10.4.1. ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ

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 комплексов 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 строительные и дорожные машины. К ним относят само­ходные стреловые краны, гидравлические экскаваторы, землерой­но-транспортные и дорожные машины.

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, строитель­но-отделочных машин и электроинструмента и другой продукции. Объем выпуска специализированных средств автоматизации для до­рожно-строительных машин также неоднороден и в большинстве своем предназначен для защиты строительных кранов от перегрузки и для систем контроля, диагностики и управления. Рассмотрим ос­новные разработки, внедренные в строительные и дорожные маши­ны и оборудование.

Автоматическое управление перемещением, взвешиванием, пере­мешиванием, контролем за работой и порционной выдачей мате­риалов в асфальтосмесительных 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 укладываемого мате­риала осуществляется системой «АКА-Дормаш».

В комплект аппаратуры «АКА-Дормаш» входят следующие уст­ройства (рис. 10.26): /— «Стабилоплан» для скреперов, канавокопа­телей, дреноукладчиков и др.; II — «Автоплан» для бульдозеров; III — «Профиль» для автогрейдеров и профилировщиков; IV — «Стабилослой» для различных укладочных машин.

В комплекте аппаратуры 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 и т. п.;

• комбинированные системы, в которых контроль углового по­ложения осуществляется автономными датчиками, а определение положения по высоте — копиром.

Все системы, используемые в машинах различного назначения (рис. 10.26), комплектуют в основном из двух разновидностей авто­номных маятниковых датчиков 1 (отличающихся между собой ти­пом установочного приспособления и разрешающей способностью преобразователя), щуповым (копирным) датчиком 2, подъемным устройством 3, двумя разновидностями электрогидрозолотников 4 (при этом один вид золотника является составным элементом друго­го), унифицированным пультом дистанционного управления 5 и вспомогательным блоком 6. Вместо щупового или маятникового датчика может использоваться следящая система управления с дис­кретным регулированием. В этом случае дополнительно применяет­ся унифицированное согласующее устройство 7, лазерный из­лучатель (световой луч вместо копира) 8 и фотоэлектрический приемник 9.

В датчиках углового положения (ДУП) первого поколения ис­пользуется преобразователь контактного типа. В последующих кон­струкциях применяется датчик углового положения (ДКБ), в кото­ром преобразование изменения угла отклонения в электрический сигнал осуществляется унифицированным бесконтактным преобра­зователем. Маятниковый датчик ДКБ (рис. 10.27, а) состоит из за­крепленного на валу тонкостенного цилиндра со смещенным, отно­сительно оси вращения, центром тяжести.

Экран, связанный с чувствительным элементом, при повороте корпуса датчика (изменении угла наклона рамы машин) изменяет

Рис. 10.27. Датчики контроля положения рабочего органа машииы

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. 10.27, б), состоящие из бесконтактного датчика 2 и экрана 1, соединенного с щупом 3. Поворот щупа отно­сительно тросика 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 авто грейдеров. К таким системам относятся «Стабилоплан-1» и заменяющие их системы по­следующих поколений, «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 авто грейдеров, «Стабилослой-1» и «Стабилос - лой-10» — для укладчиков покрытий. Унифицированный ряд сис­тем автоматического управления типа «Профиль», предназначен­ных для управления положением рабочих органов, представлен в табл. 10.2. При трехканальных системах управления, помимо фикса­ции положения рабочего органа в двух ортогональных вертикаль­ных плоскостях, имеется еще и управление движением машины в плане («по курсу»). Эти системы управления «Профиломат-1», «Профиломат-2, 5, 6 и 7» устанавливаются на профилировщиках ос­нований и укладчиках покрытий, входящих в комплект машин типа ДС-110 для скоростного строительства автомобильных дорог и взлетно-посадочных полос аэродромов.

Таблица 10.2 Унифицированный ряд систем типа «Профиль» Наименование системы Вид системы Применение системы Копир-Автоплан-10 Одноканальная (автономная, копир - ная по жестким направляющим) Бульдозеры Копир-Стабило- план-10 Одноканальная (автономная, копир - ная по жестким направляющим, ко - пирная по лазерным направляющим) Скреперы Стабилослой-10 Двухканальная комбинированная (автономная, копирная по жестким направляющим) Асфальтоук­ ладчики Комбиплан-10 Двухканальная комбинированная (автономная, копирная по лазерным направляющим) Бульдозеры Профиль-30 (включая Профиль-10 и Профиль-20) Двухканальная комбинированная (автономная, копирная по жестким направляющим, копирная по лазер­ным направляющим) Автогрейдеры, ас - фальтоукладчи ки, дреноукладчики, торфяные профи­лировщики

Копирные системы автоматики, использующие внешний ко­пир-проволоку (тросик), имеют ряд недостатков. К ним следует от­нести повышенную трудоемкость очень точных работ подстановке тросика, появление погрешностей в работе копирно-щуповой систе­мы в связи с провисанием тросика, колебания шупа, ошибок при ус­тановке тросика и постоянным работам по его поддержанию в за­данном положении.

При использовании в качестве жесткой опорной базы уже гото­вых дорожного основания, дорожного покрытия, бордюрного кам­ня или дорожной разметки воздействие на датчик может переда­ваться через промежуточный механизм, перемещающийся по указанным поверхностям. В качестве такого механизма-щупа ис­пользуются колесо, лыжа с выравнивающими шарнирными или рычажными устройствами. Так, на машинах, осуществляющих хо­лодное фрезерование дорожных покрытий (ремонтные работы по снятию верхнего изношенного слоя покрытия), для выдерживания продольного уклона глубину фрезерования на правой и левой сто­ронах рабочего органа (фрезы) устанавливают отдельно в зависимо­сти от базовой плоскости, (рис. 10.28, а). Заданный уклон относи­тельно базовой плоскости 1, на которую опирается шуп — 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 поверхности дорожного покрытия используют ре­гулятор поперечного уклона 7 (рис. 10.28, 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. 10.28. 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 строительной или дорожной машиной, так и группой машин на 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.

