy-chast-1/ 16. Строительные 3D-принтеры и опыт работы с ними. - Режим доступа: https://habr.com/company/top3dshop/blog/369867/ 17. Применение 3-D печати в строительстве. - Режим доступа: https://make3d.ru/articles/primenenie-3d-pechati-v-stroitelstve/ 173 Учебное пособие ЛОЖЕЧКО В. П. БУКРЕЕВ В. В. АВТОМАТИЗАЦИЯ И РОБОТИЗАЦИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Подписано в печать 14.01.2019. Формат 60×84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 10,87. Тираж 100. Заказ 001. Выпущено Издательско-полиграфической ассоциацией высших учебных заведений с готового оригинал-макета, предоставленного авторами. 194021, Санкт-Петербург, 2-й Муринский пр., д. 49, лит. А, пом. 208. Тел.: (812) 987-75-26.