о

Рис. 10.29. Схемы лазерного сканирующего (в) координатора и растрового автокоординатора (о)

Для управления рабочими органами строительных и дорожных машин широко используют лазерные координаторы различных кон­струкций и назначения. К достоинствам сканирующих координато­ров (рис. 10.29, 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, 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 10.29, 6) используют для программного управления рабочими органами строительных и дорожных машин. От сканирующих излучателей они отличаются наличием растрового излучателя, фильтрами частот f(ll) и /г(/2), детекторами 13 и 14 и усилительно-множительным устройством 15. К перспективному, оборудованию для применения на строительных и дорожных маши­нах 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 кранов и унифицированный ряд систем «Профиль-30» для автогрейдеров, скреперов, бульдозеров и асфальтоукладчиков, включающий в се­бя и заменяющий все ранее разработанные системы для этих ма­шин.

Наряду с НИИСтройдормашем большие работы по разработке и внедрению в строительных машинах различных систем регулиро­вания, управления и контроля ведутся в различных учебных и научных институтах, проектных организациях и промышленных предприятиях.

Автоматизация строительных и дорожных машин ведется в ос­новном по трем направлениям, обеспечивающим управление про­странственным положением рабочих органов 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 получения 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 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. 10.30).

Обычно рабочий орган землеройной, профилировочной или укладочной машины при их движении по неровной поверхности перемещается по высоте относительно заданного положения Нзгд. 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 І2 поступает в первый микроэлектрон­ный блок управления БУ1 и сравнивается с сигналом ц задатчика толщины срезаемой стружки ЗДТ. Разность сигналов (Д/1-2 = м - іі) проходит через первый усилитель мощности УМ1 и поступает на электромагниты ЭМ1 и ЭМ2 первого 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 H2dд.

При осуществленном изменении высоты первой кромки ра­бочего органа или наклоне машины в процессе ее движения по не-

Рис. 10.30. Функциональная схема системы «Профиль-30»

ровностям рабочим органом совершаются угловые перемещения в поперечной плоскости относительно вертикали. В этом случае в ра­боту включается второй автономный канал управления системы. Автономным маятниковым датчиком ДКБ измеряется величина уг­ла поперечного наклона рабочего органа, которая преобразуется в электросигнал h и подается в блок управления БУ2. Здесь г'з сравни­вается с сигналом U задатчика ЗДУ угла наклона, управляемого ма - шинистом-оператором. При возникшем рассогласовании разность этих сигналов подается в усилитель мощности УМ2, а из него на электромагниты ЭМЗ и ЭМ4 электрогидрораспределителя ЭГР2, направляющего поток рабочей жидкости в требуемую полость гид­роцилиндра ГЦ2. Перемещение штока гидроцилиндра поднимает или опускает вторую кромку рабочего органа до углового положе­ния у, равного заданному углу у3ад.

Второе направление автоматизации машин обеспечива­ет автоматизацию наиболее энергоемких технологических процес­сов, позволяющих максимально использовать тяговые возможности машин, снизить расход топлива, износ ходовой части, облегчить труд машиниста и т. п. 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 рабочего органа. Управляю­щим параметром может быть скорость машины, обороты двигателя или гидротрансформатора, угловое положение тяговой рамы или толкающего бруса, а также их сочетание в случае, например, буксо­вания движителей. Стабилизация каждого из этих параметров осу­ществляется при заданных ограничениях на другие. В строительных машинах эта система может использоваться как автономно, так и совместно с системами типа «Профиль».

Принцип работы такой системы представлен на рис. 10.31. Для предотвращения остановки двигателя при перегрузке в процессе ко­пания аппаратура обеспечивает стабилизацию частоты вращения вала двигателя пдв на заданном уровне п3. При этом сигнал датчика частоты вращения ДЧВ сравнивается с заданным значением часто­ты л3, после чего вырабатывается сигнал на подъем или опускание рабочего органа. Одновременно с этим измеряются и сравниваются со своими граничными значениями такие параметры, как угловое положение, скорость и буксование. При достижении граничных значений управление отключается и вырабатывается команда на выглубление рабочего органа.

В процессе транспортирования грунта обеспечивается поддержа­ние действительной скорости машины на заданном уровне.

При планировочных работах система «Режим» работает совме­стно с системой «Профиль». В этом случае разность частот враще­ния вала (Лдв - /із) .усиливается по мощности и подается на блок управления «Профиль» вместе с выходным сигналом задатчика тол­щины срезаемой стружки. Это обеспечивает непрерывную регули­ровку толщины стружки и нагрузки, действующей на отвал, а также и частоты вращения вала двигателя.

Третье направление автоматизации машин 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 системы управ­ления 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 точке строительной площадки. Рассмотрим работу такой системы на примере комплек­та аппаратуры «Дорога» (рис. 10.32).

Система управления состоит из задающей /, контрол ьно-следя - щей 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 разво-

рачивает излучение на 90° и осуществляет его вращение вокруг вер­тикальной оси излучателя.

Контрольно-следящая часть включает в себя фотоприемное уст­ройство (ФПУ), установленное на штанге механизма перемещения (МП), которая закреплена на рабочем органе машины, в данном случае на отвале. 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.

Программно-управляющая часть состоит из измерителя переме­щения машины, микропроцессорного вычислительного блока выра­ботки команд 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 во 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. Рассмотрим используемые системы автоматического управления рабочими органами для раз­личных строительных и дорожных машин и оборудования.